在 Kubernetes 中要保證容器之間網(wǎng)絡(luò)互通，網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。而 Kubernetes 本身并沒有自己實(shí)現(xiàn)容器網(wǎng)絡(luò)，而是通過插件化的方式自由接入進(jìn)來。在容器網(wǎng)絡(luò)接入進(jìn)來需要滿足如下基本原則：- pod 無論運(yùn)行在任何節(jié)點(diǎn)都可以互相直接通信，而不需要借助 NAT 地址轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。
- node 與 pod 可以互相通信，在不限制的前提下，pod 可以訪問任意網(wǎng)絡(luò)。
- pod 擁有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)棧，pod 看到自己的地址和外部看見的地址應(yīng)該是一樣的，并且同個 pod 內(nèi)所有的容器共享同個網(wǎng)絡(luò)棧。
容器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)一個 Linux 容器的網(wǎng)絡(luò)棧是被隔離在它自己的 Network Namespace中，Network Namespace 包括了：網(wǎng)卡（Network Interface），回環(huán)設(shè)備（Lookback Device），路由表（Routing Table）和 iptables 規(guī)則，對于服務(wù)進(jìn)程來講這些就構(gòu)建了它發(fā)起請求和相應(yīng)的基本環(huán)境。 而要實(shí)現(xiàn)一個容器網(wǎng)絡(luò)，離不開以下 Linux 網(wǎng)絡(luò)功能： - 網(wǎng)絡(luò)命名空間：將獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧隔離到不同的命令空間中，彼此間無法通信。
- Veth Pair：Veth設(shè)備對的引入是為了實(shí)現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)命名空間的通信,總是以兩張?zhí)摂M網(wǎng)卡（veth peer）的形式成對出現(xiàn)的。并且，從其中一端發(fā)出的數(shù)據(jù)，總是能在另外一端收到。
- Iptables/Netfilter：Netfilter 負(fù)責(zé)在內(nèi)核中執(zhí)行各種掛接的規(guī)則(過濾、修改、丟棄等)，運(yùn)行在內(nèi)核中；Iptables 模式是在用戶模式下運(yùn)行的進(jìn)程，負(fù)責(zé)協(xié)助維護(hù)內(nèi)核中 Netfilter 的各種規(guī)則表；通過二者的配合來實(shí)現(xiàn)整個 Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中靈活的數(shù)據(jù)包處理機(jī)制
- 網(wǎng)橋：網(wǎng)橋是一個二層網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)備,類似交換機(jī),主要功能是通過學(xué)習(xí)而來的Mac地址將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)橋的不同端口上。
- 路由：Linux系統(tǒng)包含一個完整的路由功能，當(dāng)IP層在處理數(shù)據(jù)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的時候，會使用路由表來決定發(fā)往哪里
基于以上的基礎(chǔ)，同宿主機(jī)的容器時間如何通信呢？我們可以簡單把他們理解成兩臺主機(jī)，主機(jī)之間通過網(wǎng)線連接起來，如果要多臺主機(jī)通信，我們通過交換機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)彼此互通，在 Linux 中，我們可以通過網(wǎng)橋來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在容器中，以上的實(shí)現(xiàn)是通過 docker0 網(wǎng)橋，凡是連接到 docker0 的容器，就可以通過它來進(jìn)行通信。要想容器能夠連接到 docker0 網(wǎng)橋，我們也需要類似網(wǎng)線的虛擬設(shè)備Veth Pair 來把容器連接到網(wǎng)橋上。 docker run -d --name c1 hub.pri.ibanyu.com/devops/alpine:v3.8 /bin/sh docker exec -it c1 /bin/sh/ # ifconfigeth0 Link encap:Ethernet HWaddr 02:42:AC:11:00:02 inet addr:172.17.0.2 Bcast:172.17.255.255 Mask:255.255.0.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:14 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:1172 (1.1 KiB) TX bytes:0 (0.0 B)
lo Link encap:Local Loopback inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0 UP LOOPBACK RUNNING MTU:65536 Metric:1 RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:1000 RX bytes:0 (0.0 B) TX bytes:0 (0.0 B)
/ # route -nKernel IP routing tableDestination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface0.0.0.0 172.17.0.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0172.17.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 0 0 0 eth0
ifconfigdocker0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500 inet 172.17.0.1 netmask 255.255.0.0 broadcast 172.17.255.255 inet6 fe80::42:6aff:fe46:93d2 prefixlen 64 scopeid 0x20<link> ether 02:42:6a:46:93:d2 txqueuelen 0 (Ethernet) RX packets 0 bytes 0 (0.0 B) RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 8 bytes 656 (656.0 B) TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500 inet 10.100.0.2 netmask 255.255.255.0 broadcast 10.100.0.255 inet6 fe80::5400:2ff:fea3:4b44 prefixlen 64 scopeid 0x20<link> ether 56:00:02:a3:4b:44 txqueuelen 1000 (Ethernet) RX packets 7788093 bytes 9899954680 (9.2 GiB) RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 5512037 bytes 9512685850 (8.8 GiB) TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING> mtu 65536 inet 127.0.0.1 netmask 255.0.0.0 inet6 ::1 prefixlen 128 scopeid 0x10<host> loop txqueuelen 1000 (Local Loopback) RX packets 32 bytes 2592 (2.5 KiB) RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 32 bytes 2592 (2.5 KiB) TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
veth20b3dac: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500 inet6 fe80::30e2:9cff:fe45:329 prefixlen 64 scopeid 0x20<link> ether 32:e2:9c:45:03:29 txqueuelen 0 (Ethernet) RX packets 0 bytes 0 (0.0 B) RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0 TX packets 8 bytes 656 (656.0 B) TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
我們可以看到，容器對應(yīng)的 Veth peer 另一端是宿主機(jī)上的一塊虛擬網(wǎng)卡叫veth20b3dac，并且可以通過 brctl 查看網(wǎng)橋信息看到這張網(wǎng)卡是在 docker0 上。 # brctl showdocker0 8000.02426a4693d2 no veth20b3dac $ docker run -d --name c2 -it hub.pri.ibanyu.com/devops/alpine:v3.8 /bin/sh$ docker exec -it c1 /bin/sh/ # ping 172.17.0.3PING 172.17.0.3 (172.17.0.3): 56 data bytes64 bytes from 172.17.0.3: seq=0 ttl=64 time=0.291 ms64 bytes from 172.17.0.3: seq=1 ttl=64 time=0.129 ms64 bytes from 172.17.0.3: seq=2 ttl=64 time=0.142 ms64 bytes from 172.17.0.3: seq=3 ttl=64 time=0.169 ms64 bytes from 172.17.0.3: seq=4 ttl=64 time=0.194 ms^C--- 172.17.0.3 ping statistics ---5 packets transmitted, 5 packets received, 0% packet lossround-trip min/avg/max = 0.129/0.185/0.291 ms 可以看到，能夠 ping 通，其原理就是我們 ping 目標(biāo) IP 172.17.0.3時，會匹配到我們的路由表第二條規(guī)則，網(wǎng)關(guān)為0.0.0.0，這就意味著是一條直連路由，通過二層轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。 要通過二層網(wǎng)絡(luò)到達(dá)172.17.0.3，我們需要知道它的 Mac 地址，此時就需要第一個容器發(fā)送一個ARP廣播，來通過IP地址查找Mac。 此時 Veth peer 另外一段是 docker0 網(wǎng)橋，它會廣播到所有連接它的 veth peer 虛擬網(wǎng)卡去，然后正確的虛擬網(wǎng)卡收到后會響應(yīng)這個ARP報(bào)文，然后網(wǎng)橋再回給第一個容器。 以上就是同宿主機(jī)不同容器通過 docker0 通信，如下圖所示：
默認(rèn)情況下，通過 network namespace 限制的容器進(jìn)程，本質(zhì)上是通過Veth peer設(shè)備和宿主機(jī)網(wǎng)橋的方式，實(shí)現(xiàn)了不同 network namespace 的數(shù)據(jù)交換。與之類似地，當(dāng)你在一臺宿主機(jī)上，訪問該宿主機(jī)上的容器的 IP 地址時，這個請求的數(shù)據(jù)包，也是先根據(jù)路由規(guī)則到達(dá) docker0 網(wǎng)橋，然后被轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的 Veth Pair 設(shè)備，最后出現(xiàn)在容器里。跨主機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信在 Docker 的默認(rèn)配置下，不同宿主機(jī)上的容器通過 IP 地址進(jìn)行互相訪問是根本做不到的。為了解決這個問題，社區(qū)中出現(xiàn)了很多網(wǎng)絡(luò)方案。同時 K8s 為了更好的控制網(wǎng)絡(luò)的接入，推出了 CNI 即容器網(wǎng)絡(luò)的 API 接口。它是 K8s 中標(biāo)準(zhǔn)的一個調(diào)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的接口，kubelet通過這個API來調(diào)用不同的網(wǎng)絡(luò)插件以實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)配置，實(shí)現(xiàn)了這個接口的就是CNI插件，它實(shí)現(xiàn)了一系列的CNI API接口。目前已經(jīng)有的包括flannel、calico、weave、contiv等等。 實(shí)際上 CNI 的容器網(wǎng)絡(luò)通信流程跟前面的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)一樣，只是CNI維護(hù)了一個單獨(dú)的網(wǎng)橋來代替 docker0。這個網(wǎng)橋的名字就叫作：CNI 網(wǎng)橋，它在宿主機(jī)上的設(shè)備名稱默認(rèn)是：cni0。 cni的設(shè)計(jì)思想，就是：Kubernetes 在啟動 Infra 容器之后，就可以直接調(diào)用 CNI 網(wǎng)絡(luò)插件，為這個 Infra 容器的 Network Namespace，配置符合預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)棧。 CNI 插件三種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模式： 
- overlay 模式是基于隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，整個容器網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，容器之間跨主機(jī)通信時將整個容器網(wǎng)絡(luò)封裝到底層網(wǎng)絡(luò)中，然后到達(dá)目標(biāo)機(jī)器后再解封裝傳遞到目標(biāo)容器。不依賴與底層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的插件有flannel（UDP、vxlan）、calico（IPIP）等等
- 三層路由模式中容器和主機(jī)也屬于不通的網(wǎng)段，他們?nèi)萜骰ネㄖ饕腔诼酚杀泶蛲?，無需在主機(jī)之間建立隧道封包。但是限制條件必須依賴大二層同個局域網(wǎng)內(nèi)。實(shí)現(xiàn)的插件有flannel（host-gw）、calico（BGP）等等
- underlay網(wǎng)絡(luò)是底層網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)互聯(lián)互通。容器網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)網(wǎng)絡(luò)依然分屬不同的網(wǎng)段，但是彼此處于同一層網(wǎng)絡(luò)，處于相同的地位。整個網(wǎng)絡(luò)三層互通，沒有大二層的限制，但是需要強(qiáng)依賴底層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)支持.實(shí)現(xiàn)的插件有calico（BGP）等等
我們看下路由模式的一種實(shí)現(xiàn) flannel Host-gw： 
如圖可以看到當(dāng) node1上container-1 要發(fā)數(shù)據(jù)給 node2 上的 container2 時，會匹配到如下的路由表規(guī)則：10.244.1.0/24 via 10.168.0.3 dev eth0 表示前往目標(biāo)網(wǎng)段 10.244.1.0/24 的 IP 包，需要經(jīng)過本機(jī) eth0 出去發(fā)往的下一跳ip地址為10.168.0.3（node2）。然后到達(dá) 10.168.0.3 以后再通過路由表轉(zhuǎn)發(fā) cni 網(wǎng)橋，進(jìn)而進(jìn)入到 container2。 以上可以看到 host-gw 工作原理，其實(shí)就是在每個 node 節(jié)點(diǎn)配置到每個 pod 網(wǎng)段的下一跳為pod網(wǎng)段所在的 node 節(jié)點(diǎn) IP，pod 網(wǎng)段和 node 節(jié)點(diǎn) ip 的映射關(guān)系，flannel 保存在etcd或者k8s中。flannel 只需要 watch 這些數(shù)據(jù)的變化來動態(tài)更新路由表即可。這種網(wǎng)絡(luò)模式最大的好處就是避免了額外的封包和解包帶來的網(wǎng)絡(luò)性能損耗。缺點(diǎn)我們也能看見主要就是容器ip包通過下一跳出去時，必須要二層通信封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到下一跳。如果不在同個二層局域網(wǎng)，那么就要交給三層網(wǎng)關(guān)，而此時網(wǎng)關(guān)是不知道目標(biāo)容器網(wǎng)絡(luò)的（也可以靜態(tài)在每個網(wǎng)關(guān)配置pod網(wǎng)段路由）。所以 flannel host-gw 必須要求集群宿主機(jī)是二層互通的。 而為了解決二層互通的限制性，calico提供的網(wǎng)絡(luò)方案就可以更好的實(shí)現(xiàn)，calico 大三層網(wǎng)絡(luò)模式與flannel 提供的類似，也會在每臺宿主機(jī)添加如下格式的路由規(guī)則： <目標(biāo)容器IP網(wǎng)段> via <網(wǎng)關(guān)的IP地址> dev eth0 BGP 全稱是 Border Gateway Protocol邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議,linxu原生支持的、專門用于在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心為不同的自治系統(tǒng)之間傳遞路由信息。只要記住BGP簡單理解其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)路由信息同步共享的一種協(xié)議。而BGP這種協(xié)議就能代替flannel 維護(hù)主機(jī)路由表功能。 - calico cni插件: 主要負(fù)責(zé)與kubernetes對接，供kubelet調(diào)用使用。
- felix: 負(fù)責(zé)維護(hù)宿主機(jī)上的路由規(guī)則、FIB轉(zhuǎn)發(fā)信息庫等。
- BIRD: 負(fù)責(zé)分發(fā)路由規(guī)則，類似路由器。
除此之外，calico 還和 flannel host-gw 不同之處在于，它不會創(chuàng)建網(wǎng)橋設(shè)備，而是通過路由表來維護(hù)每個pod的通信，如下圖所示：
可以看到 calico 的 cni 插件會為每個容器設(shè)置一個 veth pair 設(shè)備，然后把另一端接入到宿主機(jī)網(wǎng)絡(luò)空間，由于沒有網(wǎng)橋，cni 插件還需要在宿主機(jī)上為每個容器的 veth pair設(shè)備配置一條路由規(guī)則，用于接收傳入的IP包，路由規(guī)則如下：10.92.77.163 dev cali93a8a799fe1 scope link 以上表示發(fā)送10.92.77.163的IP包應(yīng)該發(fā)給cali93a8a799fe1設(shè)備，然后到達(dá)另外一段容器中。 有了這樣的veth pair設(shè)備以后，容器發(fā)出的IP包就會通過veth pair設(shè)備到達(dá)宿主機(jī)，然后宿主機(jī)根據(jù)路有規(guī)則的下一條地址，發(fā)送給正確的網(wǎng)關(guān)(10.100.1.3)，然后到達(dá)目標(biāo)宿主機(jī)，在到達(dá)目標(biāo)容器。 10.92.160.0/23 via 10.106.65.2 dev bond0 proto bird 這些路由規(guī)則都是felix維護(hù)配置的，而路由信息則是calico bird組件基于BGP分發(fā)而來。calico實(shí)際上是將集群里所有的節(jié)點(diǎn)都當(dāng)做邊界路由器來處理,他們一起組成了一個全互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，彼此之間通過BGP交換路由，這些節(jié)點(diǎn)我們叫做BGP Peer。 需要注意的是calico 維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的默認(rèn)模式是 node-to-node mesh ,這種模式下，每臺宿主機(jī)的BGP client都會跟集群所有的節(jié)點(diǎn)BGP client進(jìn)行通信交換路由。這樣一來，隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模數(shù)量N的增加，連接會以N的2次方增長，會集群網(wǎng)絡(luò)本身帶來巨大壓力。 所以一般這種模式推薦的集群規(guī)模在50節(jié)點(diǎn)左右,超過50節(jié)點(diǎn)推薦使用另外一種RR（Router Reflector）模式，這種模式下，calico 可以指定幾個節(jié)點(diǎn)作為RR，他們負(fù)責(zé)跟所有節(jié)點(diǎn) BGP client 建立通信來學(xué)習(xí)集群所有的路由，其他節(jié)點(diǎn)只需要跟RR節(jié)點(diǎn)交換路由即可。這樣大大降低了連接數(shù)量，同時為了集群網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，建議RR>=2. 
以上的工作原理依然是在二層通信，當(dāng)我們有兩臺宿主機(jī)，一臺是10.100.0.2/24，節(jié)點(diǎn)上容器網(wǎng)絡(luò)是10.92.204.0/24;另外一臺是10.100.1.2/24,節(jié)點(diǎn)上容器網(wǎng)絡(luò)是10.92.203.0/24,此時兩臺機(jī)器因?yàn)椴辉谕瑐€二層所以需要三層路由通信，這時calico就會在節(jié)點(diǎn)上生成如下路由表： 10.92.203.0/23 via 10.100.1.2 dev eth0 proto bird 這時候問題就來了，因?yàn)?0.100.1.2跟我們10.100.0.2不在同個子網(wǎng)，是不能二層通信的。這之后就需要使用Calico IPIP模式，當(dāng)宿主機(jī)不在同個二層網(wǎng)絡(luò)時就是用overlay網(wǎng)絡(luò)封裝以后再發(fā)出去。如下圖所示： 
IPIP模式下在非二層通信時，calico 會在node節(jié)點(diǎn)添加如下路由規(guī)則: 10.92.203.0/24 via 10.100.1.2 dev tunnel0 10.92.203.0/24 via 10.100.1.2 dev interface1 而node1添加如下的路由表: 10.92.203.0/24 via 10.100.1.1 dev tunnel0 參考https://github.com/coreos/flannel/blob/master/Documentation/backends.md https:///flannel/ https://docs./getting-started/kubernetes/ https://www./willseecloud/kubernetes-handbook/1321338
來源：http://tech./blog/2020/03/06/kubernetes_container_network/ 文章轉(zhuǎn)載：高效運(yùn)維
（版權(quán)歸原作者所有，侵刪） 
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