【kubernetes】二进制部署k8s集群之cni网络插件flannel和calico工作原理

k8s集群的三种接口

k8s集群有三大接口:

CRI:容器进行时接口,连接容器引擎--docker、containerd、cri-o、podman

CNI:容器网络接口,用于连接网络插件如:flannel、calico、cilium

CSI:容器存储接口,如nfs、ceph、gfs、oss、s3、minio

k8s的三种网络模式

节点网络         nodeIP         物理网卡的IP实现节点间的通信
Pod网络          podIP           Pod与Pod之间可通过Pod的IP相互通信
Service网络    clusterIP      在K8S集群内可通过service资源的clusterIP实现对Pod集群的网络代理转发

VLAN和VXLAN的区别

VLAN主要用作于在交换机上逻辑划分广播域,还可以配合STP生成树协议阻塞路径接口,避免产生环路和广播风暴
 VXLAN可以将数据帧封装成UDP报文,再通过网络层传输给其它网络,从而实现虚拟大二层网络的通信
VXLAN支持更多的二层网络:VXLAN最多可支持 2^24 个;VLAN最多支持 2^12 个(4096-2)
VXLAN可以防止物理交换机MAC表耗尽:VLAN需要在交换机的MAC表中记录MAC物理地址;VXLAN采用隧道机制,MAC物理地址不需记录在交换机

K8S中Pod网络通信

Pod内容器与容器之间的通信

在同一个 Pod 内的容器(Pod 内的容器是不会跨宿主机的)共享同一个网络命令空间,相当于它们在同一台机器上一样,可以用 localhost 地址访问彼此的端口。
同一个Node内Pod之间的通信

每个 Pod 都有一个真实的全局 IP 地址,同一个 Node 内的不同 Pod 之间可以直接采用对方 Pod 的 IP 地址进行通信,Pod1 与 Pod2 都是通过 Veth 连接到同一个 docker0 网桥,网段相同,所以它们之间可以直接通信。

不同Node上Pod之间的通信

Pod 地址与 docker0 在同一网段,docker0 网段与宿主机网卡是两个不同的网段,且不同 Node 之间的通信只能通过宿主机的物理网卡进行。
要想实现不同 Node 上 Pod 之间的通信,就必须想办法通过主机的物理网卡 IP 地址进行寻址和通信。因此要满足两个条件:Pod 的 IP 不能冲突;将 Pod 的 IP 和所在的 Node 的 IP 关联起来,通过这个关联让不同 Node 上 Pod 之间直接通过内网 IP 地址通信。

flannel的三种模式

UDP:出现最早的模式,但是性能最差,基于flanneld应用程序实现数据包的封装/解封装
VXLAN:flannel的默认模式,也是推荐使用的模式,性能比UDP模式更好,基于内核实现数据帧的封装/解封装,而且配置简单使用方便
HOST-GW:性能最好的模式,但是配置负载,且不能跨网段。

原始数据包从源主机的Pod容器发出到cni0网桥接口,再由cni0转发到flannel0虚拟接口
flanneld服务进程会监听flannel0接口接收到的数据,flanneld进程会将原始数据包封装到UDP报文里
flanneld进程会根据在etcd中维护的路由表查到目标Pod所在的nodeIP,并在UDP报文外封装nodeIP头部、MAC头部,再通过物理网卡发送到目标node节点
UDP报文通过8285端口送达到目标node节点的flanneld进程进行解封装,再根据本地路由规则通过flannel0接口发送到cni0网桥,再由cni0发送到目标Pod容器

flannel的VXLAN模式工作原理

原始数据帧从源主机的Pod容器发出到cni0网桥接口,再由cni0转发到flannel.1虚拟接口
flannel.1接口接收到数据帧后添加VXLAN头部,并在内核将原始数据帧封装到UDP报文里
根据在etcd中维护的路由表查到目标Pod所在的nodeIP,并在UDP报文外封装nodeIP头部、MAC头部,再通过物理网卡发送到目标node节点
UDP报文通过8472端口送达到目标node节点的flannel.1接口并在内核进行解封装,再根据本地路由规则发送到cni0网桥,再由cni0发送到目标Pod容器

部署flannel


k8s集群master01:192.168.66.10	kube-apiserver kube-controller-manager kube-scheduler etcdk8s集群node01:192.168.66.30	kubelet kube-proxy docker 
k8s集群node02:192.168.66.40etcd集群节点1:192.168.66.10	etcd
etcd集群节点2:192.168.66.30
etcd集群节点3:192.168.66.40

在node01节点上操作

#上传 cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz 和 flannel.tar 到 /opt 目录中
cd /opt/
docker load -i flannel.tar
docker load -i flannel-cni-plugin.tarmkdir /opt/cni/bin -p
tar xf cni-plugins-linux-amd64-v1.3.0.tgz -C /opt/cni/bin

在master01节点上操作


#上传 kube-flannel.yml 文件到 /opt/k8s 目录中,部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
kubectl apply -f kube-flannel.yml kubectl get pods -n kube-flannel
NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kube-flannel-ds-hjtc7   1/1     Running   0          7skubectl get nodes
NAME            STATUS   ROLES    AGE   VERSION
192.168.66.30   Ready    <none>   81m   v1.20.11

部署Calico

Calico不使用隧道或NAT来实现转发,而是把Host当作Internet中的路由器,使用BGP同步路由,并使用iptables来做安全访问策略,完成跨Host转发来。
Calico主要由三个部分组成
Calico CNI插件:主要负责与kubernetes对接,供kubelet调用使用。
Felix:负责维护宿主机上的路由规则、FIB转发信息库等。
BIRD:负责分发路由规则,类似路由器。
Confd:配置管理组件。
calico的IPIP模式工作原理
原始数据包从源主机的Pod容器发出,通过 veth pair 设备送达到tunl0接口,再被内核的IPIP驱动封装到node节点网络的IP报文里
根据Felix维护的路由规则通过物理网卡发送到目标node节点
IP数据包到达目标node节点的tunl0接口后再通过内核的IPIP驱动解封装得到原始数据包,再根据本地路由规则通过 veth pair 设备送达到目标Pod容器
calico的BGP模式工作原理
每个Pod容器都有一个 veth pair 设备,一端接入容器,另一个接入宿主机网络空间,并设置一条路由规则。
这些路由规则都是 Felix 维护配置的,由 BIRD 组件基于 BGP 动态路由协议分发路由信息给其它节点。

原始数据包从源主机的Pod容器发出,通过 veth pair 设备送达到宿主机网络空间
根据Felix维护的路由规则通过物理网卡发送到目标node节点
目标node节点接收到数据包后,会根据本地路由规则通过 veth pair 设备送达到目标Pod容器
flannel与calico的区别
flannel: UDP  VXLAN  HOST-GW
默认网段:10.244.0.0/16
通常会采用VXLAN模式,用的是叠加网络、IP隧道方式传输数据,对性能有一定的影响。
Flannel产品成熟,依赖性较少,易于安装,功能简单,配置方便,利于管理。但是不具备复杂的网络策略配置能力。

在master01节点上操作

#上传 calico.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中,部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
vim calico.yaml
#修改里面定义Pod网络(CALICO_IPV4POOL_CIDR),与前面kube-controller-manager配置文件指定的cluster-cidr网段一样- name: CALICO_IPV4POOL_CIDRvalue: "192.168.0.0/16"kubectl apply -f calico.yamlkubectl get pods -n kube-system
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
calico-kube-controllers-659bd7879c-4h8vk   1/1     Running   0          58s
calico-node-nsm6b                          1/1     Running   0          58s
calico-node-tdt8v                          1/1     Running   0          58s#等 Calico Pod 都 Running,节点也会准备就绪
kubectl get nodes

部署CoreDNS

CoreDNS 是 K8S 默认的集群内部 DNS 功能实现,为 K8S 集群内的 Pod 提供 DNS 解析服务
根据 service 的资源名称 解析出对应的 clusterIP
根据 statefulset 控制器创建的Pod资源名称 解析出对应的 podIP

在所有node节点上操作


#上传 coredns.tar 到 /opt 目录中
cd /opt
docker load -i coredns.tar

在master01节点上操作


#上传 coredns.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中,部署 CoreDNS 
cd /opt/k8s
kubectl apply -f coredns.yamlkubectl get pods -n kube-system 
NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
coredns-5ffbfd976d-j6shb      1/1     Running   0          32s#DNS 解析测试
kubectl run -it --rm dns-test --image=busybox:1.28.4 sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # nslookup kubernetes

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