K8s-网络原理-上篇

引言

本文是学习《深入剖析K8s》网络原理部分的学习笔记，相关图片和案例可以从https://github.com/WeiXiao-Hyy/k8s_example获取，欢迎Star！

网络基础

IP组成

IP地址由两部分组成，即网络地址和主机地址。网络地址表示其属于互联网的哪一个网络，主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机。二者是主从关系。

网络地址

网络地址用于表示设备所在网络本身。网络号部分不变，主机号部分为全“0”（二进制）的IP地址称为网络地址。如主机129.5.1.1（B类）所在网络的网络地址是129.5.0.0。

广播地址

广播地址用于向同一网络中的所有设备进行广播。网络号部分不变，而主机号部分为全“1”（二进制）的IP地址称为广播地址。

子网和子网掩码

https://hoochanlon.github.io/helpdesk-guide/enhance/net/neta.html

ARP协议

是通过三层的IP地址找到对应的二层MAC地址的协议。

VXLAN

VXLAN 本质上是一种隧道封装技术，它使用 TCP/IP 协议栈的惯用手法“封装/解封装技术”，将 L2 的以太网帧（Ethernet frames）封装成 L4 的 UDP 数据报，然后在 L3 的网络中传输，效果就像 L2 的以太网帧在一个广播域中传输一样，不再受数据中心传输的限制。
相关原理参考 https://thebyte.com.cn/content/chapter1/vxlan.html

K8s 单机容器网络的实现原理

docker0处理转发的过程继续扮演二层交换机的角色。此时，docker0网桥根据数据包的目的MAC地址，在它的CAM表里查到对应的端口为veth42730c，然后把数据包发往该端口，以下是该过程的原理图。

在这里插入图片描述
以下过程是通过iptables的TRACE功能查看数据包的传输过程。

Mar 18 20:39:20 ubun kernel: [1550900.298087] TRACE: raw:PREROUTING:policy:2 IN=docker0 OUT= PHYSIN=veth427f30c MAC=02:42:ac:11:00:03:02:42:ac:11:00:04:08:00 SRC=172.17.0.4 DST=172.17.0.3 LEN=84 TOS=0x00 PREC=0x00 TTL=64 ID=45798 PROTO=ICMP TYPE=0 CODE=0 ID=3 SEQ=6 Mar 18 20:39:20 ubun kernel: [1550900.298092] TRACE: filter:FORWARD:rule:1 IN=docker0 OUT=docker0 PHYSIN=veth427f30c PHYSOUT=veth53ae888 MAC=02:42:ac:11:00:03:02:42:ac:11:00:04:08:00 SRC=172.17.0.4 DST=172.17.0.3 LEN=84 TOS=0x00 PREC=0x00 TTL=64 ID=45798 PROTO=ICMP TYPE=0 CODE=0 ID=3 SEQ=6

K8s 容器跨主机网络

overlay network

根据上面的思路，需要在已有的宿主机网络上再通过软件构建一个可以把所有容器连通起来的虚拟网络即虚拟网络，原理如下图所示。

在这里插入图片描述

flannel-UDP后端实现

UDP模式是最早支持的一种方式，也是性能最差的。

环境需求

宿主机Node1上有一个容器container-1，它的IP地址是100.96.1.2，对应的docker0网桥的地址是：100.96.1.1/24。

宿主机Node2上有一个容器container-2，它的IP地址是100.96.2.3，对应的docker0网桥的地址是：100.96.2.1/24。

default via 10.168.0.1 dev eth0
100.96.0.0/16 dev flannel0 proto kernel scope link src 100.96.1.0
100.96.1.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 100.96.1.1
10.168.0.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.168.0.2

TUN设备是一种工作在三层(Network Layer)的虚拟网络设备。TUN设备的功能非常简单，即：在操作系统内核和用户应用程序之间传递IP包。

当IP包从容器经过docker出现在宿主机，然后根据路由表进入flannel0设备后，宿主机上的flanneld收到这个包。然后看到这个IP包的DST=100.96.2.3，就将其发送给了Node2宿主机。

子网与宿主机的对应关系，保存在ETCD中

$ etcdctl ls /coreos.com/network/subnets
/coreos.com/network/subnets/100.96.1.0-24
/coreos.com/network/subnets/100.96.2.0-24
/coreos.com/network/subnets/100.96.3.0-24

即flanneld在收到container-1发给container-2的IP包之后，就会把这个IP包直接封装在一个UDP包里，然后发送给Node2。

每台宿主机上的flanneld，都监听着一个8285端口，所以flanneld只要把UDP包发往Node2的8285端口即可。后续解析步骤同单机容器网络的实现原理。

在这里插入图片描述

UDP模式下的性能问题

由下图可以得知UDP模式下的IP包发出，需要经过3次用户态和内核态的切换，从而造成性能的损失。
在这里插入图片描述

flannel-VXLAN实现

VXLAN：虚拟可扩展局域网，其设计思想是，在现有的三层网络之上”覆盖“一层虚拟的，由内核VXLAN模块负责维护的二层网络。

如下图是VXLAN的报文结构图。
图片引用了参考资料3的图片

VXLAN头里的VNI，是VTEP设备识别某个数据帧是否应该归自己处理。

需求: 容器1请求容器4

在这里插入图片描述

为了能将Original Ethernet Frame封装并发送到正确的宿主机上，VXLAN需要找到这条“隧道”的出口。

当Node2启动并加入flannel网络之后，在其他所有节点上，会添加一条如下的路由规则:

10.1.16.0 10.1.16.0 255.255.255.0 UG 0 0 0 flannel.1

即凡是发送10.1.16.0/24网段的IP包，都需要经过flannel，并且最后发往的网关地址是10.1.16.0。

当Node2启动时自动添加到Node1上，由第一步的IP信息，可以根据ARP表反查出Node2的MAC地址

10.1.16.0 lladrr 5e.f8.4f.00.e3.37 permanent

在每个节点启动时把它的VTEP设备对应的ARP记录下放到其他每台宿主机。

flannel1.1设备只知道另一端的MAC地址，却不知道对应的宿主机地址。flannel实际上还需要扮演“网桥”。依据FDB（forwarding database）的转发数据库，记录着MAC地址对应的宿主机地址。

5e.f8.4f.00.e3.37 dev flannel1.1 dts 10.168.0.3 self permanent

参考资料

https://www.zhihu.com/question/35655547
https://book.douban.com/subject/35424872/
https://thebyte.com.cn/content/chapter1/vxlan.html
https://www.zhihu.com/question/35655547

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