Kubernetes中的网络模型
Flink on k8s 讲解与实战操作
作者:Cylon
出处:https://www.cnblogs.com/Cylon/p/16595820.html
Overview
本文将探讨 Kubernetes 中的网络模型,以及对各种网络模型进行分析。
Underlay Network Model
什么是 Underlay Network
底层网络 Underlay Network
顾名思义是指网络设备基础设施,如交换机,路由器, DWDM
使用网络介质将其链接成的物理网络拓扑,负责网络之间的数据包传输。
underlay network
可以是二层,也可以是三层;二层的典型例子是以太网 Ethernet
,三层是的典型例子是互联网 Internet
。
而工作于二层的技术是 vlan
,工作在三层的技术是由 OSPF
, BGP
等协议组成。
k8s 中的 underlay network
在 kubernetes 中,underlay network
中比较典型的例子是通过将宿主机作为路由器设备,Pod 的网络则通过学习路由条目从而实现跨节点通讯。
这种模型下典型的有 flannel
的 host-gw
模式与 calico
BGP
模式。
flannel host-gw
flannel host-gw
模式中每个 Node 需要在同一个二层网络中,并将 Node 作为一个路由器,跨节点通讯将通过路由表方式进行,这样方式下将网络模拟成一个underlay network
。
Notes:因为是通过路由方式,集群的 cidr 至少要配置 16,因为这样可以保证,跨节点的 Node 作为一层网络,同节点的 Pod 作为一个网络。如果不是这种用情况,路由表处于相同的网络中,会存在网络不可达
Calico BGP
BGP(Border Gateway Protocol
)是去中心化自治路由协议。它是通过维护 IP 路由表或前缀
表来实现 AS (Autonomous System
)之间的可访问性,属于向量路由协议。
与 flannel
不同的是,Calico
提供了的 BGP
网络解决方案,在网络模型上,Calico
与 Flannel host-gw
是近似的,但在软件架构的实现上,flannel
使用 flanneld
进程来维护路由信息;而 Calico
是包含多个守护进程的,其中 Brid
进程是一个 BGP
客户端与路由反射器(Router Reflector
),BGP
客户端负责从 Felix
中获取路由并分发到其他 BGP Peer
,而反射器在 BGP 中起了优化的作用。在同一个 IBGP 中,BGP 客户端仅需要和一个 RR
相连,这样减少了AS
内部维护的大量的 BGP 连接。通常情况下,RR
是真实的路由设备,而 Bird
作为 BGP
客户端工作。
IPVLAN & MACVLAN
IPVLAN
和 MACVLAN
是一种网卡虚拟化技术,两者之间的区别为, IPVLAN
允许一个物理网卡拥有多个 IP 地址,并且所有的虚拟接口用同一个 MAC 地址;而 MACVLAN
则是相反的,其允许同一个网卡拥有多个 MAC 地址,而虚拟出的网卡可以没有 IP 地址。
因为是网卡虚拟化技术,而不是网络虚拟化技术,本质上来说属于 Overlay network
,这种方式在虚拟化环境中与 Overlay network
相比最大的特点就是可以将 Pod 的网络拉平到 Node 网络同级,从而提供更高的性能、低延迟的网络接口。本质上来说其网络模型属于下图中第二个。
- 虚拟网桥:创建一个虚拟网卡对(veth pair),一头在容器内,一头在宿主机的 root namespaces 内。这样一来容器内发出的数据包可以通过网桥直接进入宿主机网络栈,而发往容器的数据包也可以经过网桥进入容器。
- 多路复用:使用一个中间网络设备,暴露多个虚拟网卡接口,容器网卡都可以介入这个中间设备,并通过 MAC/IP 地址来区分 packet 应该发往哪个容器设备。
- 硬件交换,为每个 Pod 分配一个虚拟网卡,这样一来,Pod 与 Pod 之间的连接关系就会变得非常清晰,因为近乎物理机之间的通信基础。如今大多数网卡都支持 SR-IOV 功能,该功能将单一的物理网卡虚拟成多个 VF 接口,每个 VF 接口都有单独的虚拟 PCIe 通道,这些虚拟的 PCIe 通道共用物理网卡的 PCIe 通道。
在 kubernetes 中 IPVLAN
这种网络模型下典型的 CNI 有,multus 与 danm。
multus
multus
是 intel 开源的 CNI 方案,是由传统的 cni
与 multus
,并且提供了 SR-IOV CNI 插件使 K8s pod 能够连接到 SR-IOV VF 。这是使用了 IPVLAN/MACVLAN
的功能。
当创建新的 Pod 后,SR-IOV 插件开始工作。配置 VF 将被移动到新的 CNI 名称空间。该插件根据 CNI 配置文件中的 “name” 选项设置接口名称。最后将 VF 状态设置为 UP。
下图是一个 Multus 和 SR-IOV CNI 插件的网络环境,具有三个接口的 pod。
eth0
是flannel
网络插件,也是作为 Pod 的默认网络- VF 是主机的物理端口
ens2f0
的实例化。这是英特尔 X710-DA4 上的一个端口。在 Pod 端的 VF 接口名称为south0
。 - 这个 VF 使用了 DPDK 驱动程序,此 VF 是从主机的物理端口
ens2f1
实例化出的。这个是英特尔 ® X710-DA4 上另外一个端口。Pod 内的 VF 接口名称为north0
。该接口绑定到 DPDK 驱动程序vfio-pci
。
Notes:术语
- NIC:network interface card,网卡
- SR-IOV:single root I/O virtualization,硬件实现的功能,允许各虚拟机间共享 PCIe 设备。
- VF:Virtual Function,基于 PF,与 PF 或者其他 VF 共享一个物理资源。
- PF:PCIe Physical Function,拥有完全控制 PCIe 资源的能力
- DPDK:Data Plane Development Kit
于此同时,也可以将主机接口直接移动到 Pod 的网络名称空间,当然这个接口是必须存在,并且不能是与默认网络使用同一个接口。这种情况下,在普通网卡的环境中,就直接将 Pod 网络与 Node 网络处于同一个平面内了。
danm
DANM 是诺基亚开源的 CNI 项目,目的是将电信级网络引入 kubernetes 中,与 multus 相同的是,也提供了 SR-IOV/DPDK 的硬件技术,并且支持 IPVLAN.
Overlay Network Model
什么是 Overlay
叠加网络是使用网络虚拟化技术,在 underlay
网络上构建出的虚拟逻辑网络,而无需对物理网络架构进行更改。本质上来说,overlay network
使用的是一种或多种隧道协议 (tunneling
),通过将数据包封装,实现一个网络到另一个网络中的传输,具体来说隧道协议关注的是数据包(帧)。
常见的网络隧道技术
- 通用路由封装 (
Generic Routing Encapsulation
) 用于将来自 IPv4/IPv6 的数据包封装为另一个协议的数据包中,通常工作与 L3 网络层中。 - VxLAN (
Virtual Extensible LAN
),是一个简单的隧道协议,本质上是将 L2 的以太网帧封装为 L4 中 UDP 数据包的方法,使用 4789 作为默认端口。VxLAN
也是VLAN
的扩展,对于 4096( 位VLAN ID
) 扩展为 1600 万( 位VN·ID
)个逻辑网络。
这种工作在 overlay
模型下典型的有 flannel
与 calico
中的的 VxLAN
, IPIP
模式。
IPIP
IP in IP
也是一种隧道协议,与 VxLAN
类似的是,IPIP
的实现也是通过 Linux 内核功能进行的封装。IPIP
需要内核模块 ipip.ko
使用命令查看内核是否加载 IPIP 模块lsmod | grep ipip
;使用命令modprobe ipip
加载。
Kubernetes 中 IPIP
与 VxLAN
类似,也是通过网络隧道技术实现的。与 VxLAN
差别就是,VxLAN
本质上是一个 UDP 包,而 IPIP
则是将包封装在本身的报文包上。
Notes:公有云可能不允许 IPIP 流量,例如 Azure
VxLAN
kubernetes 中不管是 flannel
还是 calico
VxLAN 的实现都是使用 Linux 内核功能进行的封装,Linux 对 vxlan 协议的支持时间并不久,2012 年 Stephen Hemminger 才把相关的工作合并到 kernel 中,并最终出现在 kernel 3.7.0 版本。为了稳定性和很多的功能,你可以会看到某些软件推荐在 3.9.0 或者 3.10.0 以后版本的 kernel 上使用 VxLAN
。
在 kubernetes 中 vxlan 网络,例如 flannel
,守护进程会根据 kubernetes 的 Node 而维护 VxLAN
,名称为 flannel.1
这是 VNID
,并维护这个网络的路由,当发生跨节点的流量时,本地会维护对端 VxLAN
设备的 MAC 地址,通过这个地址可以知道发送的目的端,这样就可以封包发送到对端,收到包的对端 VxLAN 设备 flannel.1
解包后得到真实的目的地址。
查看 Forwarding database
列表
$ bridge fdb
26:5e:87:90:91:fc dev flannel.1 dst 10.0.0.3 self permanent
Notes:VxLAN 使用的 4789 端口,wireshark 应该是根据端口进行分析协议的,而 flannel 在 linux 中默认端口是 8472,此时抓包仅能看到是一个 UDP 包。
通过上述的架构可以看出,隧道实际上是一个抽象的概念,并不是建立的真实的两端的隧道,而是通过将数据包封装成另一个数据包,通过物理设备传输后,经由相同的设备(网络隧道)进行解包实现网络的叠加。
weave vxlan
weave 也是使用了 VxLAN
技术完成的包的封装,这个技术在 weave
中称之为 fastdp (fast data path)
,与 calico
和 flannel
中用到的技术不同的,这里使用的是 Linux 内核中的 openvswitch datapath module
,并且 weave 对网络流量进行了加密。
Notes:fastdp 工作在 Linux 内核版本 3.12 及更高版本,如果低于此版本的例如 CentOS7,weave 将工作在用户空间,weave 中称之为
sleeve mode
Reference
https://github.com/flannel-io/flannel/blob/master/Documentation/backends.md#host-gw
https://projectcalico.docs.tigera.io/networking/bgp
https://www.weave.works/docs/net/latest/concepts/router-encapsulation/
https://github.com/k8snetworkplumbingwg/sriov-network-device-plugin
https://github.com/nokia/danm