Kubernates | 网络模型与CNI网络插件

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在上一篇文章中,我以 Flannel 项目为例,为你详细讲解了容器跨主机网络的两种实现方法:UDP 和 VXLAN。

不难看到,这些例子有一个共性,那就是用户的容器都连接在 docker0 网桥上。而网络插件则在宿主机上创建了一个特殊的设备(UDP 模式创建的是 TUN 设备,VXLAN 模式创建的则是 VTEP 设备),docker0 与这个设备之间,通过 IP 转发(路由表)进行协作。

然后,网络插件真正要做的事情,则是通过某种方法,把不同宿主机上的特殊设备连通,从而达到容器跨主机通信的目的。

实际上,上面这个流程,也正是 Kubernetes 对容器网络的主要处理方法。只不过,Kubernetes 是通过一个叫作 CNI 的接口,维护了一个单独的网桥来代替 docker0。这个网桥的名字就叫作:CNI 网桥,它在宿主机上的设备名称默认是:cni0。

以 Flannel 的 VXLAN 模式为例,在 Kubernetes 环境里,它的工作方式跟我们在上一篇文章中讲解的没有任何不同。只不过,docker0 网桥被替换成了 CNI 网桥而已,如下所示:

image.png

在这里,Kubernetes 为 Flannel 分配的子网范围是 10.244.0.0/16。这个参数可以在部署的时候指定,比如:

$ kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

也可以在部署完成后,通过修改 kube-controller-manager 的配置文件来指定。

这时候,假设 Infra-container-1 要访问 Infra-container-2(也就是 Pod-1 要访问 Pod-2),这个 IP 包的源地址就是 10.244.0.2,目的 IP 地址是 10.244.1.3。而此时,Infra-container-1 里的 eth0 设备,同样是以 Veth Pair 的方式连接在 Node 1 的 cni0 网桥上。所以这个 IP 包就会经过 cni0 网桥出现在宿主机上。

此时,Node 1 上的路由表,如下所示:

# 在 Node 1 上
$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
...
10.244.0.0      0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 cni0
10.244.1.0      10.244.1.0      255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
172.17.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 docker0

因为我们的 IP 包的目的 IP 地址是 10.244.1.3,所以它只能匹配到第二条规则,也就是 10.244.1.0 对应的这条路由规则。

可以看到,这条规则指定了本机的 flannel.1 设备进行处理。并且,flannel.1 在处理完后,要将 IP 包转发到的网关(Gateway),正是“隧道”另一端的 VTEP 设备,也就是 Node 2 的 flannel.1 设备。所以,接下来的流程,就跟上一篇文章中介绍过的 Flannel VXLAN 模式完全一样了。

需要注意的是,CNI 网桥只是接管所有 CNI 插件负责的、即 Kubernetes 创建的容器(Pod)。而此时,如果你用 docker run 单独启动一个容器,那么 Docker 项目还是会把这个容器连接到 docker0 网桥上。所以这个容器的 IP 地址,一定是属于 docker0 网桥的 172.17.0.0/16 网段。

Kubernetes 之所以要设置这样一个与 docker0 网桥功能几乎一样的 CNI 网桥,主要原因包括两个方面:

  • 一方面,Kubernetes 项目并没有使用 Docker 的网络模型(CNM),所以它并不希望、也不具备配置 docker0 网桥的能力;
  • 另一方面,这还与 Kubernetes 如何配置 Pod,也就是 Infra 容器的 Network Namespace 密切相关。

我们知道,Kubernetes 创建一个 Pod 的第一步,就是创建并启动一个 Infra 容器,用来“hold”住这个 Pod 的 Network Namespace。

所以,CNI 的设计思想,就是:Kubernetes 在启动 Infra 容器之后,就可以直接调用 CNI 网络插件,为这个 Infra 容器的 Network Namespace,配置符合预期的网络栈。

备注:在前面第 32 篇文章《浅谈容器网络》中,我讲解单机容器网络时,已经和你分享过,一个 Network Namespace 的网络栈包括:网卡(Network Interface)、回环设备(Loopback Device)、路由表(Routing Table)和 iptables 规则。

那么,这个网络栈的配置工作又是如何完成的呢?

为了回答这个问题,我们就需要从 CNI 插件的部署和实现方式谈起了。

我们在部署 Kubernetes 的时候,有一个步骤是安装 kubernetes-cni 包,它的目的就是在宿主机上安装CNI 插件所需的基础可执行文件

在安装完成后,你可以在宿主机的 /opt/cni/bin 目录下看到它们,如下所示:

$ ls -al /opt/cni/bin/
total 73088
-rwxr-xr-x 1 root root  3890407 Aug 17  2017 bridge
-rwxr-xr-x 1 root root  9921982 Aug 17  2017 dhcp
-rwxr-xr-x 1 root root  2814104 Aug 17  2017 flannel
-rwxr-xr-x 1 root root  2991965 Aug 17  2017 host-local
-rwxr-xr-x 1 root root  3475802 Aug 17  2017 ipvlan
-rwxr-xr-x 1 root root  3026388 Aug 17  2017 loopback
-rwxr-xr-x 1 root root  3520724 Aug 17  2017 macvlan
-rwxr-xr-x 1 root root  3470464 Aug 17  2017 portmap
-rwxr-xr-x 1 root root  3877986 Aug 17  2017 ptp
-rwxr-xr-x 1 root root  2605279 Aug 17  2017 sample
-rwxr-xr-x 1 root root  2808402 Aug 17  2017 tuning
-rwxr-xr-x 1 root root  3475750 Aug 17  2017 vlan

这些 CNI 的基础可执行文件,按照功能可以分为三类:

第一类,叫作 Main 插件,它是用来创建具体网络设备的二进制文件。比如,bridge(网桥设备)、ipvlan、loopback(lo 设备)、macvlan、ptp(Veth Pair 设备),以及 vlan。

我在前面提到过的 Flannel、Weave 等项目,都属于“网桥”类型的 CNI 插件。所以在具体的实现中,它们往往会调用 bridge 这个二进制文件。这个流程,我马上就会详细介绍到。

第二类,叫作 IPAM(IP Address Management)插件,它是负责分配 IP 地址的二进制文件。比如,dhcp,这个文件会向 DHCP 服务器发起请求;host-local,则会使用预先配置的 IP 地址段来进行分配。

第三类,是由 CNI 社区维护的内置 CNI 插件。比如:flannel,就是专门为 Flannel 项目提供的 CNI 插件;tuning,是一个通过 sysctl 调整网络设备参数的二进制文件;portmap,是一个通过 iptables 配置端口映射的二进制文件;bandwidth,是一个使用 Token Bucket Filter (TBF) 来进行限流的二进制文件。

从这些二进制文件中,我们可以看到,如果要实现一个给 Kubernetes 用的容器网络方案,其实需要做两部分工作,以 Flannel 项目为例:

首先,实现这个网络方案本身。这一部分需要编写的,其实就是 flanneld 进程里的主要逻辑。比如,创建和配置 flannel.1 设备、配置宿主机路由、配置 ARP 和 FDB 表里的信息等等。

然后,实现该网络方案对应的 CNI 插件。这一部分主要需要做的,就是配置 Infra 容器里面的网络栈,并把它连接在 CNI 网桥上。

由于 Flannel 项目对应的 CNI 插件已经被内置了,所以它无需再单独安装。而对于 Weave、Calico 等其他项目来说,我们就必须在安装插件的时候,把对应的 CNI 插件的可执行文件放在 /opt/cni/bin/ 目录下。

实际上,对于 Weave、Calico 这样的网络方案来说,它们的 DaemonSet 只需要挂载宿主机的 /opt/cni/bin/,就可以实现插件可执行文件的安装了。你可以想一下具体应该怎么做,就当当作一个课后小问题留给你去实践了。

接下来,你就需要在宿主机上安装 flanneld(网络方案本身)。而在这个过程中,flanneld 启动后会在每台宿主机上生成它对应的CNI 配置文件(它其实是一个 ConfigMap),从而告诉 Kubernetes,这个集群要使用 Flannel 作为容器网络方案。

这个 CNI 配置文件的内容如下所示:

$ cat /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist 
{
  "name": "cbr0",
  "plugins": [
    {
      "type": "flannel",
      "delegate": {
        "hairpinMode": true,
        "isDefaultGateway": true
      }
    },
    {
      "type": "portmap",
      "capabilities": {
        "portMappings": true
      }
    }
  ]
}

需要注意的是,在 Kubernetes 中,处理容器网络相关的逻辑并不会在 kubelet 主干代码里执行,而是会在具体的 CRI(Container Runtime Interface,容器运行时接口)实现里完成。对于 Docker 项目来说,它的 CRI 实现叫作 dockershim,你可以在 kubelet 的代码里找到它。

所以,接下来 dockershim 会加载上述的 CNI 配置文件。

需要注意,Kubernetes 目前不支持多个 CNI 插件混用。如果你在 CNI 配置目录(/etc/cni/net.d)里放置了多个 CNI 配置文件的话,dockershim 只会加载按字母顺序排序的第一个插件。

但另一方面,CNI 允许你在一个 CNI 配置文件里,通过 plugins 字段,定义多个插件进行协作。

比如,在我们上面这个例子里,Flannel 项目就指定了 flannel 和 portmap 这两个插件。

这时候,dockershim 会把这个 CNI 配置文件加载起来,并且把列表里的第一个插件、也就是 flannel 插件,设置为默认插件。而在后面的执行过程中,flannel 和 portmap 插件会按照定义顺序被调用,从而依次完成“配置容器网络”和“配置端口映射”这两步操作。

接下来,我就来为你讲解一下这样一个 CNI 插件的工作原理。

当 kubelet 组件需要创建 Pod 的时候,它第一个创建的一定是 Infra 容器。所以在这一步,dockershim 就会先调用 Docker API 创建并启动 Infra 容器,紧接着执行一个叫作 SetUpPod 的方法。这个方法的作用就是:为 CNI 插件准备参数,然后调用 CNI 插件为 Infra 容器配置网络。

这里要调用的 CNI 插件,就是 /opt/cni/bin/flannel;而调用它所需要的参数,分为两部分。

第一部分,是由 dockershim 设置的一组 CNI 环境变量。

其中,最重要的环境变量参数叫作:CNI_COMMAND。它的取值只有两种:ADD 和 DEL。

这个 ADD 和 DEL 操作,就是 CNI 插件唯一需要实现的两个方法。

其中 ADD 操作的含义是:把容器添加到 CNI 网络里;DEL 操作的含义则是:把容器从 CNI 网络里移除掉。

而对于网桥类型的 CNI 插件来说,这两个操作意味着把容器以 Veth Pair 的方式“插”到 CNI 网桥上,或者从网桥上“拔”掉。

接下来,我以 ADD 操作为重点进行讲解。

CNI 的 ADD 操作需要的参数包括:容器里网卡的名字 eth0(CNI_IFNAME)、Pod 的 Network Namespace 文件的路径(CNI_NETNS)、容器的 ID(CNI_CONTAINERID)等。这些参数都属于上述环境变量里的内容。其中,Pod(Infra 容器)的 Network Namespace 文件的路径,我在前面讲解容器基础的时候提到过,即:/proc/< 容器进程的 PID>/ns/net。

除此之外,在 CNI 环境变量里,还有一个叫作 CNI_ARGS 的参数。通过这个参数,CRI 实现(比如 dockershim)就可以以 Key-Value 的格式,传递自定义信息给网络插件。这是用户将来自定义 CNI 协议的一个重要方法。

第二部分,则是 dockershim 从 CNI 配置文件里加载到的、默认插件的配置信息。

这个配置信息在 CNI 中被叫作 Network Configuration,它的完整定义你可以参考这个文档。dockershim 会把 Network Configuration 以 JSON 数据的格式,通过标准输入(stdin)的方式传递给 Flannel CNI 插件。

而有了这两部分参数,Flannel CNI 插件实现 ADD 操作的过程就非常简单了。

不过,需要注意的是,Flannel 的 CNI 配置文件( /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist)里有这么一个字段,叫作 delegate:

...
     "delegate": {
        "hairpinMode": true,
        "isDefaultGateway": true
      }

Delegate 字段的意思是,这个 CNI 插件并不会自己做事儿,而是会调用 Delegate 指定的某种 CNI 内置插件来完成。对于 Flannel 来说,它调用的 Delegate 插件,就是前面介绍到的 CNI bridge 插件。

所以说,dockershim 对 Flannel CNI 插件的调用,其实就是走了个过场。Flannel CNI 插件唯一需要做的,就是对 dockershim 传来的 Network Configuration 进行补充。比如,将 Delegate 的 Type 字段设置为 bridge,将 Delegate 的 IPAM 字段设置为 host-local 等。

经过 Flannel CNI 插件补充后的、完整的 Delegate 字段如下所示:

{
    "hairpinMode":true,
    "ipMasq":false,
    "ipam":{
        "routes":[
            {
                "dst":"10.244.0.0/16"
            }
        ],
        "subnet":"10.244.1.0/24",
        "type":"host-local"
    },
    "isDefaultGateway":true,
    "isGateway":true,
    "mtu":1410,
    "name":"cbr0",
    "type":"bridge"
}

其中,ipam 字段里的信息,比如 10.244.1.0/24,读取自 Flannel 在宿主机上生成的 Flannel 配置文件,即:宿主机上的 /run/flannel/subnet.env 文件。

接下来,Flannel CNI 插件就会调用 CNI bridge 插件,也就是执行:/opt/cni/bin/bridge 二进制文件。

这一次,调用 CNI bridge 插件需要的两部分参数的第一部分、也就是 CNI 环境变量,并没有变化。所以,它里面的 CNI_COMMAND 参数的值还是“ADD”。

而第二部分 Network Configration,正是上面补充好的 Delegate 字段。Flannel CNI 插件会把 Delegate 字段的内容以标准输入(stdin)的方式传递给 CNI bridge 插件。

此外,Flannel CNI 插件还会把 Delegate 字段以 JSON 文件的方式,保存在 /var/lib/cni/flannel 目录下。这是为了给后面删除容器调用 DEL 操作时使用的。

有了这两部分参数,接下来 CNI bridge 插件就可以“代表”Flannel,进行“将容器加入到 CNI 网络里”这一步操作了。而这一部分内容,与容器 Network Namespace 密切相关,所以我要为你详细讲解一下。

首先,CNI bridge 插件会在宿主机上检查 CNI 网桥是否存在。如果没有的话,那就创建它。这相当于在宿主机上执行:

# 在宿主机上
$ ip link add cni0 type bridge
$ ip link set cni0 up

接下来,CNI bridge 插件会通过 Infra 容器的 Network Namespace 文件,进入到这个 Network Namespace 里面,然后创建一对 Veth Pair 设备。

紧接着,它会把这个 Veth Pair 的其中一端,“移动”到宿主机上。这相当于在容器里执行如下所示的命令:

# 在容器里

# 创建一对 Veth Pair 设备。其中一个叫作 eth0,另一个叫作 vethb4963f3
$ ip link add eth0 type veth peer name vethb4963f3

# 启动 eth0 设备
$ ip link set eth0 up 

# 将 Veth Pair 设备的另一端(也就是 vethb4963f3 设备)放到宿主机(也就是 Host Namespace)里
$ ip link set vethb4963f3 netns $HOST_NS

# 通过 Host Namespace,启动宿主机上的 vethb4963f3 设备
$ ip netns exec $HOST_NS ip link set vethb4963f3 up 

这样,vethb4963f3 就出现在了宿主机上,而且这个 Veth Pair 设备的另一端,就是容器里面的 eth0。

当然,你可能已经想到,上述创建 Veth Pair 设备的操作,其实也可以先在宿主机上执行,然后再把该设备的一端放到容器的 Network Namespace 里,这个原理是一样的。

不过,CNI 插件之所以要“反着”来,是因为 CNI 里对 Namespace 操作函数的设计就是如此,如下所示:

err := containerNS.Do(func(hostNS ns.NetNS) error {
  ...
  return nil
})

这个设计其实很容易理解。在编程时,容器的 Namespace 是可以直接通过 Namespace 文件拿到的;而 Host Namespace,则是一个隐含在上下文的参数。所以,像上面这样,先通过容器 Namespace 进入容器里面,然后再反向操作 Host Namespace,对于编程来说要更加方便。

接下来,CNI bridge 插件就可以把 vethb4963f3 设备连接在 CNI 网桥上。这相当于在宿主机上执行:

# 在宿主机上
$ ip link set vethb4963f3 master cni0

在将 vethb4963f3 设备连接在 CNI 网桥之后,CNI bridge 插件还会为它设置Hairpin Mode(发夹模式)。这是因为,在默认情况下,网桥设备是不允许一个数据包从一个端口进来后,再从这个端口发出去的。但是,它允许你为这个端口开启 Hairpin Mode,从而取消这个限制。

这个特性,主要用在容器需要通过NAT(即:端口映射)的方式,“自己访问自己”的场景下。

举个例子,比如我们执行 docker run -p 8080:80,就是在宿主机上通过 iptables 设置了一条DNAT(目的地址转换)转发规则。这条规则的作用是,当宿主机上的进程访问“< 宿主机的 IP 地址 >:8080”时,iptables 会把该请求直接转发到“< 容器的 IP 地址 >:80”上。也就是说,这个请求最终会经过 docker0 网桥进入容器里面。

但如果你是在容器里面访问宿主机的 8080 端口,那么这个容器里发出的 IP 包会经过 vethb4963f3 设备(端口)和 docker0 网桥,来到宿主机上。此时,根据上述 DNAT 规则,这个 IP 包又需要回到 docker0 网桥,并且还是通过 vethb4963f3 端口进入到容器里。所以,这种情况下,我们就需要开启 vethb4963f3 端口的 Hairpin Mode 了。

所以说,Flannel 插件要在 CNI 配置文件里声明 hairpinMode=true。这样,将来这个集群里的 Pod 才可以通过它自己的 Service 访问到自己。

接下来,CNI bridge 插件会调用 CNI ipam 插件,从 ipam.subnet 字段规定的网段里为容器分配一个可用的 IP 地址。然后,CNI bridge 插件就会把这个 IP 地址添加在容器的 eth0 网卡上,同时为容器设置默认路由。这相当于在容器里执行:

# 在容器里
$ ip addr add 10.244.0.2/24 dev eth0
$ ip route add default via 10.244.0.1 dev eth0

最后,CNI bridge 插件会为 CNI 网桥添加 IP 地址。这相当于在宿主机上执行:

# 在宿主机上
$ ip addr add 10.244.0.1/24 dev cni0

在执行完上述操作之后,CNI 插件会把容器的 IP 地址等信息返回给 dockershim,然后被 kubelet 添加到 Pod 的 Status 字段。

至此,CNI 插件的 ADD 方法就宣告结束了。接下来的流程,就跟我们上一篇文章中容器跨主机通信的过程完全一致了。

需要注意的是,对于非网桥类型的 CNI 插件,上述“将容器添加到 CNI 网络”的操作流程,以及网络方案本身的工作原理,就都不太一样了。我将会在后续文章中,继续为你分析这部分内容。

总结

在本篇文章中,我为你详细讲解了 Kubernetes 中 CNI 网络的实现原理。根据这个原理,你其实就很容易理解所谓的“Kubernetes 网络模型”了:

  1. 所有容器都可以直接使用 IP 地址与其他容器通信,而无需使用 NAT。

  2. 所有宿主机都可以直接使用 IP 地址与所有容器通信,而无需使用 NAT。反之亦然。

  3. 容器自己“看到”的自己的 IP 地址,和别人(宿主机或者容器)看到的地址是完全一样的。

可以看到,这个网络模型,其实可以用一个字总结,那就是“通”。

容器与容器之间要“通”,容器与宿主机之间也要“通”。并且,Kubernetes 要求这个“通”,还必须是直接基于容器和宿主机的 IP 地址来进行的。

当然,考虑到不同用户之间的隔离性,在很多场合下,我们还要求容器之间的网络“不通”。这个问题,我会在后面的文章中会为你解决。


标题:Kubernates | 网络模型与CNI网络插件
作者:jianzh5
地址:http://javadaily.cn/articles/2020/01/14/1578962582148.html


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