kubernetes網路模型

Overview

本文將探討Kubernetes中的網路模型，以及對各種網路模型進行分析，

Underlay Network Model

什么是Underlay Network

底層網路 Underlay Network 顧名思義是指網路設備基礎設施，如交換機，路由器, DWDM 使用網路介質將其鏈接成的物理網路拓撲，負責網路之間的資料包傳輸，

underlay network 可以是二層，也可以是三層；二層 underlay network 的典型例子是以太網 Ethernet，三層是 underlay network 的典型例子是互聯網 Internet，

而作業與二層的技術是 vlan，作業在三層的技術是由 OSPF, BGP 等協議組成

kubernetes中的underlay network

在kubernetes中，underlay network 中比較典型的例子是通過將宿主機作為路由器設備而，Pod 的網路則通過學習成路由條目從而實作跨節點通訊，

這種模型下典型的有 flannel 的 host-gw 模式與 calico BGP 模式，

flannel host-gw ^[1]

flannel host-gw 模式中每個Node需要在同一個二層網路中，并將Node作為一個路由器，跨節點通訊將通過路由表方式進行，這樣方式下將網路模擬成一個underlay network，

Notes：因為是通過路由方式，集群的cidr至少要配置16，因為這樣可以保證，跨節點的Node作為一層網路，同節點的Pod作為一個網路，如果不是這種用情況，路由表處于相同的網路中，會存在網路不可達

Calico BGP ^[2]

BGP（Border Gateway Protocol）是去中心化自治路由協議，它是通過維護IP路由表或'前綴'表來實作AS （Autonomous System）之間的可訪問性，屬于向量路由協議，

與 flannel 不同的是，Calico 提供了的 BGP 網路解決方案，在網路模型上，Calico 與 Flannel host-gw 是近似的，但在軟體架構的實作上，flannel 使用 flanneld 行程來維護路由資訊；而 Calico 是包含多個守護行程的，其中 Brid 行程是一個 BGP 的客戶端 與路由反射器(Router Reflector)，BGP 客戶端負責從 Felix 中獲取路由并分發到其他 BGP Peer，而反射器在BGP中起了優化的作用，在同一個IBGP中，BGP客戶端僅需要和一個 RR 相連，這樣減少了AS內部維護的大量的BGP連接，通常情況下，RR 是真實的路由設備，而 Bird 作為 BGP 客戶端作業，

IPVLAN & MACVLAN ^[4]

IPVLAN 和 MACVLAN 是一種網卡虛擬化技術，兩者之間的區別為， IPVLAN 允許一個物理網卡擁有多個IP地址，并且所有的虛擬介面用同一個MAC地址；而 MACVLAN 則是相反的，其允許同一個網卡擁有多個MAC地址，而虛擬出的網卡可以沒有IP地址，

因為是網卡虛擬化技術，而不是網路虛擬化技術，本質上來說屬于 Overlay network，這種方式在虛擬化環境中與Overlay network 相比最大的特點就是可以將Pod的網路拉平到Node網路同級，從而提供更高的性能、低延遲的網路介面，本質上來說其網路模型屬于下圖中第二個，

• 虛擬網橋：創建一個虛擬網卡對(veth pair)，一頭栽容器內，一頭栽宿主機的root namespaces內，這樣一來容器內發出的資料包可以通過網橋直接進入宿主機網路堆疊，而發往容器的資料包也可以經過網橋進入容器，
• 多路復用：使用一個中間網路設備，暴露多個虛擬網卡介面，容器網卡都可以介入這個中間設備，并通過MAC/IP地址來區分packet應該發往哪個容器設備，
• 硬體交換，為每個Pod分配一個虛擬網卡，這樣一來，Pod與Pod之間的連接關系就會變得非常清晰，因為近乎物理機之間的通信基礎，如今大多數網卡都支持SR-IOV功能，該功能將單一的物理網卡虛擬成多個VF介面，每個VF介面都有單獨的虛擬PCIe通道，這些虛擬的PCIe通道共用物理網卡的PCIe通道，

在kubernetes中 IPVLAN 這種網路模型下典型的CNI有，multus 與 danm，

multus

multus 是 intel 開源的CNI方案，是由傳統的 cni 與 multus，并且提供了 SR-IOV CNI 插件使 K8s pod 能夠連接到 SR-IOV VF ，這是使用了 IPVLAN/MACVLAN 的功能，

當創建新的Pod后，SR-IOV 插件開始作業，配置 VF 將被移動到新的 CNI 名稱空間，該插件根據 CNI 組態檔中的 “name” 選項設定介面名稱，最后將VF狀態設定為UP，

下圖是一個 Multus 和 SR-IOV CNI 插件的網路環境，具有三個介面的 pod，

• eth0 是 flannel 網路插件，也是作為Pod的默認網路
• VF 是主機的物理埠 ens2f0 的實體化，這是英特爾X710-DA4上的一個埠， 在Pod端的 VF 介面名稱為 south0 ，
• 這個VF使用了 DPDK 驅動程式，此 VF 是從主機的物理埠 ens2f1 實體化出的，這個是英特爾? X710-DA4上另外一個埠， Pod 內的 VF 介面名稱為 north0，該介面系結到 DPDK 驅動程式 vfio-pci ，

Notes：terminology

• NIC：network interface card，網卡
• SR-IOV：single root I/O virtualization，硬體實作的功能，允許各虛擬機間共享PCIe設備，
• VF：Virtual Function，基于PF，與PF或者其他VF共享一個物理資源，
• PF：PCIe Physical Function，擁有完全控制PCIe資源的能力
• DPDK：Data Plane Development Kit

于此同時，也可以將主機介面直接移動到Pod的網路名稱空間，當然這個介面是必須存在，并且不能是與默認網路使用同一個介面，這種情況下，在普通網卡的環境中，就直接將Pod網路與Node網路處于同一個平面內了，

danm

DANM是諾基亞開源的CNI專案，目的是將電信級網路引入kubernetes中，與multus相同的是，也提供了SR-IOV/DPDK 的硬體技術，并且支持IPVLAN.

Overlay Network Model

什么是Overlay

疊加網路是使用網路虛擬化技術，在 underlay 網路上構建出的虛擬邏輯網路，而無需對物理網路架構進行更改，本質上來說，overlay network 使用的是一種或多種隧道協議 (tunneling)，通過將資料包封裝，實作一個網路到另一個網路中的傳輸，具體來說隧道協議關注的是資料包（幀），

常見的網路隧道技術

• 通用路由封裝 ( Generic Routing Encapsulation ) 用于將來自 IPv4/IPv6的資料包封裝為另一個協議的資料包中，通常作業與L3網路層中，
• VxLAN (Virtual Extensible LAN)，是一個簡單的隧道協議，本質上是將L2的以太網幀封裝為L4中UDP資料包的方法，使用 4789 作為默認埠，VxLAN 也是 VLAN 的擴展對于 4096（\(2^{12}\) 位 VLAN ID） 擴展為1600萬（\(2^{24}\) 位 VNID ）個邏輯網路，

這種作業在 overlay 模型下典型的有 flannel 與 calico 中的的 VxLAN, IPIP 模式，

IPIP

IP in IP 也是一種隧道協議，與 VxLAN 類似的是，IPIP 的實作也是通過Linux內核功能進行的封裝，IPIP 需要內核模塊 ipip.ko 使用命令查看內核是否加載IPIP模塊lsmod | grep ipip ；使用命令modprobe ipip 加載，

Kubernetes中 IPIP 與 VxLAN 類似，也是通過網路隧道技術實作的，與 VxLAN 差別就是，VxLAN 本質上是一個 UDP包，而 IPIP 則是將包封裝在本身的報文包上，

Notes：公有云可能不允許IPIP流量，例如Azure

VxLAN

kubernetes中不管是 flannel 還是 calico VxLAN的實作都是使用Linux內核功能進行的封裝，Linux 對 vxlan 協議的支持時間并不久，2012 年 Stephen Hemminger 才把相關的作業合并到 kernel 中，并最終出現在 kernel 3.7.0 版本，為了穩定性和很多的功能，你可以會看到某些軟體推薦在 3.9.0 或者 3.10.0 以后版本的 kernel 上使用 VxLAN，

在kubernetes中vxlan網路，例如 flannel，守護行程會根據kubernetes的Node而維護 VxLAN，名稱為 flannel.1 這是 VNID，并維護這個網路的路由，當發生跨節點的流量時，本地會維護對端 VxLAN 設備的MAC地址，通過這個地址可以知道發送的目的端，這樣就可以封包發送到對端，收到包的對端 VxLAN設備 flannel.1 解包后得到真實的目的地址，

查看 Forwarding database 串列

$ bridge fdb 
26:5e:87:90:91:fc dev flannel.1 dst 10.0.0.3 self permanent

Notes：VxLAN使用的4789埠，wireshark應該是根據埠進行分析協議的，而flannel在linux中默認埠是8472，此時抓包僅能看到是一個UDP包，

通過上述的架構可以看出，隧道實際上是一個抽象的概念，并不是建立的真實的兩端的隧道，而是通過將資料包封裝成另一個資料包，通過物理設備傳輸后，經由相同的設備（網路隧道）進行解包實作網路的疊加，

weave vxlan ^[3]

weave也是使用了 VxLAN 技術完成的包的封裝，這個技術在 weave 中稱之為 fastdp (fast data path)，與 calico 和 flannel 中用到的技術不同的，這里使用的是 Linux 內核中的 openvswitch datapath module，并且weave對網路流量進行了加密，

Notes：fastdp作業在Linux 內核版本 3.12 及更高版本，如果低于此版本的例如CentOS7，weave將作業在用戶空間，weave中稱之為 sleeve mode

Reference

^[1] flannel host-gw

^[2] calico bgp networking

^[3] calico bgp networking

^[4] sriov network

^[5] danm

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