带你玩转kubernetes-k8s（第46篇：深入分析k8s网络原理[CNM、CNI]网络模型）

      随着容器技术在企业生产系统中的逐步落地，用户对容器云的网络特性要求也越来越高。跨主机容器间的网络互通已经成为基本要求，更高的要求包括容器固定IP地址、一个容器多个IP地址、多个子网隔离、ACL控制策略、与SDN集成等。目前主流的容器网络模型主要有Docker公司提出的Container Network Model（CNM）模型和CoreOS公司提出的Container Network Interface（CNI）模型。

1.CNM模型

    CNM模型是由Docker公司提出的容器网络模型，现在已经被Cisco Contiv、Kuryr、Open Virtual Networking（OVN）、Project Calico、 VMware、Weave和Plumgrid等项目采纳。另外，Weave、Project Calico、Kuryr和Plumgrid等项目也为CNM提供了网络插件的具体实现。

    CNM模型主要通过Network Sandbox、Endpoint和Network这3个组件进行实现，

 

◎　Network Sandbox：容器内部的网络栈，包括网络接口、路由表、DNS等配置的管理。Sandbox可用Linux网络命名空间、FreeBSD Jail等机制进行实现。一个Sandbox可以包含多个Endpoint。
◎　Endpoint：用于将容器内的Sandbox与外部网络相连的网络接口。可以使用veth对、Open vSwitch的内部port等技术进行实现。一个Endpoint仅能够加入一个Network。
◎　Network：可以直接互连的Endpoint的集合。可以通过Linux网桥、VLAN等技术进行实现。一个Network包含多个Endpoint。

2.CNI模型

   CNI是由CoreOs公司公司提出的另一种容器网络规范，现在已经被Kubernetes、rkt、Apache Mesos、Cloud Foundry和Kurma等项目采纳。另外，Contiv Networking, Project Calico、Weave、SR-IOV、Cilium、Infoblox、Multus、Romana、Plumgrid和Midokura等项目也为CNI提供网络插件的具体实现。下图描述了容器运行环境与各种网络插件通过CNI进行连接的模型。

      CNI定义的是容器运行环境与网络插件之间的简单接口规范，通过一个JSON Schema定义CNI插件提供的输入和输出参数。一个容器可以通过绑定多个网络插件加入多个网络中。

CNI规范概述

        CNI提供了一种应用容器的插件化网络解决方案，定义对容器网络进行操作和配置的规范，通过插件的形式对CNI接口进行实现。CNI是由rkt Networking Proposal发展而来的，试图提供一种普适的容器网络解决方案。CNI仅关注在创建容器时分配网络资源，和在销毁容器时删除网络资源，这使得CNI规范非常轻巧、易于实现，得到了广泛的支持。

      在CNI模型中只涉及两个概念： 容器和网络。

◎　容器（Container）：是拥有独立Linux网络命名空间的环境，例如使用Docker或rkt创建的容器。关键之处是容器需要拥有自己的Linux网络命名空间，这是加入网络的必要条件。
◎　网络（Network）：表示可以互连的一组实体，这些实体拥有各自独立、唯一的IP地址，可以是容器、物理机或者其他网络设备（比如路由器）等。

      对容器网络的设置和操作都通过插件（Plugin）进行具体实现，CNI插件包括两种类型：CNI Plugin和IPAM（IP Address Management）Plugin。CNI Plugin负责为容器配置网络资源，IPAM Plugin负责对容器的IP地址进行分配和管理。IPAM Plugin作为CNI Plugin的一部分，与CNI Plugin一起工作。

CNI Plugin插件详解

    CNI Plugin包括3个基本接口的定义：添加（ADD）、删除（DELETE）、检查（CHECK）和版本查询（VERSION）。这些接口的具体实现要求插件提供一个可执行的程序，在容器网络添加或删除时进行调用，以完成具体的操作。

  （1）添加：将容器添加到某个网络。主要过程为在Container Runtime创建容器时，先创建好容器内的网络命名空间（Network Namespace），然后调用CNI插件为该netns进行网络配置，最后启动容器内的进程。

添加接口的参数如下：
◎　Version：CNI版本号。
◎　ContainerID： 容器ID。
◎　Network namespace path：容器的网络命名空间路径，例如/proc/[pid]/ns/net。
◎　Network configuration：网络配置JSON文档，用于描述容器待加入的网络。
◎　Extra arguments：其他参数，提供基于容器的CNI插件简单配置机制。
◎　Name of the interface inside the container：容器内的网卡名。

返回的信息如下。

◎ Interfaces list：网卡列表，根据Plugin的实现，可能包括Sandbox Interface名称、主机Interface名称、每个Interface的地址等信息。
◎　IPs assigned to the interface：IPv4或者IPv6地址、网关地址、路由信息等。
◎　DNS information：DNS相关的信息。

（2）删除：容器销毁时将容器从某个网络中删除。

删除接口的参数如下：

◎　Version：CNI版本号。
◎　ContainerID： 容器ID。
◎　Network namespace path：容器的网络命名空间路径，例如/proc/[pid]/ns/net。
◎　Network configuration：网络配置JSON文档，用于描述容器待加入的网络。
◎　Extra arguments：其他参数，提供基于容器的CNI插件简单配置机制。
◎　Name of the interface inside the container：容器内的网卡名。

（3）检查：检查容器网络是否正确设置。
检查接口的参数如下：

◎　ContainerID： 容器ID。
◎　Network namespace path：容器的网络命名空间路径，例如/proc/[pid]/ns/net。
◎　Network configuration：网络配置JSON文档，用于描述容器待加入的网络。
◎　Extra arguments：其他参数，提供基于容器的CNI插件简单配置机制。
◎　Name of the interface inside the container：容器内的网卡名。

（4）版本查询：查询网络插件支持的CNI规范版本号。
无参数，返回值为网络插件支持的CNI规范版本号。

      CNI插件应能够支持通过环境变量和标准输入传入参数。可执行文件通过网络配置参数中的type字段标识的文件名在环境变量CNI_PATH设定的路径下进行查找。一旦找到，容器运行时将调用该可执行程序，并传入以下环境变量和网络配置参数，供该插件完成容器网络资源和参数的设置。

环境变量参数如下：

◎　CNI_COMMAND：接口方法，包括ADD、DEL和VERSION。
◎　CNI_CONTAINERID：容器ID。
◎　CNI_NETNS：容器的网络命名空间路径，例如/proc/[pid]/ns/net。
◎　CNI_IFNAME：待设置的网络接口名称。
◎　CNI_ARGS：其他参数，为key=value格式，多个参数之间用分号分隔，例如"FOO=BAR; ABC=123"。
◎　CNI_PATH：可执行文件的查找路径，可以设置多个。

网络配置参数则由一个JSON报文组成，以标准输入（stdin）的方式传递给可执行程序。
网络配置参数如下：

◎　name(string): 网络名称，应在一个管理域内唯一。
◎　type（string）：CNI插件的可执行文件的名称。
◎　args（dictionary）：其他参数。
◎　ipMasq（boolean）：是否设置IP Masquerade（需插件支持），适用于主机可作为网关的环境中。
◎　ipam：IP地址管理的相关配置。
- type（string）：IPAM可执行的文件名。
◎　dns：DNS服务的相关配置。

nameservers（list of strings）：名字服务器列表，可以使用IPv4或IPv6地址。
- domain（string）：本地域名，用于短主机名查询。
- search（list of strings）：按优先级排序的域名查询列表。
- options（list of strings）：传递给resolver的选项列表。

下面的例子定义了一个名为dbnet的网络配置参数，IPAM使用host-local进行设置：

｛
   "cniVersion": "0.4.0",
   "name": "dbnet",
   "type": "bridge",
   "bridge": "cni0",
   "ipam": {
    "type": "host-local",
    "subnet": "10.1.0.0/16",
    "gateway": "10.1.0.1"
    }, 
    "dns": {
       "nameservers": ["10.1.0.1"]
     }

｝

3.IPAM Plugin插件详解

      为了减轻CNI Plugin对IP地址管理的负担，在CNI规范中设置了一个新的插件专门用于管理容器的IP地址（还包括网关、路由等信息），被称为IPAM Plugin。通常由CNI Plugin在运行时自动调用IPAM Plugin完成容器IP地址的分配。

     IPAM Plugin负责为容器分配IP地址、网关、路由和DNS，典型的实现包括host-local和dhcp。与CNI Plugin类似，IPAM插件也通过可执行程序完成IP地址分配的具体操作。IPAM可执行程序也处理传递给CNI插件的环境变量和标准输入（stdin）传入的网络配置参数。

     如果成功完成了容器IP地址的分配，则IPAM插件应该通过标准输出（stdout）返回以下JSON报文：

    

｛
    "cniVersion": "0.4.0",
    "ips":[
          {

                   "version": "<4-or-6>",
                    "address": "",
                    "gateway": "" (optional)
           },
           ..........
      ],
      "routes":[
       {
          "dst": "",
           "gw": ""
        },
       ........
      ]

      "dns":{
       "nameservers":  (optional)
       "domain":   (optional)
       "search":   (optional)
     }
｝

 

其中包括ips、routes和dns三段内容。

◎   ips段：分配给容器的IP地址（也可能包括网关）。
◎　routes段：路由规则记录。
◎　dns段：DNS相关的信息。

4.多网络插件

   在很多情况下，一个容器需要连接多个网络，CNI规范支持为一个容器运行多个CNI Plugin来实现这个目标。多个网络插件将按照网络配置列表中的顺序执行，并将前一个网络配置的执行结果传递给后面的网络配置。多网络配置用JSON报文进行配置，包括如下信息。

◎　cniVersion（string）：CNI版本号。
◎　name（string）：网络名称，应在一个管理域内唯一，将用于下面的所有Plugin。
◎　plugins（list）：网络配置列表。

下面的例子定义了两个网络配置参数，分别作用于两个插件，第1个为bridge，第2个为tuning。CNI将首先执行第1个bridge插件设置容器的网络，然后执行第2个tuning插件：

{
  "cniVersion": "0.4.1",
  "name": "dbnet",
  "plugins": [
    {
      "type": "bridge",
      // type (plugin) specific
      "bridge": "cni0",
      // args may be ignored by plugins
      "args": {
        "labels": {
          "appVersion": "1.0"
        }
      },
      "ipam": {
        "type": "host-local",
        // ipam specific
        "subnet": "10.1.0.0/16",
        "gateway": "10.1.0.1"
      },
      "dns": {
        "nameserver": [ "10.1.0.1" ]
      }
    },
    {
      "type": "tuning",
      "sysctl": {
        "net.core.somaxconn": "500"
      }
    }
  ]
}

在容器运行且执行第1个bridge插件时，网络配置参数将被设置为：

{
  "cniVersion": "0.4.1",
  "name": "dbnet",
  "type": "bridge",
  "bridge": "cni0",
  "args": {
    "labels": {
      "appVersion": "1.0"
    }
  },
  "ipam": {
    "type": "host-local",
    "subnet": "10.1.0.0/16",
    "gateway": "10.1.0.1"
  },
  "dns": {
    "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
  }
}

接下来执行第2个tuning插件，网络配置参数将被设置为：

{
  "cniVersion": "0.4.1",
  "name": "dbnet",
  "type": "tuning",
  "sysctl": {
    "net.core.somaxconn": "500"
  },
  "prevResult": {
    "ips": [
       {
         "version": "4",
         "address": "10.0.0.5/32"
         "interface": 2
       }   
    ] ,
    "interfaces": [
      {"name": "cni0","mac": :"xxxx",},
      {"name": "veth3243","nac":"xxxx",},
      {"name": "eth0","mac":"xxxx","sandbox":"/var/ryb/netns/blue",}
   ],
    "dbs":{
      "baneservers": ["10.1.0.1"]  
   }
    
  }
}

     其中，prevResult字段包含的信息为上一个bridge插件执行的结果。

     在删除多个CNI Plugin时，则以逆序执行删除操作，以上例为例，将先删除tuning插件的网络配置，其中prevResult字段包含的信息为新增操作（ADD）时补充的信息：

{
  "cniVersion": "0.4.0",
  "name": "dbnet",
  "type": "tuning",
  "sysctl": {
    "net.core.somaxconn": "500"
  },
  "prevResult":{
     "ips":[
     
        "version": "4",
        "address": "10.0.0.5/32"
        "interface": 2
 
     ],
    "interfaces": [
      {"name": "cni0","mac": :"xxxx",},
      {"name": "veth3243","nac":"xxxx",},
      {"name": "eth0","mac":"xxxx","sandbox":"/var/ryb/netns/blue",}
   ],
    "dbs":{
      "baneservers": ["10.1.0.1"]  
   }
   }
}

然后删除bridge插件的网络配置，其中prevResult字段包含的信息也是在新增操作（ADD）时补充的信息：

{
  "cniVersion": "0.4.1",
  "name": "dbnet",
  "type": "bridge",
  "vridge": "cni0"
      "agrs" :{

         "appVersion": "1.0"
      },
      "ipam": {
        "type": "host-local",
        // ipam specific
        "subnet": "10.1.0.0/16",
        "gateway": "10.1.0.1"
      },
      "dns": {
        "nameserver": [ "10.1.0.1" ]
      
       },
    "prevResult":{
     "ips":[
     
        "version": "4",
        "address": "10.0.0.5/32"
        "interface": 2
 
     ],
    "interfaces": [
      {"name": "cni0","mac": :"xxxx",},
      {"name": "veth3243","nac":"xxxx",},
      {"name": "eth0","mac":"xxxx","sandbox":"/var/ryb/netns/blue",}
   ],
    "dbs":{
      "baneservers": ["10.1.0.1"]  
   }
  ]
}

命令返回信息说明

     对于ADD或DELETE操作，返回码为0表示执行成功，非0表示失败，并以JSON报文的格式通过标准输出（stdout）返回操作的结果。
     以ADD操作为例，成功将容器添加到网络的结果将返回以下JSON报文。其中ips、routes和dns段的信息应该与IPAM Plugin（IPAM Plugin的说明详见下节）返回的结果相同，重要的是interfaces段，应通过CNI Plugin进行设置并返回。

{
  "cniVersion": "0.4.0",
  "interfaces": [     (this key omitted by IPAM plugins)
    {
      "name": "",
      "mac": "",     (required if L2 addresses are meaningfull)
      "sandbox": ""     (required for container/hypervisor interfaces, empty/omitted for host interfaces)
    }
  ],
  "ips": [
    {
      "version": "<4-or-6>",
      "address": "",
      "gateway": ""  (optional)
      "interface": 
    },
    ...
  ],
  "routes": [    (optional)
    {
      "dst": "",
      "gw": ""   (optional)
    },
    ...
  ],
  "dns": {
      "nameservers": "",  (optional)
      "domain": "",  (optional)
      "search": ""  (optional)
      "options": ""  (optional)
    }
}

 

 

  接口调用失败时，返回码不为0，应通过标准输出返回包含错误信息的如下JSON报文：

  

{
  "cniVersion": "0.4.0",
  "code": ,
  "msg": ,
  "details":      (optional)
}

错误码包括如下内容。
◎　CNI版本不匹配。
◎　在网络配置中存在不支持的字段，详细信息应在msg中说明。

 

 

小结：

 本章内容大家作文了解即可。

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