Kubernetes(8)---k8s网络通信

一、k8s网络通信简介

k8s通过CNI接口接入其他插件来实现网络通讯。目前比较流行的插件有flannel，calico等。CNI插件存放位置：# cat /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist

插件使用的解决方案如下：

• 虚拟网桥，虚拟网卡，多个容器共用一个虚拟网卡进行通信。
• 多路复用：MacVLAN，多个容器共用一个物理网卡进行通信。
• 硬件交换：SR-LOV，一个物理网卡可以虚拟出多个接口，这个性能最好。

• 容器间通信：同一个pod内的多个容器间的通信，通过lo即可实现；
• pod之间的通信： 同一节点的pod之间通过cni网桥转发数据包。 不同节点的pod之间的通信需要网络插件支持。
• pod和service通信:
  通过iptables或ipvs实现通信，ipvs取代不了iptables，因为ipvs只能做负载均衡，而做不了nat转换。
• pod和外网通信：iptables的MASQUERADE。
• Service与集群外部客户端的通信；（ingress、nodeport、loadbalancer）

二、flannel网络

2.1、flannel网络简介

Flannel是CoreOS团队针对Kubernetes设计的一个网络规划服务，简单来说，它的功能是让集群中的不同节点主机创建的Docker容器都具有全集群唯一的虚拟IP地址。

在默认的Docker配置中，每个节点上的Docker服务会分别负责所在节点容器的IP分配。这样导致的一个问题是，不同节点上容器可能获得相同的内外IP地址。并使这些容器之间能够之间通过IP地址相互找到，也就是相互ping通。

Flannel的设计目的就是为集群中的所有节点重新规划IP地址的使用规则，从而使得不同节点上的容器能够获得“同属一个内网”且”不重复的”IP地址，并让属于不同节点上的容器能够直接通过内网IP通信。

• VXLAN，即Virtual Extensible LAN（虚拟可扩展局域网），是Linux本身支持的一网种网络虚拟化技术。VXLAN可以完全在内核态实现封装和解封装工作，从而通过“隧道”机制，构建出覆盖网络（OverlayNetwork）。
• VTEP：VXLAN Tunnel End Point（虚拟隧道端点），在Flannel中VNI的默认值是1，这也是为什么宿主机的VTEP设备都叫flannel.1的原因。
• Cni0: 网桥设备，每创建一个pod都会创建一对 vethpair。其中一端是pod中的eth0，另一端是Cni0网桥中的端口（网卡）。
• Flannel.1:TUN设备(虚拟网卡)，用来进行 vxlan报文的处理（封包和解包）。不同node之间的pod数据流量都从overlay设备以隧道的形式发送到对端。
• Flanneld：flannel在每个主机中运行flanneld作为agent，它会为所在主机从集群的网络地址空间中，获取一个小的网段subnet，本主机内所有容器的IP地址都将从中分配。同时Flanneld监听K8s集群数据库，为flannel.1设备提供封装数据时必要的mac、ip等网络数据信息。

2.2、flannel网络原理

Flannelvxlan模式跨主机通信原理

• 当容器发送IP包，通过veth pair发往cni网桥，再路由到本机的flannel.1设备进行处理。
• VTEP设备之间通过二层数据帧进行通信，源VTEP设备收到原始IP包后，在上面加上一个目的MAC地址，封装成一个内部数据帧，发送给目的VTEP设备。
• 内部数据桢，并不能在宿主机的二层网络传输，Linux内核还需要把它进一步封装成为宿主机的一个普通的数据帧，承载着内部数据帧通过宿主机的eth0进行传输。
• Linux会在内部数据帧前面，加上一个VXLAN头，VXLAN头里有一个重要的标志叫VNI，它是VTEP识别某个数据桢是不是应该归自己处理的重要标识。
• flannel.1设备只知道另一端flannel.1设备的MAC地址，却不知道对应的宿主机地址是什么。在linux内核里面，网络设备进行转发的依据，来自FDB的转发数据库，这个flannel.1网桥对应的FDB信息，是由flanneld进程维护的。
• linux内核在IP包前面再加上二层数据帧头，把目标节点的MAC地址填进去，MAC地址从宿主机的ARP表获取。
• 此时flannel.1设备就可以把这个数据帧从eth0发出去，再经过宿主机网络来到目标节点的eth0设备。目标主机内核网络栈会发现这个数据帧有VXLAN Header，并且VNI为1，Linux内核会对它进行拆包，拿到内部数据帧，根据VNI的值，交给本机flannel.1设备处理,flannel.1拆包，根据路由表发往cni网桥，最后到达目标容器。

2.3、flannel配置

flannel支持多种后端：

• Vxlan：
  vxlan //报文封装，默认
  Directrouting //直接路由，跨网段使用vxlan，同网段使用host-gw模式。
• host-gw： //主机网关，性能好，但只能在二层网络中，不支持跨网络， 如果有成千上万的Pod，容易产生广播风暴，不推荐
• UDP： //性能差，不推荐

[root@server3 ~]# yum install -y bridge-utils
[root@server3 ~]# brctl show
[root@server3 ~]# ip addr

route -n

server2用cni0进行通信，server3和server4利用flannel进行通信

 bridge fdb：查看主机ip对应的MAC地址

server3对应的MAC地址为f6:5a:8b:dc:8a:b6

[root@server2 ingress]# kubectl -n kube-system get cm

[root@server2 ingress]# kubectl -n kube-system edit cm kube-flannel-cfg ##修改
configmap/kube-flannel-cfg edited
        "Type": "host-gw"

 删除重建会自动更新

[root@server2 ingress]# kubectl get pod -n kube-system | grep kube-flannel | awk '{system("kubectl delete pod "$1" -n kube-system")}'

 查看各个节点网关(server4为关闭状态，所以未改变)

三、calico网络插件

3.1、calico简介

flannel实现的是网络通信，calico的特性是在pod之间的隔离。
通过BGP路由，但大规模端点的拓扑计算和收敛往往需要一定的时间和计算资源。
纯三层的转发，中间没有任何的NAT和overlay，转发效率最好。
Calico 仅依赖三层路由可达。Calico 较少的依赖性使它能适配所有 VM、Container、白盒或者混合环境场景。

网络架构：

• Felix：监听ECTD中心的存储获取事件，用户创建pod后，Felix负责将其网卡、IP、MAC都设置好，然后在内核的路由表里面写一条，注明这个IP应该到这张网卡。同样如果用户制定了隔离策略，Felix同样会将该策略创建到ACL中，以实现隔离。
• BIRD：一个标准的路由程序，它会从内核里面获取哪一些IP的路由发生了变化，然后通过标准BGP的路由协议扩散到整个其他的宿主机上，让外界都知道这个IP在这里，路由的时候到这里来。
  
  工作模式：
• IPIP工作模式：适用于互相访问的pod不在同一个网段中，跨网段访问的场景。
  
• BGP工作模式：适用于互相访问的pod在同一个网段，适用于大型网络。
  

3.2、calico的安装部署

真实主机获取calico.yaml和calico的压缩包，然后将压缩包发送给server1，将calico.yaml发送到server2的/root/calico目录下

从官方获取文档

[root@server2 service]# mkdir calico
[root@server2 service]# cd calico/
[root@server2 calico]# wget https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml --no-check-certificate

[root@server2 calico]# vim calico.yaml   查看image镜像文件

拉取所需镜像并上传至仓库

[root@server1 ~]# docker pull calico/cni:v3.22.1
[root@server1 ~]# docker pull calico/pod2daemon-flexvol:v3.22.1
[root@server1 ~]# docker pull calico/node:v3.22.1
[root@server1 ~]# docker pull calico/kube-controllers:v3.22.1
[root@server1 ~]# docker images | grep calico | awk '{system("docker tag "$1":"$2" reg.westos.org/"$1":"$2"")}'
[root@server1 ~]# docker images | grep reg.westos.org/calico | awk '{system("docker push "$1":"$2"")}'

 

 [root@server2 calico]# vim calico.yaml   ##修改镜像下载地址，与仓库保持一致

  注意：在执行前需要删除flannel，否则有冲突

每个节点都要删除10-flannel.conflist  

[root@server2 calico]# kubectl apply -f calico.yaml  

 查看节点

  切换完成之后，测试一下

四、calico网络策略

4.1、限制访问指定服务

server2进入calico目录下编辑deny-nginx.yaml配置文件

[root@server2 calico]# vim deny-nginx.yml
[root@server2 calico]# cat deny-nginx.yml 
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: myapp

 要进行限制访问的是标签为myapp的pod容器

 删除depoly相关的配置文件

[root@server2 ~]# cd pod/
[root@server2 pod]# kubectl delete -f depoly.yml 

应用下列yml配置文件，查看服务，看到ip，对这两个地址测试访问，发现

[root@server2 pod]# kubectl apply -f depoly.yml 
deployment.apps/deployment-myapp created
[root@server2 pod]# cd 
[root@server2 ~]# cd service/calico/
[root@server2 calico]# ls
calico.yaml  deny-nginx.yml
[root@server2 calico]# kubectl apply -f deny-nginx.yml 

对这两个地址测试访问，发现web1访问失败，web2访问成功

 因为web1的pod的标签都是myapp，已经设置了限制访问

 

4.2、允许指定pod访问服务

使用nginx镜像拉起一个新的容器，名为demo

 查看demo容器所在节点地址，测试访问，看到可以成功访问

使用busyboxplus镜像拉起一个新容器，标签为test，然后进入该容器去访问demo，可以看到访问成功，再去访问myapp的节点地址，发现能访问

 编辑deny-nginx.yaml配置文件，配置可以访问myapp服务的容器，这里是test

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-myapp
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: myapp
---
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: access-myapp
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: myapp
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          app: test

编辑完成后应用配置，查看网络策略，可以看到配置好的策略

 连接test容器，访问myapp服务，现在可以正常访问了