【云原生】K8S二进制搭建二：部署CNI网络组件

一、K8S提供三大接口

1.1容器运行时接口CRI

解决了什么问题？
容器镜像（带有应用程序规范的文件）必须以标准化，安全和隔离的方式启动

• 标准化，因为无论它们在何处运行，都需要标准的操作规则。

• 安全，因为你不希望任何不应该访问它的人，对它操作。

• 隔离，因为你不希望应用程序影响其他应用，或受其他应用程序的影响（例如，在同一节点的其他应用程序崩溃导致自身故障）。隔离基本上起保护作用。此外，还需要为应用程序提供资源限制，例如 CPU、存储和内存

工具

• docker
• containerd
• podman
• cri-0

1.2云原生网络接口CNI

云原生网络是什么

• 在现有网络之上创建一个专门用于应用程序通信的虚拟网络，称为覆盖网络( overlay network )。

解决了什么问题

• 提供一个专用的通信网络，将独立的容器彼此私下通信
• 使用软件来控制、检查和修改数据流。管理和保护容器间的连接。满足各容器之间的隔离要求
• 如果向扩展容器网络和网络策略，云原生网络的可编程性和声明性使这成为可能。

如何解决

• 使用Flannel、calico、cilium等工具

1.3云原生存储接口CSI

什么是存储

• 存储，即存放应用程序持久数据的位置，通常称为持久卷。能够轻松访问持久卷，对于应用程序可靠运行至关重要。通常，当我们说持久数据时，是指想要确保我们在应用重新启动时不会消失的任何数据。

解决了什么问题

• 要存储数据，就要需要硬件（具体来说是磁盘）。磁盘与其他任何硬件一样，都受基础结构约束。这是第一个挑战

• 第二个挑战是，存储接口。以前，每个基础架构都有自己的存储解决方案和自己的接口，这使可移植性变得非常困难。

• 第三个挑战是，现在的应用为了受益于云的弹性，必须以自动化方式配置存储。

• 云原生存储是针对这种新的云原生挑战量身定制的

如何解决的

云原生存储工具，可帮助

a）为容器提供云原生存储选项

b）标准化容器与存储提供者之间的接口

c）通过备份和还原操作提供数据保护

工具

• ceph
• nfs
• gfs
• s3

二、Flannel网络插件

2.1K8S中Pod网络通信

Pod 内容器与容器之间的通信

在同一个 Pod 内的容器（Pod 内的容器是不会跨宿主机的）共享同一个网络命令空间，相当于它们在同一台机器上一样，可以用
localhost 地址访问彼此的端口。

同一个 Node 内 Pod 之间的通信

每个 Pod 都有一个真实的全局 IP 地址，同一个 Node 内的不同 Pod 之间可以直接采用对方 Pod 的 IP 地址进行通信，Pod1 与 Pod2 都是通过 Veth 连接到同一个 docker0 网桥，网段相同，所以它们之间可以直接通信

。

不同 Node 上 Pod 之间的通信

Pod 地址与 docker0 在同一网段，docker0 网段与宿主机网卡是两个不同的网段，且不同 Node 之间的通信只能通过宿主机的物理网卡进行。 要想实现不同 Node 上 Pod 之间的通信，就必须想办法通过主机的物理网卡 IP 地址进行寻址和通信。因此要满足两个条件：Pod 的 IP 不能冲突；将 Pod 的 IP 和所在的 Node 的 IP 关联起来，通过这个关联让不同 Node 上 Pod 之间直接通过内网 IP 地址通信。

2.2Overlay Network

叠加网络，在二层或者三层基础网络上叠加的一种虚拟网络技术模式，该网络中的主机通过虚拟链路隧道连接起来（类似于VPN）。

2.3VXLAN

将源数据包封装到UDP中，并使用基础网络的IP/MAC作为外层报文头进行封装，然后在以太网上传输，到达目的地后由隧道端点解封装并将数据发送给目标地址。

2.4Flannel

Flannel 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。 Flannel 是
Overlay 网络的一种，也是将 TCP 源数据包封装在另一种网络包里面进行路由转发和通信，目前支持 udp、vxlan、 host-GW 3种数据转发方式。

三、Flannel udp 模式的工作原理

• 数据从 node01 上 Pod 的源容器中发出后，经由所在主机的 docker0 虚拟网卡转发到 flannel.1 虚拟网卡，flanneld 服务监听在 flannel.1 虚拟网卡的另外一端。
• Flannel 通过 Etcd 服务维护了一张节点间的路由表。源主机 node01 的 flanneld 服务将原本的数据内容封装到 UDP 中后根据自己的路由表通过物理网卡投递给目的节点 node02 的 flanneld 服务，数据到达以后被解包，然后直接进入目的节点的 flannel.1 虚拟网卡，之后被转发到目的主机的 docker0 虚拟网卡，最后就像本机容器通信一样由 docker0 转发到目标容器。

3.1ETCD 之 Flannel 提供说明

• 存储管理Flannel可分配的IP地址段资源
• 监控 ETCD 中每个 Pod 的实际地址，并在内存中建立维护 Pod 节点路由表
• 由于 udp 模式是在用户态做转发，会多一次报文隧道封装，因此性能上会比在内核态做转发的 vxlan 模式差。

四、vxlan 模式

vxlan 是一种overlay（虚拟隧道通信）技术，通过三层网络搭建虚拟的二层网络，跟 udp 模式具体实现不太一样:

• （1）udp模式是在用户态实现的，数据会先经过tun网卡，到应用程序，应用程序再做隧道封装，再进一次内核协议栈，而vxlan是在内核当中实现的，只经过一次协议栈，在协议栈内就把vxlan包组装好
• （2）udp模式的tun网卡是三层转发，使用tun是在物理网络之上构建三层网络，属于ip in udp，vxlan模式是二层实现， overlay是二层帧，属于mac in udp
• （3）vxlan由于采用mac in udp的方式，所以实现起来会涉及mac地址学习，arp广播等二层知识，udp模式主要关注路由

4.1Flannel vxlan 模式的工作原理

• vxlan在内核当中实现，当数据包使用vxlan设备发送数据时，会打上vlxan的头部信息，在发送出去，对端解包，flannel.1网卡把原始报文发送到目的服务器。

五、部署 flannel

5.1node01节点上操作

#上传 cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz 和 flannel.tar 到 /opt 目录中
cd /opt/
docker load -i flannel.tar

mkdir /opt/cni/bin
tar zxvf cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz -C /opt/cni/bin

5.2 在 master01 节点上操作

#上传 kube-flannel.yml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
kubectl apply -f kube-flannel.yml 

kubectl get pods -n kube-system
NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kube-flannel-ds-hjtc7   1/1     Running   0          7s

kubectl get nodes
NAME            STATUS   ROLES    AGE   VERSION
192.168.80.11   Ready    <none>   81m   v1.20.11

六、Calico

6.1K8s组网方案对比

flannel方案

需要在每个节点上把发向容器的数据包进行封装后，再用隧道将封装后的数据包发送到运行着目标Pod的node节点上。目标node节点再负责去掉封装，将去除封装的数据包发送到目标Pod上。数据通信性能则大受影响。

calico方案

Calico不使用隧道或NAT来实现转发，而是把Host当作Internet中的路由器，使用BGP同步路由，并使用iptables来做安全访问策略，完成跨Host转发来。

6.2Calico 工作原理

• Calico 是通过路由表来维护每个 pod 的通信。Calico 的 CNI 插件会为每个容器设置一个 veth pair 设备， 然后把另一端接入到宿主机网络空间，由于没有网桥，CNI 插件还需要在宿主机上为每个容器的 veth pair 设备配置一条路由规则，用于接收传入的IP包。

• 有了这样的 veth pair 设备以后，容器发出的IP包就会通过 veth pair 设备到达宿主机，然后宿主机根据路由规则的下一跳地址， 发送给正确的网关，然后到达目标宿主机，再到达目标容器。

• 这些路由规则都是 Felix 维护配置的，而路由信息则是 Calico BIRD 组件基于 BGP 分发而来。calico 实际上是将集群里所有的节点都当做边界路由器来处理，他们一起组成了一个全互联的网络，彼此之间通过 BGP 交换路由，这些节点我们叫做 BGP Peer。

• 目前比较常用的时flannel和calico，flannel的功能比较简单，不具备复杂的网络策略配置能力，calico是比较出色的网络管理插件，但具备复杂网络配置能力的同时，往往意味着本身的配置比较复杂，所以相对而言，比较小而简单的集群使用flannel，考虑到日后扩容，未来网络可能需要加入更多设备，配置更多网络策略，则使用calico更好。

6.3部署 Calico

在 master01 节点上操作

#上传 calico.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
vim calico.yaml
#修改里面定义Pod网络（CALICO_IPV4POOL_CIDR），与前面kube-controller-manager配置文件指定的cluster-cidr网段一样
    - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
      value: "192.168.0.0/16"
  
kubectl apply -f calico.yaml

kubectl get pods -n kube-system
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
calico-kube-controllers-659bd7879c-4h8vk   1/1     Running   0          58s
calico-node-nsm6b                          1/1     Running   0          58s
calico-node-tdt8v                          1/1     Running   0          58s

#等 Calico Pod 都 Running，节点也会准备就绪
kubectl get nodes

node02 节点部署

//在 node01 节点上操作
cd /opt/
scp kubelet.sh proxy.sh [email protected]:/opt/
scp -r /opt/cni [email protected]:/opt/

//在 node02 节点上操作
#启动kubelet服务
cd /opt/
chmod +x kubelet.sh
./kubelet.sh 192.168.80.12

//在 master01 节点上操作
kubectl get csr
NAME                                                   AGE  SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-BbqEh6LvhD4R6YdDUeEPthkb6T_CJDcpVsmdvnh81y0   10s  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Pending
node-csr-duiobEzQ0R93HsULoS9NT9JaQylMmid_nBF3Ei3NtFE   85m  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued

#通过 CSR 请求
kubectl certificate approve node-csr-BbqEh6LvhD4R6YdDUeEPthkb6T_CJDcpVsmdvnh81y0

kubectl get csr
NAME                                                   AGE  SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-BbqEh6LvhD4R6YdDUeEPthkb6T_CJDcpVsmdvnh81y0   23s  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued
node-csr-duiobEzQ0R93HsULoS9NT9JaQylMmid_nBF3Ei3NtFE   85m  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued

#加载 ipvs 模块
for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done

#使用proxy.sh脚本启动proxy服务
cd /opt/
chmod +x proxy.sh
./proxy.sh 192.168.80.12

#查看群集中的节点状态
kubectl get nodes