kubernetes二进制部署2之 CNI 网络组件部署

一：K8S提供三大接口

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

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

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

部署 flannel

K8S 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。

Overlay 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）。

VXLAN：

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。

Flannel:

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。

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。

ETCD 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。

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

Flannel 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。

在 node01 节点上操作

#上传 cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz 和 flannel.tar ,flannel-cni-plugin.tar 到 /opt 目录中

cd /opt/
docker load -i flannel.tar     #加载镜像
docker load -i flannel-cni-plugin.tar
mkdir -p /opt/cni/bin
tar zxvf cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz -C /opt/cni/bin

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

vim kube-flannel.yml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  labels:
    k8s-app: flannel
    pod-security.kubernetes.io/enforce: privileged
  name: kube-flannel
---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  labels:
    k8s-app: flannel
  name: flannel
  namespace: kube-flannel
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  labels:
    k8s-app: flannel
  name: flannel
rules:
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - pods
  verbs:
  - get
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - nodes
  verbs:
  - get
  - list
  - watch
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - nodes/status
  verbs:
  - patch
- apiGroups:
  - networking.k8s.io
  resources:
  - clustercidrs
  verbs:
  - list
  - watch
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  labels:
    k8s-app: flannel
  name: flannel
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: flannel
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: flannel
  namespace: kube-flannel
---
apiVersion: v1
data:
  cni-conf.json: |
    {
      "name": "cbr0",
      "cniVersion": "0.3.1",
      "plugins": [
        {
          "type": "flannel",
          "delegate": {
            "hairpinMode": true,
            "isDefaultGateway": true
          }
        },
        {
          "type": "portmap",
          "capabilities": {
            "portMappings": true
          }
        }
      ]
    }
  net-conf.json: |
    {
      "Network": "10.244.0.0/16",
      "Backend": {
        "Type": "vxlan"
      }
    }
kind: ConfigMap
metadata:
  labels:
    app: flannel
    k8s-app: flannel
    tier: node
  name: kube-flannel-cfg
  namespace: kube-flannel
---
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  labels:
    app: flannel
    k8s-app: flannel
    tier: node
  name: kube-flannel-ds
  namespace: kube-flannel
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: flannel
      k8s-app: flannel
  template:
    metadata:
      labels:
        app: flannel
        k8s-app: flannel
        tier: node
    spec:
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/os
                operator: In
                values:
                - linux
      containers:
      - args:
        - --ip-masq
        - --kube-subnet-mgr
        command:
        - /opt/bin/flanneld
        env:
        - name: POD_NAME
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: metadata.name
        - name: POD_NAMESPACE
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: metadata.namespace
        - name: EVENT_QUEUE_DEPTH
          value: "5000"
        image: docker.io/flannel/flannel:v0.21.5
        name: kube-flannel
        resources:
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 50Mi
        securityContext:
          capabilities:
            add:
            - NET_ADMIN
            - NET_RAW
          privileged: false
        volumeMounts:
        - mountPath: /run/flannel
          name: run
        - mountPath: /etc/kube-flannel/
          name: flannel-cfg
        - mountPath: /run/xtables.lock
          name: xtables-lock
      hostNetwork: true
      initContainers:
      - args:
        - -f
        - /flannel
        - /opt/cni/bin/flannel
        command:
        - cp
        image: docker.io/flannel/flannel-cni-plugin:v1.1.2
        name: install-cni-plugin
        volumeMounts:
        - mountPath: /opt/cni/bin
          name: cni-plugin
      - args:
        - -f
        - /etc/kube-flannel/cni-conf.json
        - /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist
        command:
        - cp
        image: docker.io/flannel/flannel:v0.21.5
        name: install-cni
        volumeMounts:
        - mountPath: /etc/cni/net.d
          name: cni
        - mountPath: /etc/kube-flannel/
          name: flannel-cfg
      priorityClassName: system-node-critical
      serviceAccountName: flannel
      tolerations:
      - effect: NoSchedule
        operator: Exists
      volumes:
      - hostPath:
          path: /run/flannel
        name: run
      - hostPath:
          path: /opt/cni/bin
        name: cni-plugin
      - hostPath:
          path: /etc/cni/net.d
        name: cni
      - configMap:
          name: kube-flannel-cfg
        name: flannel-cfg
      - hostPath:
          path: /run/xtables.lock
          type: FileOrCreate
        name: xtables-lock

cd /opt/k8s
kubectl apply -f kube-flannel.yml 

kubectl get pods -A

kubectl get nodes

node02同步node01操作即可，然后msater节点再执行一遍 kubectl apply -f kube-flannel.yml

注意：只能装一个网络插件，不能2个网络插件一起装，不然会报错

kubectl delect -f kube-flannel.yml 删除Flannel插件，才能继续下面部署Calico操作

部署 Calico

k8s 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。

Calico 主要由三个部分组成：

Calico CNI插件：主要负责与kubernetes对接，供kubelet调用使用。
Felix：负责维护宿主机上的路由规则、FIB转发信息库等。
BIRD：负责分发路由规则，类似路由器。
Confd：配置管理组件。

Calico 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。

在 master01 节点上操作

#上传 calico.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
下载calico.yaml地址

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
3880行
    - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
      value: "192.168.0.0/16"  #calico默认为192.168.0.0/16，上文我们设置的为10.244.0.0/16
3852行
    - name: CALICO_IPV4POOL_IPIP
      value: "Never"   #设置为never时为BGP模式，设置为Always时为IPIP模式，设置为CrossSubnet为混合模式
    - name: IP_AUTODETECTION_METHOD
      value: "interface=ens.*"

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 192.168.52.130

//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 192.168.52.130

#查看群集中的节点状态

kubectl get nodes