Kubernetes 的网络原理 （七）---开源的网络组件flannel及calico

一 Flannel组件

1.1 flannel介绍

Kubernetes的网络模型假定了所有Pod都在一个可以直接连通的扁平网络空间中。若需要实现这个网络假设，需要实现不同节点上的Docker容器之间的互相访问，然后运行Kubernetes。目前已经有多个开源组件支持容器网络模型。如Flannel、Open vSwitch、直接路由和Calico。

Flannel之所以可以搭建Kubernetes依赖的底层网络，是因为它能实现以下两点。

1. 它能协助Kubernetes，给每一个Node上的Docker容器都分配互相不冲突的IP地址。
2. 它能在这些IP地址之间建立一个覆盖网络（Overlay Network），通过这个覆盖网络，将数据包原封不动地传递到目标容器内。

flannel架构图：

        如上图所示，Flannel首先创建了一个名为flannel0的网桥，而且这个网桥的一端连接docker0网桥，另一端连接一个叫作flanneld的服务进程。

        flanneld进程上连etcd，利用etcd来管理可分配的IP地址段资源，同时监控etcd中每个Pod的实际地址，并在内存中建立了一个Pod节点路由表；flanneld进程下连docker0和物理网络，使用内存中的Pod节点路由表，将docker0发给它的数据包包装起来，利用物理网络的连接将数据包投递到目标flanneld上，从而完成Pod到Pod之间的直接地址通信。

         Flannel之间的底层通信协议的可选技术包括UDP、VxLan、AWS VPC等多种方式。通过源flanneld封包、目标flanneld解包，最终docker0收到的就是原始的数据，对容器应用来说是透明的，感觉不到中间Flannel的存在。

          Flannel每次分配的地址段都在同一个公共区域获取，从而实现不同Node上的Pod分配的IP不产生冲突。而且在Flannel分配好地址段后，其余操作由Docker完成的，Flannel通过修改Docker的启动参数将分配给它的地址段传递进去：

--bip=172.17.18.1/24

          通过如上方式，Flannel就控制了每个Node上的docker0地址段的地址，从而保障了所有Pod的IP地址在同一个水平网络中且不产生冲突。

          Flannel完美地实现了对Kubernetes网络的支持，但是它引入了多个网络组件，在网络通信时需要转到flannel0网络接口，再转到用户态的flanneld程序，到对端后还需要走这个过程的反过程，所以也会引入一些网络的时延损耗。

           另外，Flannel模型默认采用了UDP作为底层传输协议，UDP本身是非可靠协议，虽然两端的TCP实现了可靠传输，但在大流量、高并发的应用场景下还建议多次测试。

flannel的安装和配置

1.由于Flannel依赖于etcd作为数据库，需要先装好etcd。不再赘述。

2.安装flannel，需要在每个node上都安装Flannel。

疑问思考：相对比二进制安装falnnel，一般flannel都在kube-system命名空间的容器里，配置和安装都不一样，需要用yaml文件去配置。实现原理。

 

提示：更多flannel实现和部署参考：《008.Docker Flannel+Etcd分布式网络部署》。

https://www.cnblogs.com/itzgr/p/10172004.html

回到顶部

二 Calico组件

2.1 calco组件简介

calco 为例讲解Kubenetes中CNI插件和网络策略的原理和应用。

Calico是一个基于BGP的纯三层的网络方案，与OpenStack、Kubernetes、AWS、GCE等云平台都能够良好地集成。Calico在每个计算节点都利用Linux Kernel实现了一个高效的vRouter来负责数据转发。每个vRouter都通过BGP1协议把在本节点上运行的容器的路由信息向整个Calico网络广播，并自动设置到达其他节点的路由转发规则。

Calico保证所有容器之间的数据流量都是通过IP路由的方式完成互联互通的。Calico节点组网时可以直接利用数据中心的网络结构（L2或者L3），不需要额外的NAT、隧道或者Overlay Network，没有额外的封包解包，能够节约CPU运算，提高网络效率。

Calico在小规模集群中可以直接互联，在大规模集群中可以通过额外的BGP route reflector来完成。Calico基于iptables还提供了丰富的网络策略，实现了Kubernetes的Network Policy策略，提供容器间网络可达性限制的功能。

 

2.2 Calico架构

Calico的主要组件：

• Felix：Calico Agent，运行在每个Node上，负责为容器设置网络资源（IP地址、路由规则、iptables规则等），保证跨主机容器网络互通。
• etcd：Calico使用的后端存储。
• BGP Client：负责把Felix在各Node上设置的路由信息通过BGP协议广播到Calico网络。
• Route Reflector：通过一个或者多个BGP Route Reflector来完成大规模集群的分级路由分发。
• CalicoCtl：Calico命令行管理工具。

2.3 Calico步骤过程

在Kubernetes中部署Calico的主要步骤如下：

1. 修改Kubernetes服务的启动参数，并重启服务。

• 设置Master上kube-apiserver服务的启动参数：--allow-privileged=true（因为calico-node需要以特权模式运行在各Node上）。
• 设置各Node上kubelet服务的启动参数：--networkplugin=cni（使用CNI网络插件）。

1. 创建Calico服务，主要包括calico-node和calico policy controller。需要创建的资源对象如下：

• 创建ConfigMap calico-config，包含Calico所需的配置参数。
• 创建Secret calico-etcd-secrets，用于使用TLS方式连接etcd。
• 在每个Node上都运行calico/node容器，部署为DaemonSet。
• 在每个Node上都安装Calico CNI二进制文件和网络配置参数（由install-cni容器完成）。
• 部署一个名为calico/kube-policy-controller的Deployment，以对接Kubernetes集群中为Pod设置的Network Policy。

2.4 正式部署

[root@k8smaster01 ~]# curl \

https://docs.projectcalico.org/v3.6/getting-started/kubernetes/installation/hosted/canal/canal.yaml \

-O

[root@k8smaster01 ~]# POD_CIDR="" \

sed -i -e "s?10.10.0.0/16?$POD_CIDR?g" canal.yaml

如上yaml文件包括Calico所需全部配置，如下为重点部分分段解析：

• ConfigMap解析

 

  1 kind: ConfigMap
  2 apiVersion: v1
  3 metadata:
  4   name: calico-config
  5   namespace: kube-system
  6 data:
  7   typha_service_name: "none"
  8   calico_backend: "bird"
  9   veth_mtu: "1440"
 10   cni_network_config: |-
 11     {
 12       "name": "k8s-pod-network",
 13       "cniVersion": "0.3.0",
 14       "plugins": [
 15         {
 16           "type": "calico",
 17           "log_level": "info",
 18           "datastore_type": "kubernetes",
 19           "nodename": "__KUBERNETES_NODE_NAME__",
 20           "mtu": __CNI_MTU__,
 21           "ipam": {
 22               "type": "calico-ipam"
 23           },
 24           "policy": {
 25               "type": "k8s"
 26           },
 27           "kubernetes": {
 28               "kubeconfig": "__KUBECONFIG_FILEPATH__"
 29           }
 30         },
 31         {
 32           "type": "portmap",
 33           "snat": true,
 34           "capabilities": {"portMappings": true}
 35         }
 36       ]
 37     }

 

对主要参数说明如下。

• etcd_endpoints：Calico使用etcd来保存网络拓扑和状态，该参数指定etcd服务的地址，可手动设置。
• calico_backend：Calico的后端，默认为bird。
• cni_network_config：符合CNI规范的网络配置。其中type=calico表示kubelet将从/opt/cni/bin目录下搜索名为calico的可执行文件，并调用它来完成容器网络的设置。ipam中的type=calico-ipam表示kubelet将在/opt/cni/bin目录下搜索名为calico-ipam的可执行文件，用于完成容器IP地址的分配。

提示：如果etcd服务配置了TLS安全认证，则还需指定相应的ca、cert、key等文件。

• Secret解析

 

  1 apiVersion: v1
  2 kind: Secret
  3 type: Opaque
  4 metadata:
  5   name: calico-etcd-secrets
  6   namespace: kube-system
  7 data:
  8   # Populate the following with etcd TLS configuration if desired, but leave blank if
  9   # not using TLS for etcd.
 10   # The keys below should be uncommented and the values populated with the base64
 11   # encoded contents of each file that would be associated with the TLS data.
 12   # Example command for encoding a file contents: cat  | base64 -w 0
 13   # 如果配置了TLS ，则需要设置相应的证书和密钥文件路径
 14   # etcd-key: null
 15   # etcd-cert: null
 16   # etcd-ca: null

 

• DaemonSet解析

 

  1 kind: DaemonSet
  2 apiVersion: extensions/v1beta1
  3 metadata:
  4   name: calico-node
  5   namespace: kube-system
  6   labels:
  7     k8s-app: calico-node
  8 spec:
  9   selector:
 10     matchLabels:
 11       k8s-app: calico-node
 12   updateStrategy:
 13     type: RollingUpdate
 14     rollingUpdate:
 15       maxUnavailable: 1
 16   template:
 17     metadata:
 18       labels:
 19         k8s-app: calico-node
 20       annotations:
 21         scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: ''
 22     spec:
 23       nodeSelector:
 24         beta.kubernetes.io/os: linux
 25       hostNetwork: true
 26       tolerations:
 27         - effect: NoSchedule
 28           operator: Exists
 29         - key: CriticalAddonsOnly
 30           operator: Exists
 31         - effect: NoExecute
 32           operator: Exists
 33       serviceAccountName: calico-node
 34       terminationGracePeriodSeconds: 0
 35       initContainers:
 36         - name: upgrade-ipam
 37           image: calico/cni:v3.6.0
 38           command: ["/opt/cni/bin/calico-ipam", "-upgrade"]
 39           env:
 40             - name: KUBERNETES_NODE_NAME
 41               valueFrom:
 42                 fieldRef:
 43                   fieldPath: spec.nodeName
 44             - name: CALICO_NETWORKING_BACKEND
 45               valueFrom:
 46                 configMapKeyRef:
 47                   name: calico-config
 48                   key: calico_backend
 49           volumeMounts:
 50             - mountPath: /var/lib/cni/networks
 51               name: host-local-net-dir
 52             - mountPath: /host/opt/cni/bin
 53               name: cni-bin-dir
 54         - name: install-cni
 55           image: calico/cni:v3.6.0
 56           command: ["/install-cni.sh"]
 57           env:
 58             - name: CNI_CONF_NAME
 59               value: "10-calico.conflist"
 60             - name: CNI_NETWORK_CONFIG
 61               valueFrom:
 62                 configMapKeyRef:
 63                   name: calico-config
 64                   key: cni_network_config
 65             - name: KUBERNETES_NODE_NAME
 66               valueFrom:
 67                 fieldRef:
 68                   fieldPath: spec.nodeName
 69             - name: CNI_MTU
 70               valueFrom:
 71                 configMapKeyRef:
 72                   name: calico-config
 73                   key: veth_mtu
 74             - name: SLEEP
 75               value: "false"
 76           volumeMounts:
 77             - mountPath: /host/opt/cni/bin
 78               name: cni-bin-dir
 79             - mountPath: /host/etc/cni/net.d
 80               name: cni-net-dir
 81       containers:
 82         - name: calico-node
 83           image: calico/node:v3.6.0
 84           env:
 85             - name: DATASTORE_TYPE
 86               value: "kubernetes"
 87             - name: WAIT_FOR_DATASTORE
 88               value: "true"
 89             - name: NODENAME
 90               valueFrom:
 91                 fieldRef:
 92                   fieldPath: spec.nodeName
 93             - name: CALICO_NETWORKING_BACKEND
 94               valueFrom:
 95                 configMapKeyRef:
 96                   name: calico-config
 97                   key: calico_backend
 98             - name: CLUSTER_TYPE
 99               value: "k8s,bgp"
100             - name: IP
101               value: "autodetect"
102             - name: IP_AUTODETECTION_METHOD
103               value: "can-reach=172.24.8.2"
104             - name: CALICO_IPV4POOL_IPIP
105               value: "Always"
106             - name: FELIX_IPINIPMTU
107               valueFrom:
108                 configMapKeyRef:
109                   name: calico-config
110                   key: veth_mtu
111             - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
112               value: "10.10.0.0/16"
113             - name: CALICO_DISABLE_FILE_LOGGING
114               value: "true"
115             - name: FELIX_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION
116               value: "ACCEPT"
117             - name: FELIX_IPV6SUPPORT
118               value: "false"
119             - name: FELIX_LOGSEVERITYSCREEN
120               value: "info"
121             - name: FELIX_HEALTHENABLED
122               value: "true"
123           securityContext:
124             privileged: true
125           resources:
126             requests:
127               cpu: 250m
128           livenessProbe:
129             httpGet:
130               path: /liveness
131               port: 9099
132               host: localhost
133             periodSeconds: 10
134             initialDelaySeconds: 10
135             failureThreshold: 6
136           readinessProbe:
137             exec:
138               command:
139               - /bin/calico-node
140               - -bird-ready
141               - -felix-ready
142             periodSeconds: 10
143           volumeMounts:
144             - mountPath: /lib/modules
145               name: lib-modules
146               readOnly: true
147             - mountPath: /run/xtables.lock
148               name: xtables-lock
149               readOnly: false
150             - mountPath: /var/run/calico
151               name: var-run-calico
152               readOnly: false
153             - mountPath: /var/lib/calico
154               name: var-lib-calico
155               readOnly: false
156       volumes:
157         - name: lib-modules
158           hostPath:
159             path: /lib/modules
160         - name: var-run-calico
161           hostPath:
162             path: /var/run/calico
163         - name: var-lib-calico
164           hostPath:
165             path: /var/lib/calico
166         - name: xtables-lock
167           hostPath:
168             path: /run/xtables.lock
169             type: FileOrCreate
170         - name: cni-bin-dir
171           hostPath:
172             path: /opt/cni/bin
173         - name: cni-net-dir
174           hostPath:
175             path: /etc/cni/net.d
176         - name: host-local-net-dir
177           hostPath:
178             path: /var/lib/cni/networks

 

在该Pod中包括如下两个容器：

• install-cni：在Node上安装CNI二进制文件到/opt/cni/bin目录下，并安装相应的网络配置文件到/etc/cni/net.d目录下，设置为initContainers并在运行完成后退出。
• calico-node：Calico服务程序，用于设置Pod的网络资源，保证Pod的网络与各Node互联互通。它还需要以hostNetwork模式运行，直接使用宿主机网络。

calico-node服务的主要参数如下。

• CALICO_IPV4POOL_CIDR：Calico IPAM的IP地址池，Pod的IP地址将从该池中进行分配。
• CALICO_IPV4POOL_IPIP：是否启用IPIP模式。启用IPIP模式时，Calico将在Node上创建一个名为tunl0的虚拟隧道。
• IP_AUTODETECTION_METHOD：获取Node IP地址的方式，默认使用第1个网络接口的IP地址，对于安装了多块网卡的Node，可以使用正则表达式选择正确的网卡，例如"interface=eth.*"表示选择名称以eth开头的网卡的IP地址。
• FELIX_IPV6SUPPORT：是否启用IPv6。
• FELIX_LOGSEVERITYSCREEN：日志级别。
• securityContext.privileged=true：以特权模式运行。

另外，如果启用RBAC权限控制，则可以设置ServiceAccount。

IP Pool可以使用两种模式：BGP或IPIP。使用IPIP模式时，设置CALICO_IPV4POOL_IPIP="always"，不使用IPIP模式时，设置CALICO_IPV4POOL_IPIP="off"，此时将使用BGP模式。

• calico-kube-controllers解析

calico-kube-controllers容器，用于对接Kubernetes集群中为Pod设置的Network Policy

 

  1 apiVersion: extensions/v1beta1
  2 kind: Deployment
  3 metadata:
  4   name: calico-kube-controllers
  5   namespace: kube-system
  6   labels:
  7     k8s-app: calico-kube-controllers
  8   annotations:
  9     scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: ''
 10 spec:
 11   replicas: 1
 12   strategy:
 13     type: Recreate
 14   template:
 15     metadata:
 16       name: calico-kube-controllers
 17       namespace: kube-system
 18       labels:
 19         k8s-app: calico-kube-controllers
 20     spec:
 21       nodeSelector:
 22         beta.kubernetes.io/os: linux
 23       tolerations:
 24         - key: CriticalAddonsOnly
 25           operator: Exists
 26         - key: node-role.kubernetes.io/master
 27           effect: NoSchedule
 28       serviceAccountName: calico-kube-controllers
 29       containers:
 30         - name: calico-kube-controllers
 31           image: calico/kube-controllers:v3.6.0
 32           env:
 33             - name: ENABLED_CONTROLLERS
 34               value: node
 35             - name: DATASTORE_TYPE
 36               value: kubernetes
 37           readinessProbe:
 38             exec:
 39               command:
 40               - /usr/bin/check-status
 41               - -r

 

如果启用RBAC权限控制，则可以设置ServiceAccount。用户在Kubernetes集群中设置了Pod的Network Policy之后，calicokube-controllers就会自动通知各Node上的calico-node服务，在宿主机上设置相应的iptables规则，完成Pod间网络访问策略的设置。

[root@k8smaster01 ~]# docker pull calico/cni:v3.9.0

[root@k8smaster01 ~]# docker pull calico/node:v3.9.0

[root@k8smaster01 ~]# docker pull calico/kube-controllers:v3.9.0 #建议提前pull镜像

[root@k8smaster01 ~]# kubectl apply -f calico.yaml

2.5 查看验证

[root@k8smaster01 ~]# kubectl get pods --all-namespaces -o wide #查看部署

[root@k8smaster01 ~]# ll /etc/cni/net.d/

calico-node在正常运行之后，会根据CNI规范，在/etc/cni/net.d/目录下生成如下文件和目录，并在/opt/cni/bin/目录下安装二进制文件calico和calico-ipam，供kubelet调用。

• 10-calico.conf：符合CNI规范的网络配置，其中type=calico表示该插件的二进制文件名为calico。
• calico-kubeconfig：Calico所需的kubeconfig文件。
• calico-tls目录：以TLS方式连接etcd的相关文件。

[root@k8smaster01 ~]# ifconfig tunl0

tunl0: flags=193 mtu 1440

inet 10.10.190.128 netmask 255.255.255.255

tunnel txqueuelen 1000 (IPIP Tunnel)

RX packets 0 bytes 0 (0.0 B)

RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0

TX packets 0 bytes 0 (0.0 B)

TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0

查看服务器的网络接口设置，会生产名为tunl0的接口，网络地址为10.10.190.128/32，此IP从calico-node设置的IP地址池（CALICO_IPV4POOL_CIDR="10.10.0.0/16"）中进行分配的。同时，docker0对于Kubernetes设置Pod的IP地址将不再起作用。

[root@k8smaster01 ~]# ip route #查看路由表

如上可查看到不同节点的相应路由，从而通过Calico就完成了Node间容器网络的设置。在后续的Pod创建过程中，kubelet将通过CNI接口调用Calico进行Pod网络的设置，包括IP地址、路由规则、iptables规则等。

如果设置CALICO_IPV4POOL_IPIP="off"，即不使用IPIP模式，则Calico将不会创建tunl0网络接口，路由规则直接使用物理机网卡作为路

由器进行转发。

2.6 运行测试

[root@k8smaster01 ~]# kubectl run nginx --replicas=2 --labels="run=load-balancer-example" --image=nginx --port=80

[root@k8smaster01 ~]# kubectl expose deployment nginx --type=NodePort --name=example-service #暴露端口

[root@k8smaster01 ~]# kubectl get service #查看服务状态

[root@k8smaster01 ~]# kubectl describe service example-service #查看信息

[root@k8smaster01 ~]# curl 10.97.91.153:80

[root@k8smaster01 ~]# kubectl get pod -o wide #查看endpoint

[root@k8smaster01 ~]# curl 10.10.32.129:80 #访问endpoint，与访问服务ip结果相同

[root@k8smaster01 ~]# curl 10.10.154.1:80

 

部署参考文档：https://docs.projectcalico.org/v3.6/getting-started/kubernetes/installation/flannel

https://github.com/projectcalico/calico/blob/master/v3.8/getting-started/kubernetes/installation/hosted/calico.yaml