Kubernetes（K8s）_15_CNI

CNI

CNI(Container Network Interface): 实现容器网络连接的规范

1. Kubernetes将网络通信可分为: Pod内容器、Pod、Pod与Service、外部与Service
2. CNI解决跨节点的网络通信方式分为: SDN、Static Route、Dynamic Route、Overlay

// https://github1s.com/containernetworking/cni/blob/main/libcni/api.go#L100

// CNI CNI插件规范
type CNI interface {
    AddNetworkList(ctx context.Context, net *NetworkConfigList, rt *RuntimeConf) (types.Result, error)
    CheckNetworkList(ctx context.Context, net *NetworkConfigList, rt *RuntimeConf) error
    DelNetworkList(ctx context.Context, net *NetworkConfigList, rt *RuntimeConf) error
    GetNetworkListCachedResult(net *NetworkConfigList, rt *RuntimeConf) (types.Result, error)
    GetNetworkListCachedConfig(net *NetworkConfigList, rt *RuntimeConf) ([]byte, *RuntimeConf, error)

    AddNetwork(ctx context.Context, net *NetworkConfig, rt *RuntimeConf) (types.Result, error)
    CheckNetwork(ctx context.Context, net *NetworkConfig, rt *RuntimeConf) error
    DelNetwork(ctx context.Context, net *NetworkConfig, rt *RuntimeConf) error
    GetNetworkCachedResult(net *NetworkConfig, rt *RuntimeConf) (types.Result, error)
    GetNetworkCachedConfig(net *NetworkConfig, rt *RuntimeConf) ([]byte, *RuntimeConf, error)

    ValidateNetworkList(ctx context.Context, net *NetworkConfigList) ([]string, error)
    ValidateNetwork(ctx context.Context, net *NetworkConfig) ([]string, error)

    GCNetworkList(ctx context.Context, net *NetworkConfigList, args *GCArgs) error

    GetCachedAttachments(containerID string) ([]*NetworkAttachment, error)
}

kubelet调用CNI插件实现Pod网络配置

1. kubelet在/etc/cni/net.d目录查找CNI插件的配置文件(JSON格式)
2. 基于配置文件中各插件的type属性到/opt/cni/bin目录查找可执行二进制文件
3. 配合Pod元数据调用各插件的二进制文件执行操作, 实现Pod网络配置

网络模型

网络模型: 容器编排平台的网络拓扑设计

1. Kubernetes的网络模型: Underlay、Overlay
2. 网络模型决定集群的网络安全、网络性能、可扩展性和网络策略等
3. Kubernetes中的网络模型与传统容器模型不同(以Pod为基础单位设计)

如: 传统的容器网络模型

1. 每个节点都需具有个虚拟网桥Bridge
2. 每个容器都独占个Network命名空间, 且需配置两个接口
3. 容器与主机之外通信时需通过SNAT/DNAT实现(较高的网络复杂度)

如: Kubernetes中Pod通信网络模型

1. Pod都处于同一平面网络
2. 每个Pod都有个虚拟网络接口和全局唯一的IP
3. Pod内所有容器共享Network命名空间(pause容器创建)
4. Pod内容器通过lo接口实现容器间通信(类似本地进程通信)
5. Pod跨节点通信是基于Veth Pair实现(节点的虚拟接口通过ARP Proxy实现代理)

// Veth Pair(Virtual Ethernet Pair): 对称虚拟网络接口连接实现跨命名空间通信(Linux内核实现)

Underlay

Underlay(Underlay Network): 基于交换机和路由器等设备构建的物理网络模型

1. 适用于网络性能敏感场景(无需额外的报文开销)
2. 容器可通过驱动程序直接使用宿主节点的网络接口
3. Underlay的常见实现: Bridge、MAC VLAN、IP VLAN、Direct Route

MAC VLAN

MAC VLAN: 以太网接口上虚拟多个网络接口

1. 每个虚拟接口都有个唯一MAC, 并按需配置IP
2. MAC VALN要求物理接口处于混杂模式(适用于本地网络环境)
3. 由于唯一MAC特性需注意以下场景: 交换机校验MAC、网卡限制MAC数量

如: Bridge与MAC VALN对比

MAC VLAN的工作模式:

模式	说明
Private	禁止同一物理接口上多个MAC VLAN通信
VPEA	允许同一物理接口上多个MAC VALN通信 (需外部交换机弃用发夹模式, 或存在报文转发的路由器)
Bridge	物理接口配置为网桥 (多个MAC VALN可通过网桥直接通信)
Passthru	允许一个MAC VALN直接连接物理接口

IP VLAN

IP VLAN: 以太网接口上虚拟多个网络接口

1. 每个虚拟接口都有个唯一IP, 但共享物理接口的MAC
2. MAN VLAN和IP VLAN不可同时在一个物理接口上使用
3. Linux 4.2内除支持IP VLAN网络驱动(可通过ip link命令验证)

IP VLAN工作模式分为: IP VLAN L2、IP VLAN L3

1. IP VLAN L2和MAC VLAN Bridge都支持ARP协议和广播流量
2. IP VLAN L3时网络栈将在容器内处理(类似路由器的报文处理机制)

如: L2和L3模型对比

Direct Route

DR(Direct Routing): 虚拟对称网络接口实现请求在L3时直接路由

1. 本质: 维护每个节点的路由表信息(保证容器请求顺利到达)

如: Calico实现的DR

DR成为Underlay实现的主流原因:

1. 更易于集成到数据中心的基础设施之上
2. 报文过滤和隔离的扩展性更高
3. 控制模型更精细

Overlay

Overlay(Overlay Network): 基于多个已存在的物理/逻辑网络构建的逻辑网络模型

1. 节点需支持VXLAN、UDP、IPIP或GRE等隧道协议(对底层网络无要求)
2. 需额外的性能开销, 不适用于网络性能敏感场景(额外的隧道报文封装)
3. 可实现跨越多个L2/L3的逻辑网络子网(适用于混合云场景)
4. Overlay的底层是由Underlay负责(底层通信)

如: Overlay网络架构

1. 节点间通信必须通过OS上对外通信的网络接口进行
2. 网络隧道本质: 将容器的通信报文封装成各自宿主节点之间的报文

网络隧道(Tunnelling): 基于种网络协议传输其他网络协议

1. 功能: 基于物理/逻辑网络之上构建出新的逻辑网络
2. 本质: 在原始数据包的外部或内部添加额外的封装头部信息

VXLAN

VXLAN(Virtual eXtensible Local Area Network): 可构建高扩展虚拟局域网的网络虚拟化技术

1. 本质: 通过L2 over L4的报文封装模式将L2报文用L3协议封装(MAC-in-UDP)
2. VXLAN中IP报文不可分片, 且底层网络需配置足够大的MTU值
3. VXLAN的网关和路由信息都分为: 集中式、分布式

Bridge-Domain(BD): VXLAN的虚拟网络构建单元

1. VNI: BD的全局唯一标识(类似VLAN的VLAN ID)
2. 功能: 连接不同的VXLAN终端设备, 以实现逻辑隔离和跨子网通信(构建大二层网络)
3. 相同VNI在不同VTEP之间通信需借助L2网关, 不同VNI或与VXLAN之间通信则需借助L3网关

VTEP(VXLAN Tunnel Endpoints): VXLAN的物理网络边缘设备以传输数据(网络隧道的出入口)

1. 功能: 虚拟网络中数据包的封包/解包, 以实现虚拟网络的扩展和互联
2. VXLAN通过添加额外设备构建虚拟逻辑网络, 可避免对底层网络的侵入
3. 支持VXLAN协议的交换机/主机都可模拟为VTEP(Linux 3.7内核模块支持)

CNI插件

CNI插件: 遵循CNI规范实现的可执行二进制文件

1. 功能: 维护CRI提供的Pod网络命名空间
2. CNI插件实现分为两部分API: NetPlugin、IPAM
3. CNI插件选择因素: 底层网络架构、容器网络功能、网络性能

如: CNI插件配置Pod网络流程

1. NetPlugin(网络管理插件): 创建/删除网络以及向网络添加/删除容器
2. IPAM(IP Address Management): 创建/删除地址池以及分配/回收容器IP
3. kubelet通过在每个Pod中创建pause容器完成响应操作(CRI中称为Sandbox)

// IPAM可分为: host-local(静态分配)、dhcp(续订租约)

Flannel

Flannel: 基于L3简单易配置CNI插件

1. Flannel实现跨节点常用通信方式: VXLAN、host-gw、UDP
2. Flannel会在每个节点运行个flanneld守护进程以完成各节点网络配置
3. flanneld会从Etcd加载JSON格式的网络配置等信息, 同时维护各节点的路由信息

VXLAN通信: VXLAN协议封装IP报文创建Overlay网络

1. VXLAN通信需借助Linux内核的vxlan模块封装网络隧道报文
2. flanneld启动时会将VTEP设备IP和节点MAC映射信息存储于Etcd依此生成解析记录
3. FDB(Forwarding Database): 存储VTEP设备路由转发信息(虚拟网络接口所在节点IP)
4. 直接路由: flanneld在节点添加必要路由信息, 以实现Pod间IP报文可在L2直接通信

如: VXLAN协议封装报文

1. VXLAN协议使用UDP报文封装网络隧道内层数据帧(MAC会直接使用节点MAC)

VXLAN通信流程(未开启直接路由):

1. Pod发送送数据经由flannel1.1接口封装成数据帧
2. flanneld将数据帧封装成UDP报文(目标地址为Pod所在节点IP), 并发送给目标flanneld
3. 目标flanneld按照上述反向流程解析报文以将数据转发给目标Pod

如: VXLAN通信流程(直接路由功能需配置开启)

1. flanneld在节点创建名为flannel1.1的虚拟网络接口作为网络隧道的VTEP设备
2. Flannel基于分布式网关模型, 将每个节点都视为到达该节点Pod子网的L2网关
3. 仅位于同一个L2之下的节点可使用直接路由(混合模式处理不同请求)

host-gw通信: 通过添加必要路由信息实现Pod在L2直接通信

1. host-gw通信要求所有节点都必须位于一个L2之下(不再有网络隧道)

如: host-gw通信流程

Flannel分配IP流程:

1. 预留个专用网络(默认为: 10.244.0.0/16)
2. 根据flanneld申请将专用网络划分为多个子网分配给每个节点作为Pod CIDR
3. 节点通过IPAM插件以host-local形式从Pod CIDR中分配IP
4. flanneld将子网和IP分配等信息存储于Etcd

Calico

Calico: 高性能容器通信和网络安全CNI插件

1. Calico基于L3解决网络通信, 并使节点通过BGP协议交换路由信息生成路由规则
2. Calico将每个节点上Pod组成的网络都视为个自治系统管理(虚拟网络)

BGP(Border Gateway Protocol): 基于路径矢量的路由协议

1. 限制: 所有设备都需位于同一个L2
2. 本质: 通过维护路由表/前缀表实现自治系统之间的可达性
3. BGP可实现去中心化的自治路由, 使多个自治系统之间相互协作

如: Calico通过BGP路由

1. 将每个节点视为虚拟路由器(vRouter), 并基于BGP协议生成路由规则
2. 将节点上的Pod都视为vRouter后的终端设备, 并分配个IP
3. 不同子网下的vRouter仍需基于VXLAN/IPIP通信

Calico基础构成组件

组件	说明
Felix	网络接口管理、路由规划、ACL规划和状态报告等核心功能 (各节点的守护进程)
BIRD (BGP Internet Routing Daemon)	BGP客户端 (节点守护进程将Felix生成的路由信息载入内核并广播)
Etcd	存储Calico状态数据 (Etcd也是Calico各组件的通信总线)
BGP Reflector	汇总/分发路由信息 (BGP由点对点变为与中心点单路通信模型)
编排系统插件	将Calico整合进所在的编排系统 (API转换)

如: Calico架构

IPIP: 基于IP报文的高性能网络隧道

1. 本质: IP包的二次封装以实现IP层虚拟网桥
2. IPIP封装后报文头非常小, 所以相较于VXLAN性能更好(安全性降低)
3. IPIP能需依靠BGP维护各节点间的可达性(生成到达各节点的路由信息)

如: IPIP网络隧道

如: Calico运行流程

CNI配置

CNI配置: 以插件组合形式实现CNI功能配置

1. CNI配置插件类别分为: main、ipam、meta
2. CNI配置需提供网络接口功能: ADD、DEL、CHECK、VERSION
3. kubelet以JSON格式解析调用CNI配置(可从磁盘读取或其他源动态生成)

常用CNI配置:

cniVersion: >      # CNI配置的语义版本
name: >            # CNI网络名称, 当前节点唯一
type: >            # CNI插件名称(kubelet在配置目录下查找并调用该可执行文件)
delegate: >        # 委派其他插件
args: [String]String> # 附加参数
ipMasq: >         # 是否启用IP伪装
ipam: >            # IPAM插件
  type: >          # IPAM插件名称(kubelet在配置目录下查找并调用该可执行文件)
  subnet: >        # 分配所基于的子网地址
  routes: >        # 路由信息
    dst: >         # 目标主机/网络
    gw: >          # 网关地址
dns: >             # 容器的DNS属性
  nameservers: <[]String> # DNS服务器列表
  domain: <[]String>      # 用于短格式主机查找的本地域
  search: <[]String>      # 用于短格式主机查找的优先级排序的搜索域列表
  options: <[]String>     # 传递给解析程序的选项列表

1. 可通过plugins字段定义多个CNI插件协作(按定义顺序调用)
2. CNI配置文件必须是conf、conflist、json后缀, 否则无法加载
3. 目录下存在多个CNI配置文件时, 则会根据文件名升序排序以加载排序后首个文件

内置实现

内置实现: Kubernetes内置实现部分CNI插件

1. 内置实现可参考源码: https://github.com/containernetworking/plugins

main: 维护容器网络接口

插件	说明
bridge	虚拟网桥 (将节点和其Pod接入网桥)
ipvlan	容器中添加个IP VLAN接口
macvlan	容器中添加个MAV VLAN接口 (创建个新MAC地址, 基于该MAC向容器转发报文)
loopback	配置容器lo接口状态
ptp	veth pair接口
vlan	分配个VLAN设备
host-device	将节点的网络接口分配给Pod

ipam: 分配给容器IP

插件	说明
dhcp	动态申请IP, 并需以租约续订 (每个节点需运行个dhcp守护进程以作为dhcp客户端)
host-local	基于本地IP地址数据库分配IP
static	分配静态IP

meta: 网络功能扩展(调用其他插件)

插件	说明
tuning	调正现存某接口的sysctl参数值
portmap	通过iptables将节点的端口映射至容器 (实现hostPort功能)
bandwidth	通过流量控制工具tbf实现带宽限制
sbr	配置基于源IP地址的路由
firewall	防火墙 (基于iptables/firewalld管理进出流量)