Openvswitch GRE实现Kubernetes网络模型

1. 前言

Kubernetes设计了一种特别的网络模型，其跟原生Docker网络模型有些偏离。在这种设计中，Kubernetes定义了一个抽象概念:Pod, 每个Pod是一系列容器的集合，而且有一个共享IP，所有容器共享相同的网络命名空间。Pod不仅可以与物理机器间通信，而且还可以使跨网络间容器能通信。Kubernetes的这种IP-per-pod的设计思想有很多好处，比如：从端口分配、网络、命名、服务发现、负载均衡、应用程序配置以及迁移方面来看，这种模型使得开发人员、运维人员可以把Pod当做一个虚拟机或者是物理机，有很好的后向兼容能力。当前Google在它的云平台GCE上实现了这种IP-per-pod模型，但是如果在本地使用Kubernetes，那就得自己实现这种模型，本文主要讲述就如何使用Openvswitch GRE实现这种模型。

2. 实现方案

本文用2台主机运行CentOS 7, 实现可如下图描述：

2.1 安装Docker

安装步骤参照如下脚本：

#Docker默认配置文件
DOCKER_CONFIG=/etc/sysconfig/docker

#下载最新Docker安装文件
wget https://get.docker.com/builds/Linux/x86_64/docker-latest -O /usr/bin/docker
chmod +x /usr/bin/docker

#配置Docker unit文件
cat <<EOF >/usr/lib/systemd/system/docker.socket
[Unit]
Description=Docker Socket for the API

[Socket]
ListenStream=/var/run/docker.sock
SocketMode=0660
SocketUser=root
SocketGroup=docker

[Install]
WantedBy=sockets.target
EOF

source $DOCKER_CONFIG
cat <<EOF >/usr/lib/systemd/system/docker.service
[Unit]
Description=Docker Application Container Engine
Documentation=http://docs.docker.com
After=network.target docker.socket
Requires=docker.socket

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=-$DOCKER_CONFIG
ExecStart=/usr/bin/docker -d $OPTIONS
LimitNOFILE=1048576
LimitNPROC=1048576

[Install]
Also=docker.socket
EOF

systemctl daemon-reload
systemctl enable docker
systemctl start docker

2.2 安装Openvswitch

下载Openvswitch并安装：

wget http://cbs.centos.org/kojifiles/packages/openvswitch/2.3.1/2.el7/x86_64/openvswitch-2.3.1-2.el7.x86_64.rpm                    
rpm -ivh openvswitch-2.3.1-2.el7.x86_64.rpm

systemctl start openvswitch
systemctl enable openvswitch

2.3 设置Docker默认网桥

在这里，我们按下面的步骤新建一个Linux网桥localbr0并替换默认网桥docker0，

#停止Docker Daemon进程
systemctl stop docker.socket
systemctl stop docker

#设置默认网桥docker0为down，并删除
ip link set dev docker0 down
brctl delbr docker0

#新建Linux网桥localbr0
brctl addbr localbr0

#在每台主机上更改10.244.x.0/24，下面设置localbr0地址如：
#10.224.106.127
ip addr add 10.244.1.1/24 dev localbr0
#10.224.106.128
ip addr add 10.244.2.1/24 dev localbr0
ip link set dev localbr0 up

echo 'OPTIONS="--bridge localbr0 --iptables=false"'>>/etc/sysconfig/docker
systemctl start docker

2.4 设置Openvswitch网桥及GRE

#新建Openvswitch网桥
ovs-vsctl add-br ovsbr

#启用SPT协议防止网桥环路
ovs-vsctl set bridge ovsbr stp_enable=true

#添加ovsbr到本地localbr0，使得容器流量通过OVS流经tunnel
brctl addif localbr0 ovsbr
ip link set dev ovsbr up

#创建GRE
ovs-vsctl add-port ovsbr tep0 -- set interface tep0 type=internal

#需在每个主机上修改tep0 IP地址
ip addr add 192.168.1.1/24 dev tep0
ip addr add 192.168.1.2/24 dev tep0
ip link set dev tep0 up

#使用GRE隧道连接每个主机上的Openvswitch网桥
#10.224.106.127
ovs-vsctl add-port ovsbr gre0 -- set interface gre0 type=gre options:remote_ip=10.224.106.128

#10.224.106.128
ovs-vsctl add-port ovsbr gre0 -- set interface gre0 type=gre options:remote_ip=10.224.106.127

#配置路由使得跨主机间容器的通信
ip route add 10.244.0.0/16 dev tep0

#为了使得容器访问Internet，在两台主机上配置NAT
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.244.0.0/16 -o ens192 -j MASQUERADE

2.5 验证

完成了以上的操作，这时以下应该能正常工作：

1. 可以相互ping tep0的地址

   [root@minion-1 ~]# ping 192.168.1.2
   PING 192.168.1.2 (192.168.1.2) 56(84) bytes of data.
   64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.929 ms
   64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.642 ms
   64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.322 ms
   64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.366 ms
   ^C
   --- 192.168.1.2 ping statistics ---
   4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3000ms
   rtt min/avg/max/mdev = 0.322/0.564/0.929/0.245 ms

2. 可以相互ping localbr0的地址

   [root@minion-1 ~]# ping 10.244.2.1
   PING 10.244.2.1 (10.244.2.1) 56(84) bytes of data.
   64 bytes from 10.244.2.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.927 ms
   64 bytes from 10.244.2.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.337 ms
   64 bytes from 10.244.2.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.409 ms
   ^C
   --- 10.244.2.1 ping statistics ---
   3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2000ms
   rtt min/avg/max/mdev = 0.337/0.557/0.927/0.264 ms

3. 两台主机上容器可以相互ping通

   在主机10.224.106.127和10.224.106.128上执行如下命令运行一个新的容器：

   docker run -ti ubuntu /bin/bash

   然后10.224.106.127的容器ping 10.224.106.128的容器，

   root@e38da4440eaf:/# ping 10.244.2.3
   PING 10.244.2.3 (10.244.2.3) 56(84) bytes of data.
   64 bytes from 10.244.2.3: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.781 ms
   64 bytes from 10.244.2.3: icmp_seq=2 ttl=63 time=0.404 ms
   ^C
   --- 10.244.2.3 ping statistics ---
   2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1000ms
   rtt min/avg/max/mdev = 0.404/0.592/0.781/0.190 ms

   从10.224.106.128的容器ping 10.224.106.127的容器。

   root@37b272af0d09:/# ping 10.244.1.3
   PING 10.244.1.3 (10.244.1.3) 56(84) bytes of data.
   64 bytes from 10.244.1.3: icmp_seq=1 ttl=63 time=1.70 ms
   64 bytes from 10.244.1.3: icmp_seq=2 ttl=63 time=0.400 ms
   ^C
   --- 10.244.1.3 ping statistics ---
   2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1001ms
   rtt min/avg/max/mdev = 0.400/1.054/1.708/0.654 ms

3. 结论

本文通过Openvswitch GRE实现Kubernetes网络模型，但是如果在大规模系统中，此方法显得有点笨拙。例如，如果系统有n台主机，且它们之间需要通信，则需建立n(n-1)/2条GRE隧道，虽然可以通过启用SPT协议防止网桥环路，但维护n(n-1)/2条隧道仍然工作量很大。所以接下来考虑如何能自动化实现。

4. 参考资料

1. https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes/blob/master/docs/design/networking.md

2. https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes/blob/master/docs/ovs-networking.md

3. https://docs.docker.com/installation/centos/

4. https://goldmann.pl/blog/2014/01/21/connecting-docker-containers-on-multiple-hosts/

5. 作者简介

杨章显，现就职于Cisco，主要从事WebEx SaaS服务运维，系统性能分析等工作。特别关注云计算，自动化运维，部署等技术，尤其是Go、OpenvSwitch、Docker及其生态圈技术，如Kubernetes、Flocker等Docker相关开源项目。Email: [email protected]