kubernetes flannel之Vxlan原理

kubernetes网络通信

• 容器间的通信 pod内的容器通信（lo）

• Pod之间的通信 pod IP <—–> pod IP（flannel、calico）
• Pod与Service之间的通信 podIP <—–> ClusterIP（iptables、ipvs）
• Service与集群外部的通信 ClusterIP <—–> 集群外部

CNI插件：

• flannel

• calico
• canel
• kube-router

Flannel

Flannel本身是一个框架，真正提供网络功能是他的后端实现。目前支持三种后端实现：

• VXLAN
• host-gw
• UDP
  注释：只要有kubelet的节点就要安装flannel网络，因为这是pod和pod间通讯用的。

从图里看每个宿主机都有一个flannel1的设备，就是VXLAN所需的VTEP设备（就是flannel1“用于VXLAN报文的封装和解封装”），它既有IP地址也有MAC地址。现在我们是container1 访问 container2，当container1发出请求后，这个目的的地址是10.244.1.3的IP包，会先出现在cni0网桥，然后被路由到本机flanner1设备上处理，也就是说，来到了“隧道”的出口。既目的宿主机的VTEP设备（就是flannel1 设备）。

当所有Node启动后，我们可以在Node1 上可以看到多个flannel1 网卡的路由信息，是因为flanneld启动后创建的。

[root@node-0 ~]# ifconfig
flannel.1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.244.0.0  netmask 255.255.255.255  broadcast 0.0.0.0
        ether 8a:bf:bf:7e:b7:f6  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 28929  bytes 1676230 (1.5 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 12085  bytes 42372533 (40.4 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

[root@node-0 ~]# route -n 
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
...
10.244.1.0      10.244.1.0      255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
....

从上图看到10.244.1.0就是Node2的VTEP设备（flannel1）的IP地址，而这些VTEP设备之间通讯就需要想办法组成一个虚拟的二层网络，既：通过二层数据帧进行通信，而Node1上的VTEP设备收到原始报文后,就要想办法把原始报文加一个目的MAC地址，封装成二层数据帧，然后发送给目的VTEP设备。这里需要解决一个问题目的VTEP设备的MAC地址是什么？

根据路由表信息我们知道了目的VTEP设备的IP地址，而根据三层IP地址查询二层MAC地址正是ARP表的功能。而这里用ARP表的记录，也就是flanneld进程在Node2节点启动时，自动添加到Node1上的。如下：

[root@node-0 ~]# ip neigh show dev flannel.1
10.244.1.0 lladdr b2:ba:aa:a5:10:1a PERMANENT

有了这个MAC地址linux内核就可以开始二层封装了，上面提到的MAC地址，对宿主机的二层网络没有任何意义，所以上述封装的数据帧不能在宿主机的二层网络里传输，为了方便概述，我们把上述数据帧称为内部数据帧。所以Linux内核还要把内部数据帧进一步封装成宿主机网络的一个普通数据帧，好让他载着内部数据帧，通过eth0网卡进行传输。这次封装我们称为外部数据帧，为了实现这个搭便车的机制，Linux内核在封装内部数据帧前面，加上特殊的VXLAN头，用来表示这个乘客实际上是VXLAN使用的数据帧。而这个VXLAN头里有一个重要的标志VNI，它是识别某个数据帧是不是应该归属自己处理的标志。而flannel中，VNI的值是1，这也是为什么宿主机的VTEP设备都叫做flannel1的原因。这个时候linux内核会把这数据帧封装一个UDP报文在转发出去。虽然node1的flannel1知道node2的flannel2的MAC地址，但是不知道node2MAC的地址，也就是UDP该发往那台主机，实际上flannel1还要扮演一个网桥的角色，在二层网络进行UDP转发，而在Linux内核里面，网桥设备进行转发的依据来自FDB的转发数据库。这个flannel网桥对应的FDB信息，就是flannel进程维护的，他的内容如下：

[root@node-0 ~]# bridge fdb show flannel.1  | grep b2:ba:aa:a5:10:1a
b2:ba:aa:a5:10:1a dev flannel.1 dst 172.16.138.41 self permanent

我们可以看到发往的IP地址是172.16.138.41的主机，显然这台主机就是 Node2,UDP要转发的目的也找到了。接下来就是宿主机网络封包的过程了。

下面让我们来看看，当有一个EventAdded到来时，flanneld如何进行配置，以及封包是如何在flannel网络中流动的。

如上图所示，当主机B加入flannel网络时，它会将自己的subnet 10.1.16.0/24和Public IP 192.168.0.101写入etcd中，它还会将vtep设备flannel.1的mac地址也写入etcd中。

之后，主机A会得到EventAdded事件，并从中获取主机B添加至etcd的各种信息。这个时候，它会在本机上添加三条信息：

• 路由信息：所有通往目的地址10.1.16.0/24的封包都通过vtep设备flannel.1设备发出，发往的网关地址为10.1.16.0，即主机B中的flannel.1设备。

[root@node-0 ~]# ip route list
...
10.1.16.0/24 via 10.1.16.0 dev flannel.1 onlink 
...

• fdb信息：MAC地址为flannel的mac地址，发往10.1.16.0的数据包都将通过vxlan首先发往目的地址192.168.0.101，即主机B

[root@node-0 bin]#  ip neigh show dev flannel.1
10.1.16.0 lladdr b2:ba:aa:a5:10:1a PERMANENT

[root@node-0 bin]#  bridge fdb show flannel.1  | grep b2:ba:aa:a5:10:1a
b2:ba:aa:a5:10:1a dev flannel.1 dst 192.168.0.101 self permanent

• arp信息：网关地址10.1.16.0的MAC地址为flannel的mac地址

[root@node-0 bin]# arp -v
Address                  HWtype  HWaddress           Flags Mask            Iface
...
10.1.16.0               ether   b2:ba:aa:a5:10:1a   CM                    flannel.1
...

参数说明：

• Network flannel使用CIDR格式（10.244.0.0/16）的网络地址，用于为pod的配置网络功能
• SubnetLen表示每个主机分配的subnet大小，我们可以在初始化时对其指定，否则使用默认配置。在默认配置的情况下SubnetLen配置为24（表示24位子网掩码）。

• SubnetMin是集群网络地址空间中最小的可分配的subnet，可以手动指定，否则默认配置为集群网络地址空间中第一个可分配的subnet。例如对于”10.1.0.0/16″，当SubnetLen为24时，第一个可分配的subnet为”10.1.1.0/24″。
• SubnetMax表示最大可分配的subnet，对于”10.1.0.0/16″，当subnetLen为24时，SubnetMax为”10.1.255.0/24″
• Backend.Type 为flannel指定使用的backend的类型，类型分三种：vxlan、host-gw、udp，如未指定，则默认为“vxlan”
• –ip-masq=true 为网桥上的IP地址开启IP伪装(代表需要为其配置SNAT)
  注意：Backend为vxlan时，其中会存储vtep设备的mac地址至etcd中