Kubernetes研究：网络原理及方案（网络原理基础经典版）

说到容器、Docker，大家一定会想到Kubernetes，确实如此，在2016年ClusterHQ容器技术应用调查报告显示，Kubernetes的使用率已经达到了40%，成为容器编排工具;那么Kubernetes到底是什么呢?它是一个用于容器集群的自动化部署、扩容以及运维的开源平台;那么通过Kubernetes能干什么呢?它能快速而有预期地部署你的应用，极速地扩展你的应用，无缝对接新的应用功能，节省资源，优化硬件资源的使用。

随着Kubernetes王者时代的到来，计算、网络、存储、安全是Kubernetes绕不开的话题，本次主要分享Kubernetes网络原理及方案，后续还会有Kubernetes其它方面的分享，另外有容云5.22发布了基于Kubernetes的容器云平台产品UFleet，想要获取新品试用，欢迎联系有容云。

一、Kubernetes网络模型

在Kubernetes网络中存在两种IP(Pod IP和Service Cluster IP)，Pod IP 地址是实际存在于某个网卡(可以是虚拟设备)上的，Service Cluster IP它是一个虚拟IP，是由kube-proxy使用Iptables规则重新定向到其本地端口，再均衡到后端Pod的。下面讲讲Kubernetes Pod网络设计模型：

1、基本原则：

每个Pod都拥有一个独立的IP地址(IPper Pod)，而且假定所有的pod都在一个可以直接连通的、扁平的网络空间中。

2、设计原因：

用户不需要额外考虑如何建立Pod之间的连接，也不需要考虑将容器端口映射到主机端口等问题。

3、网络要求：

所有的容器都可以在不用NAT的方式下同别的容器通讯;所有节点都可在不用NAT的方式下同所有容器通讯;容器的地址和别人看到的地址是同一个地址。

二、Docker网络基础

Linux网络名词解释：

1、网络的命名空间：Linux在网络栈中引入网络命名空间，将独立的网络协议栈隔离到不同的命令空间中，彼此间无法通信;docker利用这一特性，实现不容器间的网络隔离。

2、Veth设备对：Veth设备对的引入是为了实现在不同网络命名空间的通信。

3、Iptables/Netfilter：Netfilter负责在内核中执行各种挂接的规则(过滤、修改、丢弃等)，运行在内核 模式中;Iptables模式是在用户模式下运行的进程，负责协助维护内核中Netfilter的各种规则表;通过二者的配合来实现整个Linux网络协议栈中灵活的数据包处理机制。

4、网桥：网桥是一个二层网络设备,通过网桥可以将linux支持的不同的端口连接起来,并实现类似交换机那样的多对多的通信。

5、路由：Linux系统包含一个完整的路由功能，当IP层在处理数据发送或转发的时候，会使用路由表来决定发往哪里。

• Docker生态技术栈

下图展示了Docker网络在整个Docker生态技术栈中的位置：

• Docker网络实现

1、单机网络模式：Bridge 、Host、Container、None，这里具体就不赘述了。

2、多机网络模式：一类是 Docker 在 1.9 版本中引入Libnetwork项目，对跨节点网络的原生支持;一类是通过插件(plugin)方式引入的第三方实现方案，比如 Flannel，Calico 等等。

三、Kubernetes网络基础

1、容器间通信：

同一个Pod的容器共享同一个网络命名空间，它们之间的访问可以用localhost地址 + 容器端口就可以访问。

2、同一Node中Pod间通信：

同一Node中Pod的默认路由都是docker0的地址，由于它们关联在同一个docker0网桥上，地址网段相同，所有它们之间应当是能直接通信的。

3、不同Node中Pod间通信：

不同Node中Pod间通信要满足2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Pod可以互相访问。

4、Service介绍：

Service是一组Pod的服务抽象，相当于一组Pod的LB，负责将请求分发给对应的

Pod;Service会为这个LB提供一个IP，一般称为ClusterIP。

5、Kube-proxy介绍：

Kube-proxy是一个简单的网络代理和负载均衡器，它的作用主要是负责Service的实现，具体来说，就是实现了内部从Pod到Service和外部的从NodePort向Service的访问。

实现方式：

• userspace是在用户空间，通过kuber-proxy实现LB的代理服务，这个是kube-proxy的最初的版本，较为稳定，但是效率也自然不太高。
• iptables是纯采用iptables来实现LB，是目前kube-proxy默认的方式。

下面是iptables模式下Kube-proxy的实现方式：

在这种模式下，kube-proxy监视Kubernetes主服务器添加和删除服务和端点对象。对于每个服务，它安装iptables规则，捕获到服务的clusterIP(虚拟)和端口的流量，并将流量重定向到服务的后端集合之一。对于每个Endpoints对象，它安装选择后端Pod的iptables规则。

默认情况下，后端的选择是随机的。可以通过将service.spec.sessionAffinity设置为“ClientIP”(默认为“无”)来选择基于客户端IP的会话关联。

与用户空间代理一样，最终结果是绑定到服务的IP:端口的任何流量被代理到适当的后端，而客户端不知道关于Kubernetes或服务或Pod的任何信息。这应该比用户空间代理更快，更可靠。然而，与用户空间代理不同，如果最初选择的Pod不响应，则iptables代理不能自动重试另一个Pod，因此它取决于具有工作准备就绪探测。

6、Kube-dns介绍

Kube-dns用来为kubernetes service分配子域名，在集群中可以通过名称访问service;通常kube-dns会为service赋予一个名为“service名称.namespace.svc.cluster.local”的A记录，用来解析service的clusterip。

Kube-dns组件：

• 在Kubernetes v1.4版本之前由“Kube2sky、Etcd、Skydns、Exechealthz”四个组件组成。
• 在Kubernetes v1.4版本及之后由“Kubedns、dnsmasq、exechealthz”三个组件组成。 

Kubedns

• 接入SkyDNS，为dnsmasq提供查询服务。
• 替换etcd容器，使用树形结构在内存中保存DNS记录。
• 通过K8S API监视Service资源变化并更新DNS记录。
• 服务10053端口。

Dnsmasq

• Dnsmasq是一款小巧的DNS配置工具。
• 在kube-dns插件中的作用是：

1. 通过kubedns容器获取DNS规则，在集群中提供DNS查询服务
2. 提供DNS缓存，提高查询性能
3. 降低kubedns容器的压力、提高稳定性

• Dockerfile在GitHub上Kubernetes组织的contrib仓库中，位于dnsmasq目录下。
• 在kube-dns插件的编排文件中可以看到，dnsmasq通过参数–server=127.0.0.1:10053指定upstream为kubedns。

Exechealthz

• 在kube-dns插件中提供健康检查功能。
• 源码同样在contrib仓库中，位于exec-healthz目录下。
• 新版中会对两个容器都进行健康检查，更加完善。

四、Kubernetes网络开源组件

1、技术术语：

IPAM：IP地址管理;这个IP地址管理并不是容器所特有的，传统的网络比如说DHCP其实也是一种IPAM，到了容器时代我们谈IPAM，主流的两种方法： 基于CIDR的IP地址段分配地或者精确为每一个容器分配IP。但总之一旦形成一个容器主机集群之后，上面的容器都要给它分配一个全局唯一的IP地址，这就涉及到IPAM的话题。

Overlay：在现有二层或三层网络之上再构建起来一个独立的网络，这个网络通常会有自己独立的IP地址空间、交换或者路由的实现。

IPSesc：一个点对点的一个加密通信协议，一般会用到Overlay网络的数据通道里。

vxLAN：由VMware、Cisco、RedHat等联合提出的这么一个解决方案，这个解决方案最主要是解决VLAN支持虚拟网络数量(4096)过少的问题。因为在公有云上每一个租户都有不同的VPC，4096明显不够用。就有了vxLAN，它可以支持1600万个虚拟网络，基本上公有云是够用的。

网桥Bridge： 连接两个对等网络之间的网络设备，但在今天的语境里指的是Linux Bridge，就是大名鼎鼎的Docker0这个网桥。

BGP： 主干网自治网络的路由协议，今天有了互联网，互联网由很多小的自治网络构成的，自治网络之间的三层路由是由BGP实现的。

SDN、Openflow： 软件定义网络里面的一个术语，比如说我们经常听到的流表、控制平面，或者转发平面都是Openflow里的术语。

2、容器网络方案：

隧道方案( Overlay Networking )

隧道方案在IaaS层的网络中应用也比较多，大家共识是随着节点规模的增长复杂度会提升，而且出了网络问题跟踪起来比较麻烦，大规模集群情况下这是需要考虑的一个点。

• Weave：UDP广播，本机建立新的BR，通过PCAP互通
• Open vSwitch(OVS)：基于VxLan和GRE协议，但是性能方面损失比较严重
• Flannel：UDP广播，VxLan
• Racher：IPsec

路由方案

路由方案一般是从3层或者2层实现隔离和跨主机容器互通的，出了问题也很容易排查。

Calico：基于BGP协议的路由方案，支持很细致的ACL控制，对混合云亲和度比较高。

Macvlan：从逻辑和Kernel层来看隔离性和性能最优的方案，基于二层隔离，所以需要二层路由器支持，大多数云服务商不支持，所以混合云上比较难以实现。

3、CNM & CNI阵营：

容器网络发展到现在，形成了两大阵营，就是Docker的CNM和Google、CoreOS、Kuberenetes主导的CNI。首先明确一点，CNM和CNI并不是网络实现，他们是网络规范和网络体系，从研发的角度他们就是一堆接口，你底层是用Flannel也好、用Calico也好，他们并不关心，CNM和CNI关心的是网络管理的问题。

CNM(Docker LibnetworkContainer Network Model):

Docker Libnetwork的优势就是原生，而且和Docker容器生命周期结合紧密;缺点也可以理解为是原生，被Docker“绑架”。

• Docker Swarm overlay
• Macvlan & IP networkdrivers
• Calico
• Contiv
• Weave

CNI(Container NetworkInterface)：

CNI的优势是兼容其他容器技术(e.g. rkt)及上层编排系统(Kubernetes & Mesos)，而且社区活跃势头迅猛，Kubernetes加上CoreOS主推;缺点是非Docker原生。

• Kubernetes
• Weave
• Macvlan
• Calico
• Flannel
• Contiv
• Mesos CNI

4、Flannel容器网络：

Flannel之所以可以搭建kubernets依赖的底层网络，是因为它可以实现以下两点：

• 它给每个node上的docker容器分配相互不想冲突的IP地址;
• 它能给这些IP地址之间建立一个覆盖网络，同过覆盖网络，将数据包原封不动的传递到目标容器内。

Flannel介绍

• Flannel是CoreOS团队针对Kubernetes设计的一个网络规划服务，简单来说，它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。
• 在默认的Docker配置中，每个节点上的Docker服务会分别负责所在节点容器的IP分配。这样导致的一个问题是，不同节点上容器可能获得相同的内外IP地址。并使这些容器之间能够之间通过IP地址相互找到，也就是相互ping通。
• Flannel的设计目的就是为集群中的所有节点重新规划IP地址的使用规则，从而使得不同节点上的容器能够获得“同属一个内网”且”不重复的”IP地址，并让属于不同节点上的容器能够直接通过内网IP通信。
• Flannel实质上是一种“覆盖网络(overlaynetwork)”，也就是将TCP数据包装在另一种网络包里面进行路由转发和通信，目前已经支持udp、vxlan、host-gw、aws-vpc、gce和alloc路由等数据转发方式，默认的节点间数据通信方式是UDP转发。 

5、Calico容器网络：

Calico介绍

• Calico是一个纯3层的数据中心网络方案，而且无缝集成像OpenStack这种IaaS云架构，能够提供可控的VM、容器、裸机之间的IP通信。Calico不使用重叠网络比如flannel和libnetwork重叠网络驱动，它是一个纯三层的方法，使用虚拟路由代替虚拟交换，每一台虚拟路由通过BGP协议传播可达信息(路由)到剩余数据中心。
• Calico在每一个计算节点利用Linux Kernel实现了一个高效的vRouter来负责数据转发，而每个vRouter通过BGP协议负责把自己上运行的workload的路由信息像整个Calico网络内传播——小规模部署可以直接互联，大规模下可通过指定的BGP route reflector来完成。
• Calico节点组网可以直接利用数据中心的网络结构(无论是L2或者L3)，不需要额外的NAT，隧道或者Overlay Network。
• Calico基于iptables还提供了丰富而灵活的网络Policy，保证通过各个节点上的ACLs来提供Workload的多租户隔离、安全组以及其他可达性限制等功能。

Calico架构图

五、网络开源组件性能对比分析

性能对比分析：