Kubernetes研究：图解Kubernetes网络

你一直在Kubernetes集群中运行一系列服务并已从中获益，或者你正打算这么做。尽管有一系列工具能帮助你建立并管理集群，你仍困惑于集群底层是如何工作的，以及出现问题该如何处理。我曾经就是这样的。

诚然Kubernetes对初学者来说已足够易用，但我们仍然不得不承认，它的底层实现异常复杂。Kubernetes由许多部件组成，如果你想对失败场景做好应对准备，那么你必须知道各部件是如何协调工作的。其中一个最复杂，甚至可以说是最关键的部件就是网络。因此我着手精确理解Kubernetes网络是如何工作的。我阅读了许多文章，看了很多演讲，甚至浏览了代码库。以下就是我的所得。

Kubernetes网络模型核心点是，Kubernetes网络有一个重要的基本设计原则：每个Pod拥有唯一的IP。这个Pod IP被该Pod内的所有容器共享，并且其它所有Pod都可以路由到该Pod。你可曾注意到，你的Kubernetes节点上运行着一些"pause"容器?

它们被称作“沙盒容器(sandbox containers)"，其唯一任务是保留并持有一个网络命名空间(netns)，该命名空间被Pod内所有容器共享。

通过这种方式，即使一个容器死掉，新的容器创建出来代替这个容器，Pod IP也不会改变。这种IP-per-pod模型的巨大优势是，Pod和底层主机不会有IP或者端口冲突。我们不用担心应用使用了什么端口。这点满足后，Kubernetes唯一的要求是，这些Pod IP可被其它所有Pod访问，不管那些Pod在哪个节点。

节点内通信第一步是确保同一节点上的Pod可以相互通信，然后可以扩展到跨节点通信、internet上的通信，等等。

Kubernetes Node(root network namespace)在每个Kubernetes节点(本场景指的是Linux机器)上，都有一个根(root)命名空间(root是作为基准，而不是超级用户)--root netns。最主要的网络接口 eth0 就是在这个root netns下。

Kubernetes Node(pod network namespace)类似的，每个Pod都有其自身的netns，通过一个虚拟的以太网对连接到root netns。这基本上就是一个管道对，一端在root netns内，另一端在Pod的nens内。我们把Pod端的网络接口叫 eth0，这样Pod就不需要知道底层主机，它认为它拥有自己的根网络设备。另一端命名成比如 vethxxx。你可以用ifconfig 或者 ip a 命令列出你的节点上的所有这些接口。

Kubernetes Node(linux network bridge)节点上的所有Pod都会完成这个过程。这些Pod要相互通信，就要用到linux的以太网桥 cbr0 了。Docker使用了类似的网桥，称为docker0。你可以用 brctl show 命令列出所有网桥。

Kubernetes Node(same node pod-to-pod communication)假设一个网络数据包要由pod1到pod2。

它由pod1中netns的eth0网口离开，通过vethxxx进入root netns。

然后被传到cbr0，cbr0使用ARP请求，说“谁拥有这个IP”，从而发现目标地址。

vethyyy说它有这个IP，因此网桥就知道了往哪里转发这个包。

数据包到达vethyyy，跨过管道对，到达pod2的netns。这就是同一节点内容器间通信的流程。

当然也可以用其它方式，但是无疑这是最简单的方式，同时也是Docker采用的方式。节点间通信正如我前面提到，Pod也需要跨节点可达。Kubernetes不关心如何实现。我们可以使用L2(ARP跨节点)，L3(IP路由跨节点，就像云提供商的路由表)，Overlay网络，或者甚至信鸽。无所谓，只要流量能到达另一个节点的期望Pod就好。每个节点都为Pod IPs分配了唯一的CIDR块(一段IP地址范围)，因此每个Pod都拥有唯一的IP，不会和其它节点上的Pod冲突。大多数情况下，特别是在云环境上，云提供商的路由表就能确保数据包到达正确的目的地。我们在每个节点上建立正确的路由也能达到同样的目的。许多其它的网络插件通过自己的方式达到这个目的。

这里我们有两个节点，与之前看到的类似。每个节点有不同的网络命名空间、网络接口以及网桥。

Kubernetes Nodes with route table(cross node pod-to-pod communication)假设一个数据包要从pod1到达pod4(在不同的节点上)。它由pod1中netns的eth0网口离开，通过vethxxx进入root netns。然后被传到cbr0，cbr0通过发送ARP请求来找到目标地址。

本节点上没有Pod拥有pod4的IP地址，因此数据包由cbr0 传到 主网络接口 eth0。数据包的源地址为pod1，目标地址为pod4，它以这种方式离开node1进入电缆。路由表有每个节点的CIDR块的路由设定，它把数据包路由到CIDR块包含pod4的IP的节点。因此数据包到达了node2的主网络接口eth0。现在即使pod4不是eth0的IP，数据包也仍然能转发到cbr0，因为节点配置了IP forwarding enabled。节点的路由表寻找任意能匹配pod4 IP的路由。它发现了 cbr0 是这个节点的CIDR块的目标地址。你可以用route -n命令列出该节点的路由表，它会显示cbr0的路由，类型如下：

网桥接收了数据包，发送ARP请求，发现目标IP属于vethyyy。数据包跨过管道对到达pod4。这就是Kubernetes网络的基础。下次你碰到问题，务必先检查这些网桥和路由表。前面我们漫谈了Kubernetes的网络模型。

我们观察了数据包是如何在同一节点上的pod 间和跨节点的 pod 间流动的。我们也注意到了Linux网桥和路由表在这个过程中所扮演的角色。现在我们将进一步阐述这些概念，并阐述Overlay网络是如何工作的。我们也将理解Kubernetes千变万化的Pod是如何从运行的应用中抽象出来，并在幕后处理的。

Overlay 网络Overlay网络不是默认必须的，但是它们在特定场景下非常有用。比如当我们没有足够的IP空间，或者网络无法处理额外路由，抑或当我们需要Overlay提供的某些额外管理特性。一个常见的场景是当云提供商的路由表能处理的路由数是有限制时。例如，AWS路由表最多支持50条路由才不至于影响网络性能。因此如果我们有超过50个Kubernetes节点，AWS路由表将不够。这种情况下，使用Overlay网络将帮到我们。

本质上来说，Overlay就是在跨节点的本地网络上的包中再封装一层包。你可能不想使用Overlay网络，因为它会带来由封装和解封所有报文引起的时延和复杂度开销。通常这是不必要的，因此我们应当在知道为什么我们需要它时才使用它。

为了理解Overlay网络中流量的流向，我们拿Flannel做例子，它是CoreOS 的一个开源项目。

Kubernetes Node with route table(cross node pod-to-pop Traffic flow with flannel overlay network)这里我们注意到它和之前我们看到的设施是一样的，只是在root netns中新增了一个虚拟的以太网设备，称为flannel0。它是虚拟扩展网络Virtual Extensible LAN(VXLAN)的一种实现，但是在Linux上，它只是另一个网络接口。从pod1到pod4(在不同节点)的数据包的流向类似如下：

1、它由pod1中netns的eth0网口离开，通过vethxxx进入root netns。

2、然后被传到cbr0，cbr0通过发送ARP请求来找到目标地址。

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• a、由于本节点上没有Pod拥有pod4的IP地址，因此网桥把数据包发送给了flannel0，因为节点的路由表上flannel0被配成了Pod网段的目标地址。
• b、flanneld daemon和Kubernetes apiserver或者底层的etcd通信，它知道所有的Pod IP，并且知道它们在哪个节点上。因此Flannel创建了Pod IP和Node IP之间的映射(在用户空间)。flannel0取到这个包，并在其上再用一个UDP包封装起来，该UDP包头部的源和目的IP分别被改成了对应节点的IP，然后发送这个新包到特定的VXLAN端口(通常是8472)。

• Packet-in-packet encapsulation(notice the packet is encapsulated from 3c to 6b in previous diagram)尽管这个映射发生在用户空间，真实的封装以及数据的流动发生在内核空间，因此仍然是很快的。
• c、封装后的包通过eth0发送出去，因为它涉及了节点间的路由流量。

4、包带着节点IP信息作为源和目的地址离开本节点。

5、云提供商的路由表已经知道了如何在节点间发送报文，因此该报文被发送到目标地址node2。

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• a、包到达node2的eth0网卡，由于目标端口是特定的VXLAN端口，内核将报文发送给了 flannel0。
• b、flannel0解封报文，并将其发送到 root 命名空间下。从这里开始，报文的路径和我们之前在Part 1 中看到的非Overlay网络就是一致的了。
• c、由于IP forwarding开启着，内核按照路由表将报文转发给了cbr0。

7、网桥获取到了包，发送ARP请求，发现目标IP属于vethyyy。

8、包跨过管道对到达pod4。这就是Kubernetes中Overlay网络的工作方式，虽然不同的实现还是会有细微的差别。有个常见的误区是，当我们使用Kubernetes，我们就不得不使用Overlay网路。事实是，这完全依赖于特定场景。因此请确保在确实需要的场景下才使用。在前一部分我们学习了Kubernetes网络的基础知识。现在我们知道了Overlay网络是如何工作的。在下一部分，我们将看到Pod创建和删除过程中网络变化是如何发生的，以及出站和进站流量是如何流动的。