理解k8s的Flannel网络
此文始发于我的简书博客: k8s的Flannel网络,特此声明
引: 之前写过一篇文章介绍如何管理linux设备上的bridge(网桥)和docker bridge, 今天我们来看看k8s的网络模型。
我们先来看图示例，下面则个是k8s的网络模型图。
我们知道，在k8s里面最小的管理单元是pod，一个主机可以跑多个pod，一个pod里面可以跑多个容器。
如上面所示，一个pod里面所有的容器共享一个网络命名空间(network namespace)，所以，pod里面的容器之间通信，可以直接通过localhost来完成，pod里面的容器之间通过localhost+端口的方式来通信（这和应用程序在宿主机的通信方式是一样的）。
那么pod和pod之间的通信呢？通常来说，我们给应用程序定死端口会给应用程序水平扩展带来很多不便，所以k8s不会使用定死端口这样的方法，而是采用其他方法来解决pod之间寻址的问题
每个pod都会有一个自己的ip，可以将Pod像VM或物理主机一样对待。这样pod和pod之间的通信就不需要像容器一样，通过内外端口映射来通信了，这样就避免了端口冲突的问题。
特殊的情况下（比如运维做网络检测或者程序调试），可以在pod所在的宿主机想向pod的ip+端口发起请求，这些请求会转发到pod的端口，但是pod本身它自己是不知道端口的存在的。
因此，k8s的网络遵循以下原则：
- 一个节点的pod和其他节点的pod通信不需要通过做网络地址转换（NAT）
- 一个节点上所有的agent控制程序（如deamon和kubelet）可以和这个节点上的pod通信
- 节点主机网络中的Pod可以与其他所有节点上的所有Pod通信，而无需NAT
把上面这个pod替换成容器也是成立的，因为pod里面的容器和pod共享网络。
基本上的原则就是，k8s的里面的pod可以自由的和集群里面的任何其他pod通信（即使他们是部署在不同的宿主机），而且pod直接的通信是直接使用pod自己的ip来通信，他们不知道宿主机的ip，所以，对于pod之间来说，宿主机的网络信息是透明的，好像不存在一样。
然后，定了这几个原则之后，具体的实现k8s的这个网络模型有好多种实现，我们这里介绍的是Flannel，是其中最简单的一种实现。
Flannel实现pod之间的通信，是通过一种覆盖网络（overlay network），把数据包封装在另外一个网络来做转发，这个覆盖网络可以给每一个pod分配一个独立的ip地址，使他们看起来都是一台具有独立ip的物理主机一样。
下面这个就是k8s用覆盖网络来实现的一个例子：
可以看到有3个node，在多个node上建立一个覆盖网络，子网网段是100.95.0.0/16,然后，最终到容器级别，每个容器在这个网段里面获取到一个独立的ip。而宿主机所在的局域网络的网段是172.20.32.0/19
看这两个网段，就知道，fannel给这个集群创建了一个更大的网络给pod使用，可以容纳的主机数量达到65535（2^16）个。
对于每个宿主机，fannel给每个了一个小一点的网络100.96.x.0/24，提供给每个这个宿主机的每一个pod使用，也就是说，每一个宿主机可以有256(2^8)个pod。docker默认的网桥docker0用的就是这个网络，也就是所有的docker通过docker0来使用这个网络。即使说，对于容器来说，都是通过docker0这个桥来通信，和我们平常单机的容器是一样的（如果你不给创建的容器指定网络的话，默认用的是docker0，参考我以前写的关于docker bridge的文章）
那么，对于同一个host里面的容器通信，我们上面说了是通过这个台宿主机的里面的docker0这个网桥来通信。那对于跨宿主机，也即是两个宿主机之间的容器是怎么通信的呢？fannel使用了宿主机操作系统的kernel route和UDP（这是其中一种实现）包封装来完成。下图演示了这个通信过程：
如图所示，100.96.1.2(container-1) 要和100.96.2.3(container-2)通信，两个容器分别处于不同的宿主机。
假设有一个包是从100.96.1.2发出去给100.96.2.3，它会先经过docker0，因为docker0这个桥是所有容器的网关。 然后这个包会经过route table处理，转发出去到局域网172.20.32.0/19. 而这个route table的对应处理这类包的规则又是从哪里来的呢？它们是由fannel的一个守护程序flanneld创建的。
每一台宿主机都会跑一个flannel的deamon的进程，这个进程的程序会往宿主机的route table里面写入特定的路由规则，这个规则大概是这样的。
Node1的route table
1 | admin@ip-172-20-33-102:~$ ip route |
图例的数据包发出去的目标地址是100.96.2.3,它属于网段100.96.0.0/16,这个目标地址命中第二条规则，也就是这个包会发到flannel0这个设备（dev），这flannel0是一个TUN设备。是在内核里面的一个虚拟网络设备（虚拟网卡）。
在内核（kernel）里面，有两种虚拟网卡设备，分别是TUN和TAP,其中TAP处理的是第二层（数据链路层）的帧，而TUN处理的是第三层（网络层）的ip包。
应用程序可以绑定到TUN和TAP设备，内核会把数据通过TUN或者TAP设备发送给这些程序，反过来，应用程序也可以通过TUN和TAP向内核写入数据，进而由内核的路由处理这些发出去的数据包。
那么上面这个flannel0就是一个这样的TUN设备。这个设备连到的是一个flannel的守护进程程序flanneld
而这个flanneld是干嘛的呢？它可以接受所有发往flannel0这个设备的数据包，然后做数据封装处理，它的封装的逻辑也很简单，就是根据目标地址，找到这个这地址对应的在整个flannel网络里面对应物理ip和端口（这里是Node2对应的物理ip），然后增加一个包头，增加的包头里面目标地址为这个实际的物理ip和端口（当然源地址也改成了局域网络的ip），将原来的数据包嵌入在新的数据包中，然后再把这个封装后的包扔回去给内核，内核根据目标地址去路由规则匹配规则，发现目标地址ip是172.20.54.98,端口是8285. 根据ip匹配不到任何特定的规则，就用第一条default（默认）的规则，通过eth0这个物理网卡，把数据包发给局域网（这里是UDP广播出去）
当Node2的收到这个包后，然后根据端口8285发现他的目标地址原来是发给flanneld的，然后就直接交给flanneld这程序，flanneld收到包后，把包头去掉，发现原来目标地址是100.96.2.3，然后就交换flannel0，flannel0把这个解开后的原包交给内核，内核发现它的目标地址是100.96.2.3，应该交给docker0来处理。（图例里面画的是直接由flannel0交给docker0，没有图示出内核，实际上flannel0是一个TUN设备，是跑在内核的，数据经过它后可以交给内核，由内核根据路由决定进一步怎么forward）
以上就是这个通信的过程，那么这里有一个问题： flanneld是怎么知道100.96.2.3对应的目标地址是172.20.54.98:8285的呢？
这是因为flanneld维护了一个映射关系，它没创造一个虚拟的容器ip（分配给容器新ip的时候），它就知道这个容器的ip实际上是在哪台宿主机上，然后把这个映射关系存储起来，在k8s里面flanneld存储的这个映射关系放在etd上，这就是为什么flanneld为什么知道这个怎么去封装这些包了，下面就是etcd里面的数据的：
1 | admin@ip-172-20-33-102:~$ etcdctl ls /coreos.com/network/subnets |
看上面这个数据，etcd里面存储的100.96.2.0-24这个网段的容器是放在172.20.54.98这台宿主机上的。
那么还有一个问题，端口8285又是怎么知道的?
这个很简单，flanneld的默认监听的端口就是这个8285端口，flanneld启动的时候，就监听了UDP端口8285. 所以发给Node2：8285的所有UDP数据包会，flanneld这个进程会直接处理，如何去掉包头就还原出来原来的包了，还原后交给TUN设备flannel0,由flannel0交给内核，内核根据Node2的路由规则交给docker0（Node2的路由规则和node1是基本上一样的，除了第三位的网段标识不一样，一个是100.96.1一个是100.92.2）：
1 | admin@ip-172-20-54-98:~$ ip route |
看Node2的这个规则，flannld去掉包头解出来的原包的目标ip是100.96.2.3,由flannel0交回去给kennel，kennel发现命中第三条规则，所以会把这个包叫给docker0,继而就进入了docker0这个桥的子网了，接下去就是docker的事情了，参考以前写的文章。
最后一个问题，怎么配置docker去使用100.96.x.0/24这个子网呢，如果是手工创建容器的话，这个也是非常简单的，参考以前写的关于docker bridge的这篇文章，但是在k8s里面，是通过配置来实现的：
flanneld会把子网信息写到一个配置文件/run/flannel/subnet.env里
1 | admin@ip-172-20-33-102:~$ cat /run/flannel/subnet.env |
docker会使用这个配置的环境变了来作为它的bridge的配置
1 | dockerd --bip=$FLANNEL_SUBNET --mtu=$FLANNEL_MTU |
以上，就是k8s如何使用flannel网络来跨机器通信的原理，总体来讲，由于flanneld这个守护神干了所有的脏活累活（其实已经是k8s的网络实现里面最简单的一种了），使得pod和容器能够连接另外一个pod或者容器变得非常简单，就像连一个大局域网里面任意以太主机一样，他们只需要知道对方的虚拟ip就可以直接通信了，不需要做
NAT等复杂的规则处理。
那么性能怎么样？
新版本的flannel不推荐在生产环境使用UDP的包封装这种实现。只用它来做测试和调试用，因为它的性能表现和其他的实现比差一些。
看上面这个图解，一个upd包需要来回在用户空间(user space)和内核空间(kennel space)复制3次，这会大大增加网络开销。
官方的文档里面可以看到其他的包转发实现方式，可以进一步阅读,其中host-gw的性能比较好，它是在第二层去做数据包处理。