深入理解kubernetes（k8s）网络原理之五-flannel原理

2021-09-03 17:46:17 浏览数 (1)

深入理解kubernetes（k8s）网络原理之五-flannel原理

flannel有udp、vxlan和host-gw三种模式，udp模式因为性能较低现在已经比较少用到，host-gw我们在前面简单介绍过，因为使用场景比较受限，所以vxlan模式是flannel使用最多的模式，本章我们来介绍一下vxlan模式的原理。

我们在第三篇文章中已经详细介绍过vxlan如何完成跨主机pod通信，所以在这我们主要介绍flannel的几个组件的工作原理，最后也会简要介绍一下udp模式。

在vlan模式下，每个节点会有一个符合cni规范的二进制可执行文件flannel（下面简称flannel-cni），一个以k8s的daemonset方式运行的kube-flannel，下面来分别介绍下它们是干啥的：

flannel-cni

flannel文件存放在每个节点的/opt/cni/bin目录下，这个目录下还有cni官方默认提供的其它插件，这些cni插件分为三类：

  • ipam，负责地址分配，主要有：host-local、dhcp、static
  • main，负责主机和容器网络的编织，主要有：bridge、ptp、ipvlan、macvlan、host-device、
  • meta，其它，主要有：flannel、bandwidth、firewall、portmap、tuning、sbr

这些文件是我们在安装kubeadm和kubelet时自动安装的，如果发现这个目录为空，也可以用下面的命令手动安装：

代码语言：txt复制
yum install kubernetes-cni -y

这个文件不做具体的容器网络编织的工作，而是生成其它cni插件需要的配置文件，然后调用其它的cni插件（通常是bridge和host-local），完成主机内容器到主机的网络互通，这个flannel-cni文件的源码已经不在flannel项目上了，而是在cni的plugins中，地址如下：

https://github.com/containernetworking/plugins/tree/master/plugins/meta/flannel

flannel-cni工作流程

kubelet创建一个pod时，先会创建一个pause容器，然后用pause容器的网络命名空间为入参（类似：/var/run/docker/netns/xxxx，用docker inspect nginx|grep Sandbox能获取到），加上其它一些参数，调用/etc/cni/net.d/目录下的配置文件指定的cni插件，内容如下：

代码语言：txt复制
cat /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist

{
  "name": "cbr0",
  "cniVersion": "0.3.1",
  "plugins": [
    {
      "type": "flannel",
      "delegate": {
        "hairpinMode": true,
        "isDefaultGateway": true
      }
    },
    {
      "type": "portmap",
      "capabilities": {
        "portMappings": true
      }
    }
  ]
}

这个配置文件是kube-flannel启动时复制进去的，我们编写cni时也要生成这个文件

这个文件中指定的cni插件叫flannel，于是kubelet就调用了/opt/cni/bin/flannel文件，这个文件先会读取/run/flannel/subnet.env文件，里面主要包含当前节点的子网信息，内容如下：

代码语言：txt复制
cat /run/flannel/subnet.env

FLANNEL_NETWORK=10.244.0.0/16
FLANNEL_SUBNET=10.244.1.1/24
FLANNEL_MTU=1450
FLANNEL_IPMASQ=true

这个文件也是kube-flannel启动时写入的

flannel读取该文件内容后，紧接着会生成一个符合cni标准的配置文件，内容如下：

代码语言：txt复制
{
  "cniVersion": "0.3.0",
  "name": "networks",
  "type": "bridge",
  "bridge": "cni0",
  "isDefaultGateway": true,
  "ipam": {
    "type": "host-local",
    "subnet": "10.244.1.0/24",
    "dataDir": "/var/lib/cni/",
    "routes": [{ "dst": "0.0.0.0/0" }]
  }
}

其实可以一步到位，直接生成这个格式的文件放在/etc/cni/net.d/目录下，flannel这样处理应该是为了节点子网发生变化时不用重启kubelet吧

然后像kubelet调用flannel的方式一样调用另一个cni插件bridge，并把上面的配置文件的内容用标准输入的方式传递过去，调用方式如下：

代码语言：txt复制
echo '{ "cniVersion": "0.3.0", "name": "network", "type":"bridge","bridge":"cni0", "ipam":{"type":"host-local","subnet": "10.244.1.0/24","dataDir": "/var/lib/cni/","routes": [{ "dst": "0.0.0.0/0" }]}}' | CNI_COMMAND=ADD
CNI_CONTAINERID=xxx 
CNI_NETNS=/var/run/docker/netns/xxxx 
CNI_IFNAME=xxx 
CNI_ARGS='IgnoreUnknown=1;K8S_POD_NAMESPACE=applife;K8S_POD_NAME=redis-59b4c86fd9-wrmr9' 
CNI_PATH=/opt/cni/bin/ 
./bridge

后面我们动手编写cni插件时，可以用上述的方式来模拟kubelet调用cni，这样测试会方便很多

剩余的工作就会由/opt/cni/bin/bridge插件完成，它会：

  • 在主机上创建一个名为cni0的linux bridge，然后把子网的第一个地址（如示例中：10.244.1.1）绑到cni0上，这样cni0同时也是该节点上所有pod的默认网关；
  • 在主机上创建一条主机路由：ip route add 10.244.1.0/24 dev cni0 scope link src 10.244.1.1，这样一来，节点到本节点所有的pod就都会走cni0了；
  • 创建veth网卡对，把一端插到新创建的pod的ns中，另一端插到cni0网桥上；
  • 在pod的ns为刚刚创建的veth网卡设置IP，IP为host-local分配的值，默认网关设置为cni0的IP地址：10.244.1.1；
  • 设置网卡的mtu，这个很关键，跟使用哪种跨节点通信方案相关，如果使用vxlan，一般就是1460，如果是host-gw，就是1500；

然后pod到主机、同主机的pod的通信就完成了，这就是flannel-cni完成的工作，只负责同节点pod的通信，对于跨节点pod通信由kube-flannel完成。

host-local是以写本地文件的方式来标识哪些IP已经被占用，它会在/var/lib/cni/network/host-local/（这个目录其实是上面的dataDir参数指定的）目录下生成一些文件，文件名为已分配的IP，文件内容为使用该IP的容器ID，有一个指示当前已分配最新的IP的文件。

kube-flannel

kube-flannel以k8s的daemonset方式运行，主要负责编织跨节点pod通信，启动后会完成以下几件事情：

  • 启动容器会把/etc/kube-flannel/cni-conf.json文件复制到/etc/cni/net.d/10-flannel.conflist，这个文件是容器启动时从配置项挂载到容器上的，可以通过修改flannel部署的yaml文件来修改配置，选择使用其它的cni插件。
  • 运行容器会从api-server中获取属于本节点的pod-cidr，然后写一个配置文件/run/flannel/subnet.env给flannel-cni用
  • 如果是vxlan模式，则创建一个名为flannel.1的vxlan设备（关闭了自动学习机制），把这个设备的MAC地址和IP以及本节点的IP记录到节点的注解中。
  • 启动一个协程，不断地检查本机的路由信息是否被删除，如果检查到缺失，则重新创建，防止误删导致网络不通的情况。
  • 从api-server或etcd订阅资源变化的事件，维护路由表项、邻居表项、fdb表项

接下来介绍一下当kube-flannel收到节点新增事件时会完成的事情。

假设现在有一个k8s集群拥有master、node1和node2三个节点，这时候新增了一个节点node3，node3的IP为：192.168.3.10，node3上的kube-flannel为node3创建的vxlan设备IP地址为10.244.3.0，mac地址为：02:3f:39:67:7d:f9 ，相关的信息已经保存在节点的annotation上，用kubectl查看node3的节点信息如下：

代码语言：txt复制
[root@node1]# kubectl describe node node3

Name:               node3
...
Annotations:        flannel.alpha.coreos.com/backend-data: {"VtepMAC":"02:3f:39:67:7d:f9"}
                    flannel.alpha.coreos.com/backend-type: vxlan
                    flannel.alpha.coreos.com/kube-subnet-manager: true
                    flannel.alpha.coreos.com/public-ip: 192.168.3.10
...
PodCIDR: 10.244.3.0/24

node1上的kube-flannel收到node3的新增事件，会完成以下几件事：

  • 新增一条到10.244.3.0/24的主机路由，并指示通过flannel.1设备走，下一跳为node3上的vxlan设备的IP地址10.244.3.0：
代码语言：txt复制
ip route add 10.244.3.0/24 via 10.244.3.0 dev flannel.1 onlink
  • 新增一条邻居表信息，指示node3的vxlan设备10.244.3.0的mac地址为：02:3f:39:67:7d:f9,并用nud permanent指明该arp记录不会过期，不用做存活检查：
代码语言：txt复制
ip neigh add 10.244.3.0 lladdr 02:3f:39:67:7d:f9 dev flannel.1 nud permanent
  • 新增一条fdb（forwarding database)记录，指明到node3的vxlan设备的mac地址的下一跳主机为node3的ip：
代码语言：txt复制
bridge fdb append  02:3f:39:67:7d:f9 dev vxlan0 dst 192.168.3.10 self permanent
  • 如果在配置中启用了Directrouting，那么在这里会判断新增节点与当前节点是否在同一子网，如果是，则前面三步都不会发生，取而代之的是：
代码语言：txt复制
ip route add 10.244.3.0/24 via 192.168.3.10 dev eth0 onlink

注意这里的下一跳node3的节点IP，出口设备为eth0，这就是主机路由与vxlan模式下kube-flannel的主要区别

下面我们通过一个例子来介绍一下上面新增的这些记录的实际用途，假设：

  • pod1运行在节点node1上，pod1的IP为10.244.1.3；
  • pod2运行在节点node3，pod2的IP为10.244.3.3；

来看一下在vxlan模式下从pod1发送数据包到pod2的详细流程；

发送

  1. 数据包从pod1出来，到达node1的协议栈，node1发现目标地址并非本机地址，且本机开启了流量转发功能，于是查找路由并转发；
  2. 目标IP为10.244.3.3,主机路由匹配到应该走flannel.1设备，下一跳为10.244.3.0（上面的node3新增时，步骤一添加的路由表项就用上了）
  3. 数据包到达flannel.1设备，它会先查找下一跳IP10.244.3.0的mac地址，在arp表中找到了匹配的记录为02:3f:39:67:7d:f9（上面节点新增时，步骤二添加的ARP记录在这里就用上了）,然后完成mac头封装，准备发送。
  4. 因为是vxlan设备，发送方法与普通的网卡有些区别（详见下面的代码vxlan_xmit），数据包没有被提交到网卡的发送队列，而是由vxlan设备进一步封装成一个udp数据包，它会根据目标mac地址来反查下一跳的主机地址以决定把这个udp数据包发给哪个主机，这时候就会用到上面提到的fdb表了，它查到去往02:3f:39:67:7d:f9的下一跳主机地址为192.168.3.10（节点新增时，步骤三添加的FDB记录就用上了）,于是封装udp包，走ip_local_out，发往node3 。
代码语言：txt复制
// linux-4.18driversnetvxlan.c
static netdev_tx_t vxlan_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
    ...
    //取链路层头部
    eth = eth_hdr(skb);
    // 根据目标mac地址查找fdb表项
    f = vxlan_find_mac(vxlan, eth->h_dest, vni);
    ...
    vxlan_xmit_one(skb, dev, vni, fdst, did_rsc);
}


static void vxlan_xmit_one(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,
               __be32 default_vni, struct vxlan_rdst *rdst,bool did_rsc)
{
...
        // 封装vxlan头
        err = vxlan_build_skb(skb, ndst, sizeof(struct iphdr),
                      vni, md, flags, udp_sum);
        if (err < 0)
            goto tx_error;

        // 封装UDP头、外部IP头，最后走ip_local_out
        udp_tunnel_xmit_skb(rt, sock4->sock->sk, skb, local_ip.sin.sin_addr.s_addr,
                    dst->sin.sin_addr.s_addr, tos, ttl, df,
                    src_port, dst_port, xnet, !udp_sum);
...

}

接收

  1. node3接收到udp包后，走主机协议栈，发现目标地址为本机，于是走INPUT方向，最终发到UDP层处理。
  2. 当我们创建vxlan设备时，vxlan的设备驱动会注册一个UDP的socket，端口默认为4789，然后为这个udp的socket的接收流程注册一个vxlan的接收函数；当linux协议栈的收包流程走到udp_rcv时，会调用vxlan_rcv处理，vxlan_rcv做的事情就是剥去vxlan头，将内部的一个完整的二层包重新送入主机协议栈（见下面的源码）。
  3. 剥去vxlan头部后的包重新来到主机协议栈，此时包的目标地址是10.244.3.3，经过路由判决时，发现不是本机地址，走转发，找到合适的路由，最终发往pod2。
代码语言：txt复制
// linux-4.18driversnetvxlan.c
//创建vxlan设备时，会调用vxlan_open -> vxlan_sock_add -> __vxlan_sock_add -> vxlan_socket_create，最终会在这个方法中创建一个udp的socket，然后把vxlan的收包函数注册进来
static struct vxlan_sock *vxlan_socket_create(struct net *net, bool ipv6,
                          __be16 port, u32 flags)
{
...
    tunnel_cfg.encap_rcv = vxlan_rcv;   //这是最关键的点，收包的时候，会把vxlan的包给vxlan_rcv处理
...
}

int udp_rcv(struct sk_buff *skb)
{
	return __udp4_lib_rcv(skb, &udp_table, IPPROTO_UDP);
}

//udp包接收方法，从udp_rcv -> __udp4_lib_rcv -> udp_queue_rcv_skb，在这里，如果是vxlan设备创建的端口收的包，会给vxlan_rcv处理
static int udp_queue_rcv_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
...
		/* if we're overly short, let UDP handle it */
		encap_rcv = READ_ONCE(up->encap_rcv);
		if (encap_rcv) {
			int ret;

			/* Verify checksum before giving to encap */
			if (udp_lib_checksum_complete(skb))
				goto csum_error;

			ret = encap_rcv(sk, skb);  //这里就会走到vxlan_rcv函数去
			if (ret <= 0) {
				__UDP_INC_STATS(sock_net(sk),
						UDP_MIB_INDATAGRAMS,
						is_udplite);
				return -ret;
			}
		}
...
}

/* Callback from net/ipv4/udp.c to receive packets */
static int vxlan_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
    //剥vxlan头    
    if (__iptunnel_pull_header(skb, VXLAN_HLEN, protocol, raw_proto,
                   !net_eq(vxlan->net, dev_net(vxlan->dev))))
            goto drop;
     ...
     gro_cells_receive(&vxlan->gro_cells, skb);
     ...
}

int gro_cells_receive(struct gro_cells *gcells, struct sk_buff *skb)
{
    ...
    if (!gcells->cells || skb_cloned(skb) || netif_elide_gro(dev))
        //非NAPI收包处理，linux虚拟网络设备接收如果需要软中断触发通常会走这里
        return netif_rx(skb);
    ...
}

udp模式

在udp模式下，每个节点还运行了一个叫flanneld的守护进程，这个守护进程并非以容器的方式运行，而且是实实在在地参与数据包的转发工作，这个守护进程要是挂了，通信就会中断；

这个守护进程会：

  • 开启一个unix domain socket服务，接受来自kube-flannel同步的路由信息；
  • 打开/dev/net/tun文件；
  • 打开一个udp端口并监听（默认是8285）
  • 并且总会把udp端口收到的数据写到tun文件，从tun文件读到的数据，通过udp发出去；

每个节点同样存在一个名叫flannel.1的虚拟设备，只不过不是vxlan设备，而是一个tun设备，tun设备的工作原理是：用户态程序打开/dev/net/tun文件，主机就会多一张名为tun0的网卡，任何时候往这个打开的文件写的内容都会直接被内核协议栈收包，效果就是相当于上面代码中调用了netif_rx(skb)的效果，而发往这个tun0网卡的数据，都会被打开/dev/net/tun文件的用户程序读到，读到的内容包含IP包头及以上的全部内容（如果想读到链路层的帧头，这里就应该打开一个tap设备，tun/tap的主要区别就在这）；

udp模式下，kube-flannel也不再写fdb表和邻居表，而是通过unix domain socket 与本节点的flanneld守护进程通信，把从etcd订阅到的路由信息同步给flanneld。

我们继续用上面的场景举例，说明一下udp模式下的数据包发送流程：

  • pod1发送给pod2的数据给会被主机路由引导通过tun设备（flannel.1）发送；
  • flanneld进程从打开的/dev/net/tun文件收到来自pod1的数据包，目标地址是10.244.3.3，于是它要查找去往这个目标的下一跳是哪里，这个信息kube-flannel已同步，kube-flannel通过etcd可以获取到每一个pod在哪个节点中，并把pod和节点的IP的映射关系同步给flanneld；
  • 它知道下一跳是node3后，就把从tun设备收到的包作为payload向node3的flanneld（端口8285）发送udp包，跟vxlan的封包的区别就是这里是没有链路层包头的相关信息的（上面说了，tun只能拿到三层及以上）
  • node3运行的flanneld守护进程会收到这个来自node1的包，然后把payload向打开的/dev/net/tun文件写，根据tun设备的工作原理，它的另一端flannel.1网卡会收到这个包，然后就通过主机协议栈转发到pod2。

flanneld是由c语言直接实现的，关键代码在/backend/udp/proxy_adm64.c

代码语言：txt复制
//tun网卡的包通过udp发给对端
static int tun_to_udp(int tun, int sock, char *buf, size_t buflen) {
  struct iphdr *iph;
  struct sockaddr_in *next_hop;
  ssize_t pktlen = tun_recv_packet(tun, buf, buflen);
  if( pktlen < 0 )
    return 0;
  iph = (struct iphdr *)buf;
  next_hop = find_route((in_addr_t) iph->daddr);
  if( !next_hop ) {
    send_net_unreachable(tun, buf);
    goto _active;
  }

  if( !decrement_ttl(iph) ) {
    /* TTL went to 0, discard.
     * TODO: send back ICMP Time Exceeded
     */
    goto _active;
  }
  sock_send_packet(sock, buf, pktlen, next_hop);
_active:
  return 1;
}

//从对端收到的包写到tun网卡
static int udp_to_tun(int sock, int tun, char *buf, size_t buflen) {
  struct iphdr *iph;
  ssize_t pktlen = sock_recv_packet(sock, buf, buflen);
  if( pktlen < 0 )
    return 0;
  iph = (struct iphdr *)buf;
  if( !decrement_ttl(iph) ) {
    /* TTL went to 0, discard.
     * TODO: send back ICMP Time Exceeded
     */
    goto _active;
  }
  tun_send_packet(tun, buf, pktlen);
_active:
  return 1;
}

udp模式中守护进程flanneld发挥的作用与vxlan设备很接近，都是在封包拆包，只不过vxlan封包拆包全程在内核态完成，而udp模式会经过4次用户与内核态切换，性能就下降了，而且udp模式下，flanneld挂了，通信就会中断；

0.9.0之前的版本

特别介绍一下flannel在0.9.0版本之前，用的策略完全不一样：

  • kube-flannel不会在新增节点的时候就增加arp表和fdb表，而是在数据包传递的过程中，需要目标ip的mac地址但没有找到时会发送一个l3miss的消息（RTM_GETNEIGH）给用户态的进程，让用户进程补充邻居表信息；
  • 在封装udp包时，在fdb表找不到mac地址对应的fdb表项时，会发送一个l2miss消息给用户态进程，让用户态的进程补充fdb表项，让流程接着往下走。

它启动时会打开下面的标志位：

代码语言：txt复制
echo 3 > /proc/sys/net/ipv4/neigh/flannel.1/app_solicit

这样vxlan在封包过程中如果缺少arp记录和fdb记录就会往用户进程发送消息

从0.9.0版本开始，flannel取消了监听netlink消息：

https://github.com/coreos/flannel/releases/tag/v0.9.0

总结

可以看出，从0.9.0版本后的flannel在vxlan模式下，容器的通信完全由linux内核完成，已经不用kube-flannel参与了，这就意味着，哪怕在运行的过程中，kube-flannel挂掉了，也不会影响现有容器的通信，只会影响新加入的节点和新创建的容器。

了解了flannel的原理后，接下来我们照着撸一个cni吧。

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