k8s网络插件flannel模式剖析：vxlan、host-gw、directrouting

跨节点通讯，需要通过NAT，即需要做源地址转换。

k8s网络通信：

　　1）容器间通信：同一个pod内的多个容器间的通信，通过lo即可实现；

2） pod之间的通信，pod ip <---> pod ip，pod和pod之间要不经过任何转换即可通信；

3） pod和service通信:pod ip <----> cluster ip（即service ip）<---->pod ip，他们通过iptables或ipvs实现通信，另外大家要注意ipvs取代不了iptables，因为ipvs只能做负载均衡，而做不了nat转换；

4） Service与集群外部客户端的通信

[root@master pki]# kubectl get configmap -n kube-system
NAME                                 DATA      AGE
coredns                              1         22d
extension-apiserver-authentication   6         22d
kube-flannel-cfg                     2         22d
kube-proxy                           2         22d
kubeadm-config                       1         22d
kubelet-config-1.11                  1         22d
kubernetes-dashboard-settings        1         9h

[root@master pki]# kubectl get configmap kube-proxy  -o yaml  -n kube-system
mode: ""

看到mode是空的，我们把它改为ipvs就可以了。

k8s要靠CNI接口接入其他插件来实现网络通讯。目前比较流行的插件有flannet，callco，canel，kube-router。

这些插件使用的解决方案都如下：

1）虚拟网桥，虚拟网卡，多个容器共用一个虚拟网卡进行通信；

2）多路复用：MacVLAN，多个容器共用一个物理网卡进行通信；

3）硬件交换：SR-LOV，一个物理网卡可以虚拟出多个接口，这个性能最好。

CNI插件存放位置

[root@master ~]# cat  /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist 
{
  "name": "cbr0",
  "plugins": [
    {
      "type": "flannel",
      "delegate": {
        "hairpinMode": true,
        "isDefaultGateway": true
      }
    },
    {
      "type": "portmap",
      "capabilities": {
        "portMappings": true
      }
    }
  ]
}

flanel只支持网络通讯，但是不支持网络策略。

callco网络通讯和网络策略都支持。

canel：flanel+callco合起来的功能。

我们可以部署flanel提供网络通讯，再部署一个callco只提供网络策略。而不用canel。

mtu：是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小。

[root@master ~]#  ifconfig 
cni0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 10.244.0.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::4097:d5ff:fe28:6b64  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 0a:58:0a:f4:00:01  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 1609844  bytes 116093191 (110.7 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 1632952  bytes 577989701 (551.2 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
docker0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
        ether 02:42:83:f8:b8:ff  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
ens192: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.16.1.100  netmask 255.255.255.0  broadcast 172.16.1.255
        inet6 fe80::9cf3:d9de:59f:c320  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        inet6 fe80::5707:6115:267b:bff5  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        inet6 fe80::e34:f952:2859:4c69  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:50:56:a2:4e:cb  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 5250378  bytes 704067861 (671.4 MiB)
        RX errors 139  dropped 190  overruns 0  frame 0
        TX packets 4988169  bytes 4151179300 (3.8 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
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
        inet6 fe80::a82c:bcff:fef8:895c  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether aa:2c:bc:f8:89:5c  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 51  bytes 3491 (3.4 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 53  bytes 5378 (5.2 KiB)
        TX errors 0  dropped 10 overruns 0  carrier 0  collisions 0
lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1  (Local Loopback)
        RX packets 59118846  bytes 15473986573 (14.4 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 59118846  bytes 15473986573 (14.4 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
veth6ec94aab: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::487d:5bff:fef7:484d  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 4a:7d:5b:f7:48:4d  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 88112  bytes 19831802 (18.9 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 105718  bytes 13343894 (12.7 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
vethf703483a: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::b06a:eaff:fec3:33a8  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether b2:6a:ea:c3:33:a8  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 760882  bytes 59400960 (56.6 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 763263  bytes 282299805 (269.2 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
vethff579703: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet6 fe80::d82f:37ff:fe9a:b6d0  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether da:2f:37:9a:b6:d0  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 760850  bytes 59398245 (56.6 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 764016  bytes 282349248 (269.2 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

通过ifconfig命令，我们可以看到flannel.1的地址是10.244.0.0，子网掩码是255.255.255.255，mtu是1450，mtu要留出一部分做封装叠加，额外开销使用。

cni0只有在pod运行时才会出现。

两个节点上的pod可以借助flannel隧道进行通信。默认使用的VxLAN协议，因为它有额外开销，所以性能有点低。

flannel第二种协议叫host-gw(host gateway)，即Node节点把自己的网络接口当做pod的网关使用，从而使不同节点上的node进行通信，这个性能比VxLAN高，因为它没有额外开销。不过他有个缺点，就是各node节点必须在同一个网段中。

另外，如果两个pod所在节点在同一个网段中，可以让VxLAN也支持host-gw的功能，即直接通过物理网卡的网关路由转发，而不用隧道flannel叠加，从而提高了VxLAN的性能，这种flannel的功能叫directrouting。

[root@master ~]# kubectl get daemonset -n kube-system
NAME                      DESIRED   CURRENT   READY     UP-TO-DATE   AVAILABLE   NODE SELECTOR                     AGE
kube-flannel-ds-amd64     3         3         3         3            3           beta.kubernetes.io/arch=amd64     22d

[root@master ~]# kubectl get pods -n kube-system -o wide
NAME                                   READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
kube-flannel-ds-amd64-6zqzr            1/1       Running   8          22d       172.16.1.100   master
kube-flannel-ds-amd64-7qtcl            1/1       Running   7          22d       172.16.1.101   node1
kube-flannel-ds-amd64-kpctn            1/1       Running   6          22d       172.16.1.102   node2

看到flannel是以pod的daemonset控制器形式运行的（其实flannel还可以以守护进程的方式运行）。

[root@master ~]# kubectl get configmap -n kube-system
NAME                                 DATA      AGE
kube-flannel-cfg                     2         22d

[root@master ~]#kubectl get configmap -n kube-system kube-flannel-cfg -o json -n kube-system
\\\"10.244.0.0/16\\\",\\n  \\\"Backend\\\": {\\n    \\\"Type\\\": \\\"vxlan\

flannel的配置参数：

1、network ：flannel使用的CIDR格式的网络地址，用于为pod配置网络功能。

1)10.244.0.0/16--->

master: 10.244.0.0./24

node01: 10.244.1.0/24

....

node255: 10.244.255.0/24

可以支持255个节点

2)10.0.0.0/8

10.0.0.0/24

...

10.255.255.0/24

可以支持6万多个节点

2、SubnetLen ：把network切分为子网供各节点使用时，使用多长的掩码进行切分，默认为24位；

3、SubnetMin ：指明子网中的地址段最小多少可以分给子网使用，比如可以限制10.244.10.0/24，这样0~9就不让用；

4、SubnetMax ：表示最多使用多少个，比如10.244.100.0/24

5、Backend: Vxlan，host-gw，udp（最慢）

flannel

支持多种后端

Vxlan

1.valan

2.Dirextrouting

host-gw：Host Gateway #不推荐，只能在二层网络中，不支持跨网络，如果有成千上万的Pod，容易产生广播风暴

UDP：性能差

[root@master ~]# kubectl get pods -o wide
NAME                             READY     STATUS             RESTARTS   AGE       IP             NODE
myapp-deploy-69b47bc96d-79fqh    1/1       Running            4          7d        10.244.1.97    node1
myapp-deploy-69b47bc96d-tc54k    1/1       Running            4          7d        10.244.2.88    node2

[root@master ~]# kubectl exec -it myapp-deploy-69b47bc96d-79fqh -- /bin/sh
/ # ping 10.244.2.88 #ping对方Node上容器的ip
PING 10.244.2.88 (10.244.2.88): 56 data bytes
64 bytes from 10.244.2.88: seq=0 ttl=62 time=0.459 ms
64 bytes from 10.244.2.88: seq=0 ttl=62 time=0.377 ms
64 bytes from 10.244.2.88: seq=1 ttl=62 time=0.252 ms
64 bytes from 10.244.2.88: seq=2 ttl=62 time=0.261 ms

在其他节点上抓包，发现根本就在ens192上抓不到包。

[root@master ~]# tcpdump -i ens192 -nn icmp

[root@master ~]# yum install bridge-utils -y

[root@master ~]# brctl show docker0
bridge namebridge idSTP enabledinterfaces
docker08000.024283f8b8ffno

[root@master ~]# brctl show cni0
bridge namebridge idSTP enabledinterfaces
cni08000.0a580af40001noveth6ec94aab
vethf703483a
vethff579703

可以看到veth这些接口都是桥接到cni0上的。

brctl show表示查看已有网桥。

[root@node1 ~]#  tcpdump -i cni0 -nn icmp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on cni0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
23:40:11.370754 IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 4864, seq 96, length 64
23:40:11.370988 IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 4864, seq 96, length 64
23:40:12.370888 IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 4864, seq 97, length 64
23:40:12.371090 IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 4864, seq 97, length 64
^X23:40:13.371015 IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 4864, seq 98, length 64
23:40:13.371239 IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 4864, seq 98, length 64
23:40:14.371128 IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 4864, seq 99, length 64

可以看到，在node节点，可以在cni0端口上抓到容器里面的Ping时的包。

其实，上面ping时的数据流是先从cni0进来，然后从flannel.1出去，最后借助物理网卡ens32发出去。所以，我们在flannel.1上也能抓到包：

[root@node1 ~]#  tcpdump -i flannel.1 -nn icmp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on flannel.1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
03:12:36.823315 IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 4864, seq 12840, length 64
03:12:36.823496 IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 4864, seq 12840, length 64
03:12:37.823490 IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 4864, seq 12841, length 64
03:12:37.823634 IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 4864, seq 12841, length 64

同样，在ens192物理网卡上也能抓到包：

[root@node1 ~]# tcpdump -i ens192 -nn host 172.16.1.102  #172.16.1.102是node2的物理ip
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on ens192, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
10:59:24.234174 IP 172.16.1.101.60617 > 172.16.1.102.8472: OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1
IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 7168, seq 0, length 64
10:59:24.234434 IP 172.16.1.102.54894 > 172.16.1.101.8472: OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1
IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 7168, seq 0, length 64
10:59:25.234301 IP 172.16.1.101.60617 > 172.16.1.102.8472: OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1
IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 7168, seq 1, length 64
10:59:25.234469 IP 172.16.1.102.54894 > 172.16.1.101.8472: OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1
IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 7168, seq 1, length 64
10:59:26.234415 IP 172.16.1.101.60617 > 172.16.1.102.8472: OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1
IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 7168, seq 2, length 64
10:59:26.234592 IP 172.16.1.102.54894 > 172.16.1.101.8472: OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1
IP 10.244.2.88 > 10.244.1.97: ICMP echo reply, id 7168, seq 2, length 64
10:59:27.234528 IP 172.16.1.101.60617 > 172.16.1.102.8472: OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1
IP 10.244.1.97 > 10.244.2.88: ICMP echo request, id 7168, seq 3, length 64

下面我们把flannel的通信模式改成directrouting的方式

[root@master flannel]# cd /root/manifests/flannel
[root@master flannel]# kubectl edit configmap kube-flannel-cfg -n kube-system
{
      "Network": "10.244.0.0/16",
      "Backend": {
        "Type": "vxlan",
        "Directrouting": true #加一行这个
      }
    }
[root@master flannel]# ip route show
default via 172.16.1.254 dev ens192 proto static metric 100 
10.244.0.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.0.1 #访问10.244.0.0/24要通过10.244.0.1
10.244.1.0/24 via 10.244.1.0 dev flannel.1 onlink #10.244.1.0是配置在flannel上的地址，表示访问10.244.1.0/24通过本机flannel.1上的10.244.1.0送出去，下同
10.244.2.0/24 via 10.244.2.0 dev flannel.1 onlink  #10.244.2.0是配置在flannel上的地址
172.16.1.0/24 dev ens192 proto kernel scope link src 172.16.1.100 metric 100[root@master flannel]# kubectl get configmap kube-flannel-cfg -o json -n kube-system

　　　　　　"net-conf.json": "{\n \"Network\": \"10.244.0.0/16\",\n \"Backend\": {\n \"Type\": \"vxlan\",\n \"Directrouting\": true\n }\n}\n"

看到有Directrouting，说明生效了。

重启整个k8s，然后再看：

[root@master ~]# ip route show
default via 172.16.1.254 dev ens192 proto static metric 100 
10.244.0.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.0.1 #访问本机直接在本机直接转发，而不需要其他接口，这就是directrouting
10.244.1.0/24 via 172.16.1.101 dev ens192 #看到现在访问10.244.1.0，通过本地物理网卡ens192上的172.16.1.101送出去，即通过物理网卡通信了，而不再通过隧道flannel通信。
10.244.2.0/24 via 172.16.1.102 dev ens192 
172.16.1.0/24 dev ens192 proto kernel scope link src 172.16.1.100 metric 100 
172.17.0.0/16 dev docker0 proto kernel scope link src 172.17.0.1

继续登录到一个pod中进行ping测试：

[root@master ~]# kubectl get pods -o wide
NAME                             READY     STATUS             RESTARTS   AGE       IP             NODE
myapp-deploy-69b47bc96d-75g2b    1/1       Running            0          12m       10.244.1.124   node1
myapp-deploy-69b47bc96d-jwgwm    1/1       Running            0          3s        10.244.2.100   node2
[root@master ~]# kubectl exec  -it myapp-deploy-69b47bc96d-75g2b -- /bin/sh
/ # ping 10.244.2.100
PING 10.244.2.100 (10.244.2.100): 56 data bytes
64 bytes from 10.244.2.100: seq=0 ttl=62 time=0.536 ms
64 bytes from 10.244.2.100: seq=1 ttl=62 time=0.206 ms
64 bytes from 10.244.2.100: seq=2 ttl=62 time=0.206 ms
64 bytes from 10.244.2.100: seq=3 ttl=62 time=0.203 ms
64 bytes from 10.244.2.100: seq=4 ttl=62 time=0.210 ms
[root@node1 ~]# tcpdump -i ens192 -nn icmp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on ens192, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
12:31:10.899403 IP 10.244.1.124 > 10.244.2.100: ICMP echo request, id 8960, seq 24, length 64
12:31:10.899546 IP 10.244.2.100 > 10.244.1.124: ICMP echo reply, id 8960, seq 24, length 64
12:31:11.899505 IP 10.244.1.124 > 10.244.2.100: ICMP echo request, id 8960, seq 25, length 64
12:31:11.899639 IP 10.244.2.100 > 10.244.1.124: ICMP echo reply, id 8960, seq 25, length 64

通过抓包可以看到，现在在pod中进行互ping，是从物理网卡ens192进出的，这就是directrouting，这种性能比默认vxlan高。

来源：https://www.cnblogs.com/sandshell/p/11769642.html

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vxlan