042.集群网络-flannel及calico
一 Flannel组件
1.1 flannel介绍
Kubernetes的网络模型假定了所有Pod都在一个可以直接连通的扁平网络空间中。若需要实现这个网络假设，需要实现不同节点上的Docker容器之间的互相访问，然后运行Kubernetes。目前已经有多个开源组件支持容器网络模型。如Flannel、Open vSwitch、直接路由和Calico。
Flannel之所以可以搭建Kubernetes依赖的底层网络，是因为它能实现以下两点。
- 它能协助Kubernetes，给每一个Node上的Docker容器都分配互相不冲突的IP地址。
- 它能在这些IP地址之间建立一个覆盖网络（Overlay Network），通过这个覆盖网络，将数据包原封不动地传递到目标容器内。
flannel架构图：
如上图所示，Flannel首先创建了一个名为flannel0的网桥，而且这个网桥的一端连接docker0网桥，另一端连接一个叫作flanneld的服务进程。flanneld进程上连etcd，利用etcd来管理可分配的IP地址段资源，同时监控etcd中每个Pod的实际地址，并在内存中建立了一个Pod节点路由表；flanneld进程下连docker0和物理网络，使用内存中的Pod节点路由表，将docker0发给它的数据包包装起来，利用物理网络的连接将数据包投递到目标flanneld上，从而完成Pod到Pod之间的直接地址通信。
Flannel之间的底层通信协议的可选技术包括UDP、VxLan、AWS VPC等多种方式。通过源flanneld封包、目标flanneld解包，最终docker0收到的就是原始的数据，对容器应用来说是透明的，感觉不到中间Flannel的存在。
Flannel每次分配的地址段都在同一个公共区域获取，从而实现不同Node上的Pod分配的IP不产生冲突。而且在Flannel分配好地址段后，其余操作由Docker完成的，Flannel通过修改Docker的启动参数将分配给它的地址段传递进去：
–bip=172.17.18.1/24
通过如上方式，Flannel就控制了每个Node上的docker0地址段的地址，从而保障了所有Pod的IP地址在同一个水平网络中且不产生冲突。Flannel完美地实现了对Kubernetes网络的支持，但是它引入了多个网络组件，在网络通信时需要转到flannel0网络接口，再转到用户态的flanneld程序，到对端后还需要走这个过程的反过程，所以也会引入一些网络的时延损耗。另外，Flannel模型默认采用了UDP作为底层传输协议，UDP本身是非可靠协议，虽然两端的TCP实现了可靠传输，但在大流量、高并发的应用场景下还建议多次测试。
提示：更多flannel实现和部署参考：《008.Docker Flannel+Etcd分布式网络部署》。
二 Calico组件
2.1 calco组件简介
Calico是一个基于BGP的纯三层的网络方案，与OpenStack、Kubernetes、AWS、GCE等云平台都能够良好地集成。Calico在每个计算节点都利用Linux Kernel实现了一个高效的vRouter来负责数据转发。每个vRouter都通过BGP1协议把在本节点上运行的容器的路由信息向整个Calico网络广播，并自动设置到达其他节点的路由转发规则。
Calico保证所有容器之间的数据流量都是通过IP路由的方式完成互联互通的。Calico节点组网时可以直接利用数据中心的网络结构（L2或者L3），不需要额外的NAT、隧道或者Overlay Network，没有额外的封包解包，能够节约CPU运算，提高网络效率。
Calico在小规模集群中可以直接互联，在大规模集群中可以通过额外的BGP route reflector来完成。Calico基于iptables还提供了丰富的网络策略，实现了Kubernetes的Network Policy策略，提供容器间网络可达性限制的功能。
2.2 Calico架构
Calico的主要组件：
Felix：Calico Agent，运行在每个Node上，负责为容器设置网络资源（IP地址、路由规则、iptables规则等），保证跨主机容器网络互通。
etcd：Calico使用的后端存储。
BGP Client：负责把Felix在各Node上设置的路由信息通过BGP协议广播到Calico网络。
Route Reflector：通过一个或者多个BGP Route Reflector来完成大规模集群的分级路由分发。
CalicoCtl：Calico命令行管理工具。
2.3 Calico步骤过程
在Kubernetes中部署Calico的主要步骤如下：
- 修改Kubernetes服务的启动参数，并重启服务。
- 设置Master上kube-apiserver服务的启动参数：–allow-privileged=true（因为calico-node需要以特权模式运行在各Node上）。
- 设置各Node上kubelet服务的启动参数：–networkplugin=cni（使用CNI网络插件）。
- 创建Calico服务，主要包括calico-node和calico policy controller。需要创建的资源对象如下：
- 创建ConfigMap calico-config，包含Calico所需的配置参数。
- 创建Secret calico-etcd-secrets，用于使用TLS方式连接etcd。
- 在每个Node上都运行calico/node容器，部署为DaemonSet。
- 在每个Node上都安装Calico CNI二进制文件和网络配置参数（由install-cni容器完成）。
- 部署一个名为calico/kube-policy-controller的Deployment，以对接Kubernetes集群中为Pod设置的Network Policy。
2.4 正式部署
[root@k8smaster01 ~]# curl \
https://docs.projectcalico.org/v3.6/getting-started/kubernetes/installation/hosted/canal/canal.yaml \
-O
[root@k8smaster01 ~]# POD_CIDR=”<your-pod-cidr>” \
sed -i -e “s?10.10.0.0/16?$POD_CIDR?g” canal.yaml
如上yaml文件包括Calico所需全部配置，如下为重点部分分段解析：
- ConfigMap解析
1 kind: ConfigMap 2 apiVersion: v1 3 metadata: 4 name: calico-config 5 namespace: kube-system 6 data: 7 typha_service_name: "none" 8 calico_backend: "bird" 9 veth_mtu: "1440" 10 cni_network_config: |- 11 { 12 "name": "k8s-pod-network", 13 "cniVersion": "0.3.0", 14 "plugins": [ 15 { 16 "type": "calico", 17 "log_level": "info", 18 "datastore_type": "kubernetes", 19 "nodename": "__KUBERNETES_NODE_NAME__", 20 "mtu": __CNI_MTU__, 21 "ipam": { 22 "type": "calico-ipam" 23 }, 24 "policy": { 25 "type": "k8s" 26 }, 27 "kubernetes": { 28 "kubeconfig": "__KUBECONFIG_FILEPATH__" 29 } 30 }, 31 { 32 "type": "portmap", 33 "snat": true, 34 "capabilities": {"portMappings": true} 35 } 36 ] 37 }
对主要参数说明如下。
etcd_endpoints：Calico使用etcd来保存网络拓扑和状态，该参数指定etcd服务的地址，可手动设置。
calico_backend：Calico的后端，默认为bird。
cni_network_config：符合CNI规范的网络配置。其中type=calico表示kubelet将从/opt/cni/bin目录下搜索名为calico的可执行文件，并调用它来完成容器网络的设置。ipam中的type=calico-ipam表示kubelet将在/opt/cni/bin目录下搜索名为calico-ipam的可执行文件，用于完成容器IP地址的分配。
提示：如果etcd服务配置了TLS安全认证，则还需指定相应的ca、cert、key等文件。
- Secret解析
1 apiVersion: v1 2 kind: Secret 3 type: Opaque 4 metadata: 5 name: calico-etcd-secrets 6 namespace: kube-system 7 data: 8 # Populate the following with etcd TLS configuration if desired, but leave blank if 9 # not using TLS for etcd. 10 # The keys below should be uncommented and the values populated with the base64 11 # encoded contents of each file that would be associated with the TLS data. 12 # Example command for encoding a file contents: cat <file> | base64 -w 0 13 # 如果配置了TLS ，则需要设置相应的证书和密钥文件路径 14 # etcd-key: null 15 # etcd-cert: null 16 # etcd-ca: null
- DaemonSet解析
1 kind: DaemonSet 2 apiVersion: extensions/v1beta1 3 metadata: 4 name: calico-node 5 namespace: kube-system 6 labels: 7 k8s-app: calico-node 8 spec: 9 selector: 10 matchLabels: 11 k8s-app: calico-node 12 updateStrategy: 13 type: RollingUpdate 14 rollingUpdate: 15 maxUnavailable: 1 16 template: 17 metadata: 18 labels: 19 k8s-app: calico-node 20 annotations: 21 scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: '' 22 spec: 23 nodeSelector: 24 beta.kubernetes.io/os: linux 25 hostNetwork: true 26 tolerations: 27 - effect: NoSchedule 28 operator: Exists 29 - key: CriticalAddonsOnly 30 operator: Exists 31 - effect: NoExecute 32 operator: Exists 33 serviceAccountName: calico-node 34 terminationGracePeriodSeconds: 0 35 initContainers: 36 - name: upgrade-ipam 37 image: calico/cni:v3.6.0 38 command: ["/opt/cni/bin/calico-ipam", "-upgrade"] 39 env: 40 - name: KUBERNETES_NODE_NAME 41 valueFrom: 42 fieldRef: 43 fieldPath: spec.nodeName 44 - name: CALICO_NETWORKING_BACKEND 45 valueFrom: 46 configMapKeyRef: 47 name: calico-config 48 key: calico_backend 49 volumeMounts: 50 - mountPath: /var/lib/cni/networks 51 name: host-local-net-dir 52 - mountPath: /host/opt/cni/bin 53 name: cni-bin-dir 54 - name: install-cni 55 image: calico/cni:v3.6.0 56 command: ["/install-cni.sh"] 57 env: 58 - name: CNI_CONF_NAME 59 value: "10-calico.conflist" 60 - name: CNI_NETWORK_CONFIG 61 valueFrom: 62 configMapKeyRef: 63 name: calico-config 64 key: cni_network_config 65 - name: KUBERNETES_NODE_NAME 66 valueFrom: 67 fieldRef: 68 fieldPath: spec.nodeName 69 - name: CNI_MTU 70 valueFrom: 71 configMapKeyRef: 72 name: calico-config 73 key: veth_mtu 74 - name: SLEEP 75 value: "false" 76 volumeMounts: 77 - mountPath: /host/opt/cni/bin 78 name: cni-bin-dir 79 - mountPath: /host/etc/cni/net.d 80 name: cni-net-dir 81 containers: 82 - name: calico-node 83 image: calico/node:v3.6.0 84 env: 85 - name: DATASTORE_TYPE 86 value: "kubernetes" 87 - name: WAIT_FOR_DATASTORE 88 value: "true" 89 - name: NODENAME 90 valueFrom: 91 fieldRef: 92 fieldPath: spec.nodeName 93 - name: CALICO_NETWORKING_BACKEND 94 valueFrom: 95 configMapKeyRef: 96 name: calico-config 97 key: calico_backend 98 - name: CLUSTER_TYPE 99 value: "k8s,bgp" 100 - name: IP 101 value: "autodetect" 102 - name: IP_AUTODETECTION_METHOD 103 value: "can-reach=172.24.8.2" 104 - name: CALICO_IPV4POOL_IPIP 105 value: "Always" 106 - name: FELIX_IPINIPMTU 107 valueFrom: 108 configMapKeyRef: 109 name: calico-config 110 key: veth_mtu 111 - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR 112 value: "10.10.0.0/16" 113 - name: CALICO_DISABLE_FILE_LOGGING 114 value: "true" 115 - name: FELIX_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION 116 value: "ACCEPT" 117 - name: FELIX_IPV6SUPPORT 118 value: "false" 119 - name: FELIX_LOGSEVERITYSCREEN 120 value: "info" 121 - name: FELIX_HEALTHENABLED 122 value: "true" 123 securityContext: 124 privileged: true 125 resources: 126 requests: 127 cpu: 250m 128 livenessProbe: 129 httpGet: 130 path: /liveness 131 port: 9099 132 host: localhost 133 periodSeconds: 10 134 initialDelaySeconds: 10 135 failureThreshold: 6 136 readinessProbe: 137 exec: 138 command: 139 - /bin/calico-node 140 - -bird-ready 141 - -felix-ready 142 periodSeconds: 10 143 volumeMounts: 144 - mountPath: /lib/modules 145 name: lib-modules 146 readOnly: true 147 - mountPath: /run/xtables.lock 148 name: xtables-lock 149 readOnly: false 150 - mountPath: /var/run/calico 151 name: var-run-calico 152 readOnly: false 153 - mountPath: /var/lib/calico 154 name: var-lib-calico 155 readOnly: false 156 volumes: 157 - name: lib-modules 158 hostPath: 159 path: /lib/modules 160 - name: var-run-calico 161 hostPath: 162 path: /var/run/calico 163 - name: var-lib-calico 164 hostPath: 165 path: /var/lib/calico 166 - name: xtables-lock 167 hostPath: 168 path: /run/xtables.lock 169 type: FileOrCreate 170 - name: cni-bin-dir 171 hostPath: 172 path: /opt/cni/bin 173 - name: cni-net-dir 174 hostPath: 175 path: /etc/cni/net.d 176 - name: host-local-net-dir 177 hostPath: 178 path: /var/lib/cni/networks
在该Pod中包括如下两个容器：
- install-cni：在Node上安装CNI二进制文件到/opt/cni/bin目录下，并安装相应的网络配置文件到/etc/cni/net.d目录下，设置为initContainers并在运行完成后退出。
- calico-node：Calico服务程序，用于设置Pod的网络资源，保证Pod的网络与各Node互联互通。它还需要以hostNetwork模式运行，直接使用宿主机网络。
calico-node服务的主要参数如下。
- CALICO_IPV4POOL_CIDR：Calico IPAM的IP地址池，Pod的IP地址将从该池中进行分配。
- CALICO_IPV4POOL_IPIP：是否启用IPIP模式。启用IPIP模式时，Calico将在Node上创建一个名为tunl0的虚拟隧道。
- IP_AUTODETECTION_METHOD：获取Node IP地址的方式，默认使用第1个网络接口的IP地址，对于安装了多块网卡的Node，可以使用正则表达式选择正确的网卡，例如”interface=eth.*”表示选择名称以eth开头的网卡的IP地址。
- FELIX_IPV6SUPPORT：是否启用IPv6。
- FELIX_LOGSEVERITYSCREEN：日志级别。
- securityContext.privileged=true：以特权模式运行。
另外，如果启用RBAC权限控制，则可以设置ServiceAccount。
IP Pool可以使用两种模式：BGP或IPIP。使用IPIP模式时，设置CALICO_IPV4POOL_IPIP=”always”，不使用IPIP模式时，设置CALICO_IPV4POOL_IPIP=”off”，此时将使用BGP模式。
- calico-kube-controllers解析
calico-kube-controllers容器，用于对接Kubernetes集群中为Pod设置的Network Policy
1 apiVersion: extensions/v1beta1 2 kind: Deployment 3 metadata: 4 name: calico-kube-controllers 5 namespace: kube-system 6 labels: 7 k8s-app: calico-kube-controllers 8 annotations: 9 scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: '' 10 spec: 11 replicas: 1 12 strategy: 13 type: Recreate 14 template: 15 metadata: 16 name: calico-kube-controllers 17 namespace: kube-system 18 labels: 19 k8s-app: calico-kube-controllers 20 spec: 21 nodeSelector: 22 beta.kubernetes.io/os: linux 23 tolerations: 24 - key: CriticalAddonsOnly 25 operator: Exists 26 - key: node-role.kubernetes.io/master 27 effect: NoSchedule 28 serviceAccountName: calico-kube-controllers 29 containers: 30 - name: calico-kube-controllers 31 image: calico/kube-controllers:v3.6.0 32 env: 33 - name: ENABLED_CONTROLLERS 34 value: node 35 - name: DATASTORE_TYPE 36 value: kubernetes 37 readinessProbe: 38 exec: 39 command: 40 - /usr/bin/check-status 41 - -r
如果启用RBAC权限控制，则可以设置ServiceAccount。用户在Kubernetes集群中设置了Pod的Network Policy之后，calicokube-controllers就会自动通知各Node上的calico-node服务，在宿主机上设置相应的iptables规则，完成Pod间网络访问策略的设置。
[root@k8smaster01 ~]# docker pull calico/cni:v3.9.0
[root@k8smaster01 ~]# docker pull calico/node:v3.9.0
[root@k8smaster01 ~]# docker pull calico/kube-controllers:v3.9.0 #建议提前pull镜像
[root@k8smaster01 ~]# kubectl apply -f calico.yaml
2.5 查看验证
[root@k8smaster01 ~]# kubectl get pods –all-namespaces -o wide #查看部署
[root@k8smaster01 ~]# ll /etc/cni/net.d/
calico-node在正常运行之后，会根据CNI规范，在/etc/cni/net.d/目录下生成如下文件和目录，并在/opt/cni/bin/目录下安装二进制文件calico和calico-ipam，供kubelet调用。
- 10-calico.conf：符合CNI规范的网络配置，其中type=calico表示该插件的二进制文件名为calico。
- calico-kubeconfig：Calico所需的kubeconfig文件。
- calico-tls目录：以TLS方式连接etcd的相关文件。
[root@k8smaster01 ~]# ifconfig tunl0
tunl0: flags=193<UP,RUNNING,NOARP> mtu 1440
inet 10.10.190.128 netmask 255.255.255.255
tunnel txqueuelen 1000 (IPIP Tunnel)
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
查看服务器的网络接口设置，会生产名为tunl0的接口，网络地址为10.10.190.128/32，此IP从calico-node设置的IP地址池（CALICO_IPV4POOL_CIDR=”10.10.0.0/16″）中进行分配的。同时，docker0对于Kubernetes设置Pod的IP地址将不再起作用。
[root@k8smaster01 ~]# ip route #查看路由表
如上可查看到不同节点的相应路由，从而通过Calico就完成了Node间容器网络的设置。在后续的Pod创建过程中，kubelet将通过CNI接口调用Calico进行Pod网络的设置，包括IP地址、路由规则、iptables规则等。
如果设置CALICO_IPV4POOL_IPIP=”off”，即不使用IPIP模式，则Calico将不会创建tunl0网络接口，路由规则直接使用物理机网卡作为路
由器进行转发。
2.6 运行测试
[root@k8smaster01 ~]# kubectl run nginx –replicas=2 –labels=”run=load-balancer-example” –image=nginx –port=80
[root@k8smaster01 ~]# kubectl expose deployment nginx –type=NodePort –name=example-service #暴露端口
[root@k8smaster01 ~]# kubectl get service #查看服务状态
[root@k8smaster01 ~]# kubectl describe service example-service #查看信息
[root@k8smaster01 ~]# curl 10.97.91.153:80
[root@k8smaster01 ~]# kubectl get pod -o wide #查看endpoint
[root@k8smaster01 ~]# curl 10.10.32.129:80 #访问endpoint，与访问服务ip结果相同
[root@k8smaster01 ~]# curl 10.10.154.1:80
部署参考文档：https://docs.projectcalico.org/v3.6/getting-started/kubernetes/installation/flannel
https://github.com/projectcalico/calico/blob/master/v3.8/getting-started/kubernetes/installation/hosted/calico.yaml
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