二进制部署k8s集群之cni网络插件

目录

k8s的三种网络模式

pod内容器之间的通信

同一个node节点中pod之间通信 

不同的node节点的pod之间通信

flannel网络插件

flannel的三种工作方式

VxLAN

host-GW

UDP

Flannel udp 模式

Flannel VXLAN 模式

flannel插件的三大模式的总结

calico网络插件

k8s 组网方案对比

Calico 主要由三个部分组成

Calico 工作原理

calico 的 IPIP模式

部署 CNI 网络组件

部署 flannel

部署 Calico

 部署 CoreDNS

k8s的三种网络模式

pod内容器之间的通信

在同一个 Pod 内的容器（Pod 内的容器是不会跨宿主机的）共享同一个网络命令空间，相当于它们在同一台机器上一样，可以用 localhost 地址访问彼此的端口。

同一个node节点中pod之间通信 

每个 Pod 都有一个真实的全局 IP 地址，同一个 Node 内的不同 Pod 之间可以直接采用对方 Pod 的 IP 地址进行通信，Pod1 与 Pod2 都是通过 Veth 连接到同一个 docker0 网桥，网段相同，所以它们之间可以直接通信。

不同的node节点的pod之间通信

Pod 地址与 docker0 在同一网段，docker0 网段与宿主机网卡是两个不同的网段，且不同 Node 之间的通信只能通过宿主机的物理网卡进行。
要想实现不同 Node 上 Pod 之间的通信，就必须想办法通过主机的物理网卡 IP 地址进行寻址和通信。因此要满足两个条件：①Pod 的 IP 不能冲突；将 Pod 的 IP 和所在的 Node 的 IP 关联起来，②通过这个关联让不同 Node 上 Pod 之间直接通过内网 IP 地址通信。

因此引入了cni网络插件的核心原因实际上就是为了解决不同node节点上的不同pod之间的通信，即pod跨主机通信

关于k8s的三种类型的网络IP

节点网络：nodeIP---node节点的物理网卡ip，实现node节点之间的通信

Pod网络：PodIP---Pod与Pod之间通过PodIP进行通信

service网络：clusterIP---k8s集群内部，service资源的clusterIP实现对Pod集群的网络代理

 Overlay Network

叠加网络，在二层或者三层基础网络上叠加的一种虚拟网络技术模式，该网络中的主机通过虚拟链路隧道连接起来（类似于VPN）。

VXLAN

将源数据包封装到UDP中，并使用基础网络的IP/MAC作为外层报文头进行封装，然后在以太网上传输，到达目的地后由隧道端点解封装并将数据发送给目标地址。

flannel网络插件

Flannel 的功能是让集群中的不同节点主机创建的 Docker 容器都具有全集群唯一的虚拟 IP 地址。
Flannel 是 Overlay 网络的一种，也是将 TCP 源数据包封装在另一种网络包里面进行路由转发和通信，目前支持 udp、vxlan、 host-GW 3种数据转发方式。

flannel的三种工作方式

VxLAN

而VxLAN有两种工作方式:
VxLAN:  这是原生的VxLAN，即直接封装VxLAN首部，UDP首部，IP，MAC首部这种的。

DirectRouting:这种是混合自适应的方式, 即它会自动判断，若当前是相同二层网络(即:不垮路由器,二层广播可直达)，则直接使用Host-GW方式工作，若发现目标是需要跨网段(即:跨路由器)则自动转变为使用VxLAN的方式。

host-GW

这种方式是宿主机内Pod通过虚拟网桥互联，然后将宿主机的物理网卡作为网关，当需要访问其它Node上的Pod时，只需要将报文发给宿主机的物理网卡，由宿主机通过査询本地路由表，来做路由转发，实现跨主机的Pod通信，这种模式带来的问题时，当k8s集群非常大时，会导致宿主机上的路由表变得非常巨大，而且这种方式，要求所有Node必须在后一个二层网络中，否则将无法转发路由，这也很容易理解，因为如果Node之间是跨路由的，那中间的路由器就必须知道Pod网络的存在，它才能实现路由转发，但实际上，宿主机是无法将Pod网络通告给中间的路由器，因此它也就无法转发理由。

UDP

这种方式性能最差的方式，这源于早期fannel刚出现时，Linux内核还不支持VLAN，即没有VxLAN核心模块因此fannel采用了这种方式，来实现隧道封装，其效率可想而知，因此也给很多人一种印象，fannel的性能很差，其实说的是这种工作模式，若flannel工作在host-GW模式下，其效率是非常高的，因为几乎没有网络开销。

Flannel udp 模式

Flannel udp 模式的工作原理

数据从 node01 上 Pod 的源容器中发出后，经由所在主机的 docker0 虚拟网卡转发到 flannel.1 虚拟网卡，flanneld 服务监听在 flannel.1 虚拟网卡的另外一端。
Flannel 通过 Etcd 服务维护了一张节点间的路由表。源主机 node01 的 flanneld 服务将原本的数据内容封装到 UDP 中后根据自己的路由表通过物理网卡投递给目的节点 node02 的 flanneld 服务，数据到达以后被解包，然后直接进入目的节点的 flannel.1 虚拟网卡，之后被转发到目的主机的 docker0 虚拟网卡，最后就像本机容器通信一样由 docker0 转发到目标容器。

Flannel VXLAN 模式

vxlan 是一种overlay（虚拟隧道通信）技术，通过三层网络搭建虚拟的二层网络，跟 udp 模式具体实现不太一样:
（1）udp模式是在用户态实现的，数据会先经过tun网卡，到应用程序，应用程序再做隧道封装，再进一次内核协议栈，而vxlan是在内核当中实现的，只经过一次协议栈，在协议栈内就把vxlan包组装好
（2）udp模式的tun网卡是三层转发，使用tun是在物理网络之上构建三层网络，属于ip in udp，vxlan模式是二层实现， overlay是二层帧，属于mac in udp
（3）vxlan由于采用mac in udp的方式，所以实现起来会涉及mac地址学习，arp广播等二层知识，udp模式主要关注路由

flannel的VLAN模式工作原理

1 ）原始数据帧从源主机的 Pod 容器发出到 CNI0 网桥接口，再由 CNI0 转发到 flannel.1 虚

拟接口

2 ） flannel.1 接口接收到数据帧后田间 VXLAN 头部，并在内核将原始数据帧封装到 UDP 报

文里

3 ）根据 etcd 中维护的路由表查到目标 Pod 所在的 nodeIP ，并在 UDP 报文外封装 nodeIP 头

部、 mac 头部，再通过物理网卡发送到目标 node 节点

4 ） UDP 报文通过 8472 端口送达到目标 node 节点的 flannel.1 接口并在内核进行解封装，

再根据本地路由器发送到 CNI0 网桥，再由 CNI0 发送到目标 Pod 容器

关于vlan和vxlan的区别

#vxlan 支持更多的二层网络

vlan 使用 12 位 bit 表示 vlanlD ，因此最多支持 2 ^12 = 4094 个 vlan

vxlan 使用的 ID 使用 24 位 bit ，最多可以支持 224 个 (2^24 个 )

# 已有的网络路径利用效率更高

vlan 使用 spanning tree protocol 避免环路，会将一半的网络路径阻塞

vxlan 的数据包封装成 UDP 通过网络层传输，可以使用所有的网络路径

# 防止物理交换机 Mac 表耗尽

van 需要在交换机的 Mac 表中记录 Mac 物理地址

vxlan 采用隧道机制， Mac 物理地址不需记录在交换机

相比VLAN技术，VXLAN技术具有以下的优势 

24 位长度的 VNI 字段值可以支持更多数量的虚拟网络，解决了 VLAN 数目上限为 4094 的局限

性的问题。

VXLAN 技术通过隧道技术在物理的三层网络中虚拟二层网络，处于 VXLAN 网络的终端无法察

觉到 VXLAN 的通信过程，这样也就使得逻辑网络拓扑和物理网络拓扑实现了一定程度的解

耦，网络拓扑的配置对于物理设备的配置的依赖程度有所降低，配置更灵活更方便。

VLAN 技术仅仅解决了二层网络广播域分割的问题，而 VXLAN 技术还具有多租户支持的特

性，通过 VXLAN 分割，各个租户可以独立组网、通信，地址分配方面和多个租户之间地址冲

突的问题也得到了解决。

flannel插件的三大模式的总结

UDP——出现最早，性能最差。基于flanneld应用程序实现原始数据包的封装和解封装

VXLAN——是flannel的默认模式，也是推荐使用模式。（与udp模式比：）性能比udp好，基于内核实现原始数据帧的封装和解封装；（与HOST-GW模式比：）配置简单使用方便。

HOST-GW——性能最好的模式，但是配置复杂，且不能跨网段（通过静态路由实现）

calico网络插件

k8s 组网方案对比

flannel方案
需要在每个节点上把发向容器的数据包进行封装后，再用隧道将封装后的数据包发送到运行着目标Pod的node节点上。目标node节点再负责去掉封装，将去除封装的数据包发送到目标Pod上。数据通信性能则大受影响。

calico方案
Calico不使用隧道或NAT来实现转发，而是把Host当作Internet中的路由器，使用BGP同步路由，并使用iptables来做安全访问策略，完成跨Host转发来。

Calico 主要由三个部分组成

Calico CNI插件：主要负责与kubernetes对接，供kubelet调用使用。
Felix：负责维护宿主机上的路由规则、FIB转发信息库等。
BIRD：负责分发路由规则，类似路由器。
Confd：配置管理组件。

Calico 工作原理

Calico 是通过路由表来维护每个 pod 的通信。Calico 的 CNI 插件会为每个容器设置一个 veth pair 设备， 然后把另一端接入到宿主机网络空间，由于没有网桥，CNI 插件还需要在宿主机上为每个容器的 veth pair 设备配置一条路由规则，用于接收传入的IP包。
有了这样的 veth pair 设备以后，容器发出的IP包就会通过 veth pair 设备到达宿主机，然后宿主机根据路由规则的下一跳地址， 发送给正确的网关，然后到达目标宿主机，再到达目标容器。
这些路由规则都是 Felix 维护配置的，而路由信息则是 Calico BIRD 组件基于 BGP 分发而来。calico 实际上是将集群里所有的节点都当做边界路由器来处理，他们一起组成了一个全互联的网络，彼此之间通过 BGP 交换路由，这些节点我们叫做 BGP Peer。

目前比较常用的时flannel和calico，flannel的功能比较简单，不具备复杂的网络策略配置能力，calico是比较出色的网络管理插件，但具备复杂网络配置能力的同时，往往意味着本身的配置比较复杂，所以相对而言，比较小而简单的集群使用flannel，考虑到日后扩容，未来网络可能需要加入更多设备，配置更多网络策略，则使用calico更好。

calico 的 IPIP模式

calico 的 IPIP模式的工作原理

1 ) 原始数据包从源主机的 Pod 容器发出到 tunl0 接口，再被内核的 IPIP 驱动封装到 node

节点网络的 IP 报文里

2 ）根据 felix 维护的路由规则，通过物理网卡发送到目标 node 节点

3 ） IP 数据包到达目标 node 节点后 tunl0 ，再通过内核的 IPIP 驱动解封装得到原始数据

包，再根据本地路由器通过 veth pair 设备送达到目标 Pod 容器

部署 CNI 网络组件

部署 flannel

在 node01 节点上操作

unzip flannel-v0.21.5.zip
##上传 flannel-v0.21.5.zip 到 /opt/k8s 目录中，并完成解压##导入镜像
docker load -i flannel-cni-plugin.tar 
docker load -i flannel.tar ##查看镜像是否导入成功
docker images

##创建cni网络插件的工作目录
mkdir -p /opt/cni/bin#将flannel-v0.21.5.zip解压后的cni-plugins-linux-amd64-v1.3.0.tgz解压到cni网络插件的工作目录
tar xf cni-plugins-linux-amd64-v1.3.0.tgz -C /opt/cni/bin/
ls /opt/cni/bin/##将2个镜像和cni工作目录传输给node02节点
scp flannel-cni-plugin.tar flannel.tar node02:/opt/k8s/    
scp -r /opt/cni/ node02:/opt/
#将kube-flannel.yml上传到master01 节点
scp kube-flannel.yml master01:/opt/k8s/

在 master01 节点上操作

#上传 kube-flannel.yml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
#启动flannel插件
kubectl apply -f kube-flannel.yml 
#进入kube-flannel的网络命名空间
kubectl get pods -n  kube-flannel
#查看node的状态
kubectl get nodes

部署 Calico

在 master01 节点上操作

#上传 calico.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
vim calico.yaml
#修改里面定义Pod网络（CALICO_IPV4POOL_CIDR），与前面kube-controller-manager配置文件指定的cluster-cidr网段一样- name: CALICO_IPV4POOL_CIDRvalue: "192.168.0.0/16"kubectl apply -f calico.yamlkubectl get pods -n kube-system
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
calico-kube-controllers-659bd7879c-4h8vk   1/1     Running   0          58s
calico-node-nsm6b                          1/1     Running   0          58s
calico-node-tdt8v                          1/1     Running   0          58s#等 Calico Pod 都 Running，节点也会准备就绪
kubectl get nodes

在 node01 节点上操作

cd /opt/
scp kubelet.sh proxy.sh root@192.168.75.30:/opt/
scp -r /opt/cni root@192.168.75.30:/opt/

 在 node02 节点上操作

#启动kubelet服务
cd /opt/
chmod +x kubelet.sh
./kubelet.sh 192.168.75.30

 在 master01 节点上操作

kubectl get csr
NAME                                                   AGE  SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-BbqEh6LvhD4R6YdDUeEPthkb6T_CJDcpVsmdvnh81y0   10s  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Pending
node-csr-duiobEzQ0R93HsULoS9NT9JaQylMmid_nBF3Ei3NtFE   85m  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued#通过 CSR 请求
kubectl certificate approve node-csr-BbqEh6LvhD4R6YdDUeEPthkb6T_CJDcpVsmdvnh81y0kubectl get csr
NAME                                                   AGE  SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-BbqEh6LvhD4R6YdDUeEPthkb6T_CJDcpVsmdvnh81y0   23s  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued
node-csr-duiobEzQ0R93HsULoS9NT9JaQylMmid_nBF3Ei3NtFE   85m  kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued#加载 ipvs 模块
for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done#使用proxy.sh脚本启动proxy服务
cd /opt/
chmod +x proxy.sh
./proxy.sh 192.168.75.30#查看群集中的节点状态
kubectl get nodes

 部署 CoreDNS

在所有 node 节点上操作

#上传 coredns.tar 到 /opt 目录中
cd /opt
docker load -i coredns.tar

 在 master01 节点上操作

#上传 coredns.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CoreDNS 
cd /opt/k8s
kubectl apply -f coredns.yamlkubectl get pods -n kube-system