理解flannel的三种容器网络方案原理

本文主要介绍flannel在k8s网络中作为网络插件通过UDP、VXLAN、HOST-GATEWAY三种模式来解决容器跨主机网络通信的，并通过手动实现这三种模式深入理解其原理。在Flannel的UDP模式中，每个节点都会启动一个UDP服务器，用于监听来自其他节点的数据包。当一个容器向另一个容器发送数据包时，它会将数据包发送到目标容器的IP地址和端口号。Flannel会将该数据包封装在一个UDP数据

Crazy灬峰少

1703人浏览 · 2023-06-05 08:00:00

Crazy灬峰少 · 2023-06-05 08:00:00 发布

0. 前言

本文主要介绍flannel在k8s网络中作为网络插件通过UDP、VXLAN、HOST-GATEWAY三种模式来解决容器跨主机网络通信的，并通过手动实现这三种模式深入理解其原理。

1. flannel全局网络地址分配机制

每台节点上容器的IP地址是由所属节点自动分配的，那么会存在一个问题是，不同节点上的容器所分配的IP地址则可能会有重复的情况。

flannel设计了一种全局的网络地址分配机制，flannel会为每台节点申请一个独一无二的网段，并存储在etcd中，flannel会将该网段配置到各个节点上的Docker(或者其他容器工具)，当前节点上的容器
只从分配的网段里中获取IP地址。

修改docker启动参数–bip来限制节点容器获得的IP范围。

2. UDP模式

2.1 简介

在Flannel的UDP模式中，每个节点都会启动一个UDP服务器，用于监听来自其他节点的数据包。当一个容器向另一个容器发送数据包时，它会将数据包发送到目标容器的IP地址和端口号。Flannel会将该数据包封装在一个UDP数据包中，并将其发送到目标节点的UDP服务器。目标节点的UDP服务器会解析该数据包，并将其传递给目标容器。

2.2 flannel实现UDP流程

flanneld启动后会通过打开/dev/net/tun的方式创建tun设备，名称为flannel0，该设备是用户空间与内核空间的数据包交互的通道。然后再将从tun设备获取的IP数据包封装到UDP数据包中通过物理网卡发送到其他节点中，内核通过UDP端口转发给flanneld然后解包，得到其中的IP数据包，然后再通过tun设备进入内核空间中，通过路由到达网桥，然后再到目的容器中。

flanneld在其中主要做了：

开启了udp服务，并对udp数据包封包和解包
节点上路由表的动态更新，也就是从网桥出来的数据包目的IP为其他节点容器IP时，需要路由到flanneld中进行封包，并且在flanneld接收UDP包后解封出来的IP包需要通过路由到网桥docker0中

缺点很明显，仅一次网络传输的数据包经历了2次用户态与内核态的切换，而切换的效率是不高的，每一次的切换都是一次数据的复制。

2.3 手动模拟flannel实现udp实验

首先创建Network Namesapce net1用来模拟容器

ip netns add net1

然后创建一对veth pair网卡veth0和veth1，并将veth0放到net1中，拉起并设置veth0的ip地址为172.19.1.2/24

ip link add veth0 type veth peer name veth1

ip link set dev veth0 netns net1
ip netns exec net1 ip addr add 172.19.1.2/24 dev veth0
ip netns exec net1 ip link set veth0 up

创建网桥设备，拉起并设置ip地址为172.19.1.1/24，将veth1拉起并绑定到网桥bridge0中

# 添加网桥
ip link add bridge0 type bridge
ip link set bridge0 up
ip a add 172.19.1.1/24 dev bridge0

# 将另一端绑定在网桥上
ip link set dev veth1 up
ip link set dev veth1 master bridge0

在net1中添加默认路由，设置下一条地址为网桥bridge0的IP地址，从网桥进入到宿主机的网络协议栈中。

ip netns exec net1 ip r add default via 172.19.1.1 dev veth0

再运行以下代码，该代码是用来模拟flanneld程序，主要作用是创建了tun设备flannel0，开启了UDP服务收发UDP包，然后就是对容器IP包的封装与解封。

import os
import socket
import struct
import threading
from fcntl import ioctl
import click

BIND_ADDRESS = ('0.0.0.0', 8285)
BUFFER_SIZE = 4096

TUNSETIFF = 0x400454ca
IFF_TUN = 0x0001
IFF_TAP = 0x0002


def create_tunnel(tun_name='flannel%d', tun_mode=IFF_TUN):
    tun_fd = os.open("/dev/net/tun", os.O_RDWR)
    ifn = ioctl(tun_fd, TUNSETIFF, struct.pack(b"16sH", tun_name.encode(), tun_mode))
    tun_name = ifn[:16].decode().strip("\x00")
    return tun_fd, tun_name


def start_tunnel(tun_name):
    os.popen(f"ip link set {tun_name} up")


def udp_server(udp_socket, tun_fd):
    while True:
        data, addr = udp_socket.recvfrom(2048)
        print("get data from udp.")
        if not data:
            break

        os.write(tun_fd, data)


@click.command()
@click.option("--peer_node_ip", "-p", required=True, help="对端节点IP")
def main(peer_node_ip):
    peer_node_addr = (peer_node_ip, 7000)

    tun_fd, tun_name = create_tunnel()
    start_tunnel(tun_name)

    udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    udp_socket.bind(BIND_ADDRESS)

    t = threading.Thread(target=udp_server, args=(udp_socket, tun_fd))
    t.daemon = True
    t.start()

    while True:
        data = os.read(tun_fd, BUFFER_SIZE)
        print(f"get data from tun. data size = {len(data)}")
        udp_socket.sendto(data, peer_node_addr)


if __name__ == '__main__':
    main()

在Node1中运行该程序，设置Node2 IP

python3 tun_app.py -p 10.65.132.188

可以看到已经创建了tun设备

# ip link show flannel0
...
109: tun0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN group default qlen 500
    link/none 
    inet6 fe80::8e98:91a4:6537:d77a/64 scope link flags 800 
       valid_lft forever preferred_lft forever
...

在设置宿主机的路由，将所有到Node2容器的IP包，都转发到flannel0设备中。

ip r add 172.19.2.0/24 dev flannel0

最后重复Node1的操作配置Node2

# 创建net3
ip netns add net3

# 创建veth pair
ip link add veth0 type veth peer name veth1

# 设置net1网络
ip link set dev veth0 netns net3
ip netns exec net3 ip addr add 172.19.2.2/24 dev veth0
ip netns exec net3 ip link set veth0 up

# 添加网桥
ip link add bridge0 type bridge
ip link set bridge0 up
ip a add 172.19.2.1/24 dev bridge0

# 将另一端绑定在网桥上
ip link set dev veth1 up
ip link set dev veth1 master bridge0

# 配置net3路由
ip netns exec net3 ip r add default via 172.19.2.1 dev veth0

# 创建flannel0
python3 flanneld.py -p 10.65.132.187

# 配置到flannel0的路由
ip r add 172.19.1.0/24 dev flannel0

2.4 分析

在Node1的net1中ping Node2的net2的ip 172.19.2.2，可以看到是可以ping通的

# ping 172.19.2.2 -c 1
PING 172.19.2.2 (172.19.2.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.19.2.2: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.641 ms

--- 172.19.2.2 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.641/0.641/0.641/0.000 ms

在Node1的flanneld.py中看到日志，从tun中收到了来自容器的IP数据包

# python3 flanneld.py -p 10.65.132.188
get data from tun. data size = 88

在Node2的flanneld.py中看到日志，接收到了Node1发送过来的udp数据包。

# python3 flanneld.py -p 10.65.132.187
get data from udp.

3. VXLAN模式

3.1 简介

在Flannel的VXLAN模式中，每个节点都会启动一个VXLAN隧道，用于将容器之间的数据包封装在VXLAN协议中进行传输。当一个容器向另一个容器发送数据包时，它会将数据包发送到目标容器的IP地址和虚拟网络ID。Flannel会将该数据包封装在一个VXLAN数据包中，并将其发送到目标节点的VXLAN隧道。目标节点的VXLAN隧道会解析该数据包，并将其传递给目标容器。

vxlan模式也是通过封包与解包的形式来实现隧道达到容器的跨主机访问，那和UDP模式有什么区别呢？
区别在于，VXLAN的封包与解包都是在内核态完成的，对比UDP模式用户态与内核态的切换来说，效率大大的提升了。

3.3 flannel实现vxlan模式流程

在Node1的net1中ping Node2的net3，数据流如下：

bridge作为net1的下一跳网关，所以会先发送ARP获取bridge的mac地址
获取到后，然后发送ICMP数据包通过bridge进入到宿主机的网络协议栈中，通过路由表，会进入到flannel.1中，下一跳地址为Node2的flannel.1的地址
本来是要发送ARP来获取Node2的flannel.1的地址，因为已经手动配置了ARP表，可以直接获取到到MAC地址，然后将其填充内层二层头中。
再通过查询FDB表，找到外层UDP包中目的IP地址，也就是Node2的IP地址，填充到外部IP头中。最终通过物理网卡ens18走外部网络达到Node2中。
达到Node2后，通过端口8472，将包转发给VTEP设备flannel.1进行解包，解封后的IP包经过路由表达到bridge中，最终转发到net3中。

3.4 手动模拟flanneld维护VTEP组实践

创建VTEP设备命名为flannel.1，然后flannel.1配置ip地址为172.19.1.0/32

# 添加VTEP设备
ip link add flannel.1 type vxlan id 42 dstport 8472 local 10.65.132.187 dev ens18 nolearning proxy

# 配置flannel.1
ip link set flannel.1 up
ip a add 172.19.1.0/32 dev flannel.1

只需要填写local地址
nolearning，VTEP不要通过收到的报文学习FDB表项的内容，减少广播风暴，提高效率。
proxy，VTEP承担ARP代理功能，收到ARP请求时，如果有缓存则直接应答，减少广播风暴，提高效率。

添加network namespace net1，创建veth pair，将其中一端放进net1中，并配置好ip地址，再添加默认路由都走veth0

ip netns add net1
ip link add veth0 type veth peer name veth1
ip link set dev veth0 up

# 设置net1中网络配置
ip link set dev veth0 netns net1
ip netns exec net1 ip addr add 172.19.1.2/24 dev veth0
ip netns exec net1 ip link set veth0 up

# 默认路由
ip netns exec net1 ip r add default via 172.19.1.1 dev veth0

创建网桥设备命名为bridge0，并将veth1插到其上

# 添加网桥
ip link add bridge0 type bridge
ip link set bridge0 up
ip a add 172.19.1.1/24 dev bridge0

# 将另一端绑定在网桥上
ip link set dev veth1 up
ip link set dev veth1 master bridge0

到达net3的数据包下一跳为Node2的VTEP设备IP通过flannel.1设备，需要添加onlink，因为下一跳网关不和本地地址在同一网段，路由添加时输出路由不可达的错误，onlink的意义在于协议栈虽然找不到链路层直连路由，但是还是会发布针对via网关的arp请求的.

ip r add 172.19.2.0/24 via 172.19.2.0 dev flannel.1 onlink

在Node2节点中重复上面操作创建VETP设备和相关网络配置

# 添加VTEP设备
ip link add flannel.1 type vxlan id 42 dstport 8472 local 10.65.132.188 dev ens18
ip link set flannel.1 up
ip a add 172.19.2.0/32 dev flannel.1
ip r add 172.19.1.0/24 via 172.19.1.0 dev flannel.1 onlink


# 添加net3模拟容器
ip netns add net3
ip link add veth0 type veth peer name veth1

# 设置net3中网络配置
ip link set dev veth0 netns net3
ip netns exec net3 ip addr add 172.19.2.2/24 dev veth0
ip netns exec net3 ip link set veth0 up
ip netns exec net3 ip r add default dev veth0
ip netns exec net3 ip r add default via 172.19.2.1 dev veth0

# 添加网桥
ip link add bridge0 type bridge
ip a add 172.19.2.1/24 dev bridge0
ip link set bridge0 up

# 将另一端绑定在网桥上
ip link set dev veth1 up
ip link set dev veth1 master bridge0

在Node1节点中需要再新增ARP缓存，Node1中添加路由的下一跳地址是Node2的VTEP设备，所以需要在arp添加VTEP IP和MAC地址的缓存。

arp -s 172.19.2.0 8a:8b:4d:10:82:56 dev flannel.1

再在节点FDB表中添加对端VETP MAC地址和对外IP（物理网卡IP）的映射关系表项

bridge fdb add 8a:8b:4d:10:82:56 dev flannel.1 dst 10.65.132.188

重复Node1操作，配置Node2的ARP缓存和FDB表。

arp -s 172.19.1.0 1e:b7:5e:19:ab:90 dev flannel.1
bridge fdb add 1e:b7:5e:19:ab:90 dev flannel.1 dst 10.65.132.187

通过以上操作完成了环境的搭建，接下来，我们在Node1的net1中进行ping Node2的net3，可以发现是可以ping通的

# ip netns exec net1 ping 172.19.2.2 -c 2
PING 172.19.2.2 (172.19.2.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.19.2.2: icmp_seq=1 ttl=62 time=0.547 ms
64 bytes from 172.19.2.2: icmp_seq=2 ttl=62 time=0.560 ms

4. Host Gateway模式

4.1 简介

通过把主机当作网关实现跨节点网络通信的。因此通信双方的宿主机要求能够直接路由，必须在同一个网络，这个限制使得host-gw模式无法适用于集群规模较大且需要对节点进行网段划分的场景。host-gw的另外一个限制则是随着集群中节点规模的增大，flanneld维护主机上成千上万条路由表的动态更新也是一个不小的压力。

flanneld的唯一作用就是负责主机上路由表的动态，但因为只能修改主机的路由，所以各个主机必须二层网络互通。

跟VXLAN模式和UDP模式比较，优点主要是没有封包与解包的操作，大大的提高了性能。

4.3 flannel实现Host Gateway模式流程

在Node1的net1中ping Node2的net3，数据流如下：

数据包从容器进入到宿主机网络协议栈逻辑与VXLAN模式一致
通过路由表可知，该数据包通过ens18网卡到达下一跳网关Node2的ens18
通过物理网络，达到Node2并进入网络协议栈，通过路由达到bridge进入到net3中

4.4 手动模拟flannel实现Host Gateway模式实验

在Node1中创建Network Namesapce net1、vethpair和网桥，并配置好其网络。

ip netns add net1
ip link add veth0 type veth peer name veth1
ip link set dev veth0 up

# 设置net1中网络配置
ip link set dev veth0 netns net1
ip netns exec net1 ip addr add 172.19.1.2/24 dev veth0
ip netns exec net1 ip link set veth0 up

# 默认路由
ip netns exec net1 ip r add default via 172.19.1.1 dev veth0

# 添加网桥
ip link add bridge0 type bridge
ip link set bridge0 up
ip a add 172.19.1.1/24 dev bridge0

# 将另一端绑定在网桥上
ip link set dev veth1 up
ip link set dev veth1 master bridge0

再添加路由，将Node2所分配到的容器网段为目的数据包都将Node2作为下一跳网关。

ip r add 172.19.2.0/24 via 10.65.132.188 dev ens18

重复Node1的配置，并添加将Node1所分配到的容器网段为目的数据包都将Node1作为下一跳网关。

# 添加net3模拟容器
ip netns add net3
ip link add veth0 type veth peer name veth1

# 设置net3中网络配置
ip link set dev veth0 netns net3
ip netns exec net3 ip addr add 172.19.2.2/24 dev veth0
ip netns exec net3 ip link set veth0 up
ip netns exec net3 ip r add default via 172.19.2.1 dev veth0

# 添加网桥
ip link add bridge0 type bridge
ip a add 172.19.2.1/24 dev bridge0
ip link set bridge0 up

# 将另一端绑定在网桥上
ip link set dev veth1 up
ip link set dev veth1 master bridge0

# 路由
ip r add 172.19.1.0/24 via 10.65.132.187 dev ens18

在Node1的net1中ping Node2的net2，是可以ping通的，说明网络互通了。

在通过tcpdump抓取Node2 ens18网卡的包，可以看到ICMP数据包到了Node2节点。

# tcpdump -i ens18 host 172.19.2.2
dropped privs to tcpdump
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on ens18, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
15:07:00.072677 IP 172.19.1.2 > 172.19.2.2: ICMP echo request, id 52240, seq 8, length 64
15:07:00.072782 IP 172.19.2.2 > 172.19.1.2: ICMP echo reply, id 52240, seq 8, length 64

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