k8s网络通信

k8s通过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flannel、calico等。CNI插件存放位置：/etc/cni/net.d/

插件使用的解决方案如下：

• 虚拟网桥，虚拟网卡，多个容器共用一个虚拟网卡进行通信；
• 多路复用：MacVLAN，多个容器共用一个物理网卡进行通信；
• 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。

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。

pod之间的通信：同一节点的pod之间通过cni网桥转发数据包；不同节点的pod之间的通信需要网络插件支持。

pod和service通信：通过iptables或ipvs实现通信，ipvs取代不了iptables，因为ipvs只能做负载均衡，而做不了nat转换。

pod和外网通信：iptables的MASQUERADE。

Service与集群外部客户端的通信：ingress、nodeport、loadbalancer。

flannel网络

名词

• VXLAN：即Virtual Extensible LAN（虚拟可扩展局域网），是Linux本身支持的一网种网络虚拟化技术。VXLAN可以完全在内核态实现封装和解封装工作，从而通过“隧道”机制，构建出覆盖网络（Overlay Network）。
• VTEP：VXLAN Tunnel End Point（虚拟隧道端点），在Flannel中 VNI的默认值是1，这也是为什么宿主机的VTEP设备都叫flannel.1的原因。
• Cni0: 网桥设备，每创建一个pod都会创建一对 veth pair。其中一端是pod中的eth0，另一端是Cni0网桥中的端口（网卡）。
• Flannel.1: TUN设备(虚拟网卡)，用来进行 vxlan 报文的处理（封包和解包）。不同node之间的pod数据流量都从overlay设备以隧道的形式发送到对端。
• Flanneld：flannel在每个主机中运行flanneld作为agent，它会为所在主机从集群的网络地址空间中，获取一个小的网段subnet，本主机内所有容器的IP地址都将从中分配。同时Flanneld监听K8s集群数据库，为flannel.1设备提供封装数据时必要的mac、ip等网络数据信息。

原理

1. 当容器发送IP包，通过veth pair 发往cni网桥，再路由到本机的flannel.1设备进行处理。
2. VTEP设备之间通过二层数据帧进行通信，源VTEP设备收到原始IP包后，在上面加上一个目的MAC地址，封装成一个内部数据帧，发送给目的VTEP设备。
3. 内部数据桢，并不能在宿主机的二层网络传输，Linux内核还需要把它进一步封装成为宿主机的一个普通的数据帧，承载着内部数据帧通过宿主机的eth0进行传输。
4. Linux会在内部数据帧前面，加上一个VXLAN头，VXLAN头里有一个重要的标志叫VNI，它是VTEP识别某个数据桢是不是应该归自己处理的重要标识。
5. flannel.1设备只知道另一端flannel.1设备的MAC地址，却不知道对应的宿主机地址是什么。在linux内核里面，网络设备进行转发的依据，来自FDB的转发数据库，这个flannel.1网桥对应的FDB信息，是由flanneld进程维护的。
6. linux内核在IP包前面再加上二层数据帧头，把目标节点的MAC地址填进去，MAC地址从宿主机的ARP表获取。
7. 此时flannel.1设备就可以把这个数据帧从eth0发出去，再经过宿主机网络来到目标节点的eth0设备。目标主机内核网络栈会发现这个数据帧有VXLAN Header，并且VNI为1，Linux内核会对它进行拆包，拿到内部数据帧，根据VNI的值，交给本机flannel.1设备处理,flannel.1拆包，根据路由表发往cni网桥，最后到达目标容器。

Flannel vxlan模式跨主机通信原理图

flannel支持多种后端

• Vxlan：报文封装，默认
• host-gw：主机网关，性能好，但只能在二层网络中，不支持跨网络。如果有成千上万的Pod，容易产生广播风暴，不推荐
• UDP：性能差，不推荐

更改后端模式为host-gw

当前后端模式为默认的Vxlan

可见每个节点间通信，需要通过flannel.1（虚拟网卡）。隧道机制 

kubectl -n kube-system edit cm kube-flannel-cfg    ##编辑

kubectl get pod -n kube-system | grep flannel | awk '{system("kubectl -n kube-system delete pod "$1"")}'    ##删除pod，自动拉起，相当于重启，使改动生效

再次查看网关

后端模式切换成功，不通过“隧道”，直接使用真实网卡

calico网络

官网： Install Calico networking and network policy for on-premises deployments

简介

• flannel实现的是网络通信，calico的特性是在pod之间的隔离。
• 通过BGP路由，但大规模端点的拓扑计算和收敛往往需要一定的时间和计算资源。
• 纯三层的转发，中间没有任何的NAT和overlay，转发效率最好。
• Calico 仅依赖三层路由可达。Calico 较少的依赖性使它能适配所有 VM、Container、白盒或者混合环境场景。

安装calico

以免网络冲突，需要先删除flannel插件

master:

kubectl delete -f kube-flannel.yml     ##回收

master与nodes:

rm -fr /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist     ##删除插件

开始安装

mkdir calico

cd calico/

wget https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml --no-check-certificate     ##下载清单文件 

vim calico.yaml

4040           image: calico/kube-controllers:v3.20.2      ##镜像路径都改为私有仓库
3742           image: calico/cni:v3.20.2
3769           image: calico/cni:v3.20.2
3810           image: calico/pod2daemon-flexvol:v3.20.2
3821           image: calico/node:v3.20.2
3851             # Enable IPIP
3852             - name: CALICO_IPV4POOL_IPIP
3853               value: "off"                            ##关闭IPIP

kubectl apply -f calico.yaml     ##应用

网络架构

Felix：监听ECTD中心的存储获取事件，用户创建pod后，Felix负责将其网卡、IP、MAC都设置好，然后在内核的路由表里面写一条，注明这个IP应该到这张网卡。同样如果用户制定了隔离策略，Felix同样会将该策略创建到ACL中，以实现隔离。

BIRD：一个标准的路由程序，它会从内核里面获取哪一些IP的路由发生了变化，然后通过标准BGP的路由协议扩散到整个其他的宿主机上，让外界都知道这个IP在这里，路由的时候到这里来。

网络策略

网站： 网络策略 | Kubernetes

NetworkPolicy策略模型：控制某个namespace下的pod的网络出入站规则

示例：

先创建一个副本为3的控制器和一个svc，用于展示效果

注意：网络策略控制哪些pod，是由spec.podSelector.matchLabels决定的。即一份策略只会适用于拥有指定标签的pod。

这些pod标签为app=nginx，则若想控制这些pod的连接，策略里的标签指定需保持一致。 

1. 通过podSelector指定

vim policy_1.yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: access-nginx 
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: nginx          ##与所控制的pod保持一致
  ingress:
  - from:
    - podSelector:        ##允许默认ns下带有 "access=true"标签的Pod
        matchLabels:
          access: "true"

重新打开一个bash，并运行一个可交互容器

kubectl run demo -it --image=busyboxplus --restart=Never

访问该svc

可以连接得到

我们运行策略，再次访问试试

kubectl apply -f policy_1.yaml

连接不到

我们给该pod加上标签，再访问

kubectl label pod demo access=true

连接成功

kubectl delete -f policy_1.yaml    ##回收策略

kubectl delete pod demo     ##回收pod

2. 通过namespaceSelector指定

vim policy_2.yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: access-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: nginx
  ingress:
  - from:
    - namespaceSelector:    ##允许带有 "project=test" 标签的所有ns中的Pod
        matchLabels:
          project: test

创建一个ns

kubectl create ns test

和上个示例相同，继续在另一个bash中再运行一个可交互容器（在test这个ns中）

kubectl run demo -it --image=busyboxplus --restart=Never -n test

可以连接的到

应用策略后访问

kubectl apply -f policy_2.yaml

连接失败

给该ns加上标签，再访问

kubectl label ns test project=test

连接成功

kubectl delete -f policy_2.yaml

kubectl delete pod demo -n test

3. 通过ipBlock指定

vim policy_3.yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: access-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: nginx
  ingress:
  - from:
    - ipBlock:                  ##允许除了 172.25.56.0/24 之外的所有 172.25.0.0/16
        cidr: 172.25.0.0/16
        except:
        - 172.25.56.0/24

修改该svc的类型为LoadBalancer，分配给其一个集群外部ip

kubectl edit svc web-service

分配的ip为172.25.56.150

客户端ip如图

访问该svc

连接成功

应用策略，再次访问

kubectl apply -f policy_3.yaml

  

连接失败，策略将172.25.56.0/24网段的连接拒绝掉