Linux企业运维——Kubernetesk8s网络通信

Posted 2021-09-01 是大姚呀

Linux企业运维——Kubernetes（七）k8s网络通信

文章目录

• • Linux企业运维——Kubernetes（七）k8s网络通信
  • 1、k8s网络通信简介
  • 2、flannel网络
  • • 2.1、flannel网络简介
    • 2.2、flannel网络原理
    • 2.3、flannel配置
  • 3、calico网络插件
  • • 3.1、calico简介
    • 3.2、calico的安装部署
  • 4、calico网络策略
  • • 4.1、限制访问指定服务
    • 4.2、允许指定pod访问服务
    • 4.3、禁止 namespace 中所有 Pod 之间的相互访问
    • 4.4、禁止其他 namespace 访问服务
    • 4.5、只允许指定 namespace 访问服务
    • 4.6、允许外网访问服务

1、k8s网络通信简介

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：# cat /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist

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）

2、flannel网络

2.1、flannel网络简介

Flannel是CoreOS团队针对Kubernetes设计的一个网络规划服务，简单来说，它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。

在默认的Docker配置中，每个节点上的Docker服务会分别负责所在节点容器的IP分配。这样导致的一个问题是，不同节点上容器可能获得相同的内外IP地址。并使这些容器之间能够之间通过IP地址相互找到，也就是相互ping通。

Flannel的设计目的就是为集群中的所有节点重新规划IP地址的使用规则，从而使得不同节点上的容器能够获得“同属一个内网”且”不重复的”IP地址，并让属于不同节点上的容器能够直接通过内网IP通信。

• 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（OverlayNetwork）。
• 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 vethpair。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。

2.2、flannel网络原理

Flannelvxlan模式跨主机通信原理

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

2.3、flannel配置

flannel支持多种后端：

• Vxlan：
  vxlan //报文封装，默认
  Directrouting //直接路由，跨网段使用vxlan，同网段使用host-gw模式。
• 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

配置flannel：

kubectl -n kube-system edit cm kube-flannel-cfg
 net-conf.json: |
   {
     "Network": "10.244.0.0/16",
     "Backend": {
       "Type": "vxlan",
       "Directrouting": true
     }
   }

server2查看所有pod并显示其所在的节点，进入IP为10.244.1.53的pod，查看网关

server3查看cni0网卡配置，IP地址为10.244.1.1

查找并修改kube-flannel-cfg配置文件，将type由vxlan改为host-gw直连模式



server2删除节点副本，重新生成的节点会读取修改后的配置文件并生效。

查看server4的路由表，目的地是10.244.0.0/24网段的数据由server2作为网关，目的地是10.244.1.0/24网段的数据由server3作为网关。

3、calico网络插件

3.1、calico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。

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。
  
  工作模式：
• IPIP工作模式：适用于互相访问的pod不在同一个网段中，跨网段访问的场景。
  
• BGP工作模式：适用于互相访问的pod在同一个网段，适用于大型网络。
  

3.2、calico的安装部署

真实主机获取calico.yaml和calico的压缩包，然后将压缩包发送给server1，将calico.yaml发送到server2的/root/calico目录下

server1导入calico镜像

创建calico项目

server1将本地的calico镜像上传至仓库

server2在家目录下创建calico目录，编辑calico.yaml配置文件

将镜像路径设置为自己的harbor仓库的路径，把CALICO_IPV4POOL_IPIP功能关闭


server2查看pod信息，看到还有flannel的pod，将关于flannel的组件都删除

再次查看，flannel相关pod已经被移除干净

server2、3、4都将/etc/cni/net.d目录下的flannel的配置文件移除



server2应用calico配置

再次查看pod信息，可以看到生成了4个calico相关pod

查看路由表，将目的为10.244.1.0网段的数据交给server3作为网关，将目的为10.244.2.0网段的数据交给server4作为网关.

4、calico网络策略

利用之前的lb-svc.yaml文件创建一个服务，查看新创建的lb-svc服务，外部访问ip是172.25.19.10

用真实主机访问该地址，可以看到负载均衡

server2测试访问该服务的集群ip，得到应答

4.1、限制访问指定服务

server2进入calico目录下编辑deny-nginx.yaml配置文件

要进行限制访问的是标签为myapp的pod容器

删除deployment相关的配置文件

应用下列yaml配置文件，查看服务，看到lb-svc的集群ip和外部访问ip，对这两个地址测试访问，发现访问失败

查看pod信息并输出所在的节点，访问pod所在节点的ip地址，依然访问失败

因为这些pod的标签都是myapp，已经设置了限制访问

4.2、允许指定pod访问服务

使用nginx镜像拉起一个新的容器，名为demo

查看demo容器所在节点地址为10.244.141.195，测试访问，看到可以成功访问

使用busyboxplus镜像拉起一个新容器，标签为test，然后进入该容器去访问demo，可以看到访问成功，再去访问myapp的节点地址，发现不能访问


编辑deny-nginx.yaml配置文件，配置可以访问myapp服务的容器，这里是test

编辑完成后应用配置，查看网络策略，可以看到配置好的策略

连接test容器，访问myapp服务，现在可以正常访问了

4.3、禁止 namespace 中所有 Pod 之间的相互访问

先删除deny-myapp和access-myapp的配置
查看所有命名空间，查看default（默认）命名空间的pod

默认同一个namespace中的pod是可以相互访问的，我们现在要他们不能相互访问，编辑ns.yaml并应用，查看网络策略看到默认拒绝

查看demo的服务节点在10.244.141.195，连接test容器，访问该地址，无法访问，退出连接通过server2访问，还是无法访问

4.4、禁止其他 namespace 访问服务

创建test命名空间

用busybox镜像拉起容器，指定test命名空间，连接容器，查看ip为10.244.141.195

运行nginx镜像容器，指定test命名空间。查看test空间的pod及所在节点，连接test容器，然后测试访问nginx服务节点，访问成功，如果是其他namespace的pod则无法访问。

4.5、只允许指定 namespace 访问服务

给test命名空间添加prod角色

编辑ns.yaml文件，设置匹配到角色是prod的namespace时，允许访问服务

应用配置，看到允许的namespace被创建

连接test容器，访问myapp服务，可以看到正常访问

4.6、允许外网访问服务

查看所有pod并显示标签，有3个标签为myapp的pod

查看服务列表，lb-svc的外部访问地址为172.25.19.10

真实主机测试访问，看到访问失败

在之前的策略上继续修改ns.yaml文件，允许标签为myapp的服务可以被外网通过80端口访问到，from表示来源，没有内容就是不限来源

真实主机测试访问myapp服务，可以看到成功访问且负载均衡