全景剖析阿里云容器网络数据链路（一）：Flannel

作者：余凯

本系列文章由余凯执笔创作，联合作者：阿里云云原生应用平台谢石对本文亦有贡献

前言

近几年，企业基础设施云原生化的趋势越来越强烈，从最开始的 IaaS 化到现在的微服务化，客户的颗粒度精细化和可观测性的需求更加强烈。容器网络为了满足客户更高性能和更高的密度，也一直在高速的发展和演进中，这必然对客户对云原生网络的可观测性带来了极高的门槛和挑战。为了提高云原生网络的可观测性，同时便于客户和前后线同学增加对业务链路的可读性，ACK 产研和 AES 联合共建，合作开发 ack net-exporter 和云原生网络数据面可观测性系列，帮助客户和前后线同学了解云原生网络架构体系，简化对云原生网络的可观测性的门槛，优化客户运维和售后同学处理疑难问题的体验，提高云原生网络的链路的稳定性。

鸟瞰容器网络，整个容器网络可以分为三个部分：Pod 网段，Service 网段和 Node 网段。这三个网络要实现互联互通和访问控制，那么实现的技术原理是什么？整个链路又是什么，限制又是什么呢？Flannel， Terway 有啥区别？不同模式下网络性能如何？这些，需要客户在下搭建容器之前，就要依据自己的业务场景进行选择，而搭建完毕后，相关的架构又是无法转变，所以客户需要对每种架构特点要有充分了解。比如下图是个简图，Pod 网络既要实现同一个ECS的Pod间的网络互通和控制，又要实现不同 ECS Pod 间的访问， Pod 访问 SVC 的后端可能在同一个 ECS 也可能是其他 ECS，这些在不同模式下，数据链转发模式是不同的，从业务侧表现结果也是不一样的。

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本文是[全景剖析容器网络数据链路]第一部分，主要介绍 Kubernetes Flannel 模式下，数据面链路的转转发链路，一是通过了解不同场景下的数据面转发链路，从而探知客户在不同的场景下访问结果表现的原因，帮助客户进一步优化业务架构；另一方面，通过深入了解转发链路，从而在遇到容器网络抖动时候，客户运维以及阿里云同学可以知道在哪些链路点进行部署观测手动，从而进一步定界问题方向和原因。

系列二：

全景剖析阿里云容器网络数据链路（二）：Terway ENI

系列三：

全景剖析阿里云容器网络数据链路（三）：Terway ENIIP

系列四：

全景剖析阿里云容器网络数据链路（四）：Terway IPVLAN+EBPF

系列五：

全景剖析阿里云容器网络数据链路（五）：Terway ENI-Trunking

系列六：

全景剖析阿里云容器网络数据链路（六）：ASM Istio

Flannel 模式架构设计

Flannel 模式下，ECS 只有一个主网卡 ENI，无其他附属网卡，ECS 和节点上的 Pod 与外部通信都需要通过主网卡进行。ACK Flannel 会在每个节点创建 cni0 虚拟网卡作为 Pod 网络和 ECS 的主网卡 eth0 之间的桥梁。

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集群的每个节点会起一个 flannel agent，并且会给每个节点预分配一个 Pod CIDR，这个 Pod CIDR 是ACK集群的 Pod CIDR 的子集。

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容器的网络命名空间内会有一个 eth0 的虚拟网卡，同时存在下一跳指向该网卡的路由，该网卡会作为容器和宿主内核进行数据交换的出入口。容器和宿主机之间的数据链路是通过 veth pair 进行交换的，现在我们已经找到 veth pair 其中一个，如何去找另一个 veth 呢？

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如上图所示，我们可以容器的网络命名空间中通过 p addr 看到一个 eth0@if81 的标志位，其中 ‘81’ 这个将会协助我们在 ECS 的 OS 内找到找到和容器网络命名空间中的 veth pair 相对一个。在 ECS OS 内我们通过 ip addr | grep 81: 可以找到 vethd7e7c6fd 这个虚拟网卡，这个就是 veth pair 在 ECS OS 侧相对的那一个。

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到目前为止容器内和 OS 数据链路已经建立链接了，那么 ECS OS 内对于数据流量是怎么判断去哪个容器呢？通过 OS Linux Routing 我们可以看到，所有目的是 Pod CIDR 网段的流量都会被转发到 cni0 这张虚拟网卡，那么 cni0 是通过 bridge 方式将不同目的的数据链路指向到不同的 vethxxx。到这里为止，ECS OS 和 Pod 的网络命名空间已经建立好完整的出入链路配置了。

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Flannel 模式容器网络数据链路剖析

针对容器网络特点，我们可以将 Flannel 模式下的网络链路大体分为以 Pod IP 对外提供服务和以 SVC 对外提供服务两个大的 SOP 场景，进一步细分可以拆分到 10 个不同的小的 SOP 场景。

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对这 10 个场景的数据链路梳理合并，这些场景可以归纳为下面 5 类典型的场景：

Client 和服务端 Pod 部署于同一个 ECS
Client 和服务端 Pod 部署于不同 ECS
访问 SVC External IP， ExternalTrafficPolicy 为 Cluster 时，Client 和服务端 Pod 部署于不同ECS，其中client为集群外
访问 SVC External IP， ExternalTrafficPolicy 为 Local 时, Client 和服务端 Pod 部署于不同 ECS，其中client为集群内
访问 SVC External IP， ExternalTrafficPolicy 为 Local 时, Client 和服务端 Pod 部署于不同 ECS，其中 client 为集群外

场景一：Client和服务端Pod部署于同一个ECS

此场景包含下面几个子场景，数据链路可以归纳为一种：

以 Pod IP 对外提供服务，Client 和 Pod 部署于同一个节点；
以 SVC ClusterIP 对外提供服务，Client 和 SVC 后端 Pod 部署于同一节点；
以 SVC ExternalIP 对外提供服务，ExternalTrafficPolicy 为 Cluster/Local 情况下，Client 和 SVC 后端 Pod 部署于同一节点

环境

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ap-southeast-1.10.0.0.180 节点上存在两个pod：centos-67756b6dc8-rmmxt IP地址172.23.96.23 和 nginx-7d6877d777-6jkfg 和172.23.96.24

内核路由

centos-67756b6dc8-rmmxt IP地址172.23.96.23，该容器在宿主机表现的 PID 是503478，该容器网络命名空间有指向容器 eth0 的默认路由

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该容器 eth0 在 ECS OS 内对应 veth pair 是 vethd7e7c6fd

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通过上述类似的办法，可以找到nginx-7d6877d777-6jkfg IP地址172.23.96.24，该容器在宿主机表现的 PID 是2981608，该容器 eth0 在 ECS OS 内对应veth pair是vethd3fc7ff4

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在 ECS OS 内，有指向 Pod CIDR，下一跳为 cni0 的路由，以及 cni0 中有两个容器的vethxxx 网桥信息

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小结：可以访问到目的端

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▲数据链路转发示意图

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▲内核协议栈示意图

数据链路：ECS1 Pod1 eth0 -> vethxxx1 -> cni0 -> vethxxxx2 -> ECS1 Pod2 eth0
数据链路要经过三次内核协议栈，分别是 Pod1 协议栈， ECS OS 协议栈和 Pod2 协议栈

场景二：Client 和服务端 Pod 部署于不同 ECS

此场景包含下面几个子场景，数据链路可以归纳为一种：

以 Pod IP 对外提供服务，Client 和 Pod 部署于不同节点；
以 SVC ClusterIP 对外提供服务，Client和SVC 后端Pod部署于不同节点；
以 SVC ExternalIP 对外提供服务，ExternalTrafficPolicy 为 Cluster 情况下，集群内 Client 和 SVC 后端 Pod 部署于不同节点；

环境

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ap-southeast-1.10.0.0.180 节点上存在两个 pod：centos-67756b6dc8-rmmxt IP地址172.23.96.23 和 nginx1-76c99b49df-7plsr IP 地址172.23.96.163

Service nginx1 的 ExternalTrafficPlicy 为 Cluster

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内核路由

Pod 网络空间和 ECS OS 网络空间的数据交换在 2.1 场景一中已经做了详细描述，此处不再果断篇幅描述。

源端 Pod 所在 ECS 的 IPVS 规则

可以看到，源端数据链路访问 svc 的clusterip 192.168.13.23 时，如果链路到达 ECS 的OS 内，会命中 ipvs 规则，被解析到 svc 的后端 endpoint 之一（本实例中只有一个 pod，所以 endpoint 只有一个）

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小结：可以成功访问到目的端

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▲数据链路转发示意图

VPC 路由表会自动配置目的地址是 pod CIDR，下一跳为 POD 网段所归属的 ECS 的自定义路由条目，该规则由 ACK 管控测通过 openapi 调用 VPC 去配置，无需手动配置和删除

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▲内核协议栈示意图

Conntack 表信息（访问 SVC 情况）

Node1:

src是源pod IP，dst是svc的ClusterIP，并且期望是由svc的其中一个endpoint 172.23.96.163 来回消息给源端 pod

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Node2:

目的 pod 所在 ECS 上 conntrack 表记录是由源端 pod 访问目的 pod，不会记录 svc 的clusterip 地址

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数据链路：ECS1 Pod1 eth0 -> vethxxx1 -> cni0 -> ECS 1 eth0 -> VPC -> ECS2 eth0 -> cni0 -> vethxxxx2 -> ECS2 Pod2 eth0
数据链路要经过四次内核协议栈，分别是 Pod1 协议栈， ECS1 OS 协议栈， ECS2 OS 协议栈和 Pod2 协议栈
VPC 路由表会自动配置目的地址是 pod CIDR，下一跳为 POD 网段所归属的 ECS 的自定义路由条目，该规则由 ACK 管控测通过 openapi 调用 VPC 去配置，无需手动配置和删除
如果访问的 SVC 的 cluster IP，或者是 Cluster 模式下，访问 SVC 的 externalIP，数据链路通过veth pair进到 ECS OS 内后，会命中相应的 IPVS 规则，并根据负载规则，选择IPVS的某一个后端，进而打到其中的一个 SVC 的后端 endpoint，SVC 的 IP 只会再 PoD 的 eth0 ， veth pair vethxxx 被捕捉到，其他链路环节不会捕捉到 svc 的 IP

场景三：ExternalTrafficPolicy 为 Local时，Client 和服务端 Pod 部署于集群内不同 ECS

此场景包含下面几个子场景，数据链路可以归纳为一种：

1.以SVC ExternalIP对外提供服务，ExternalTrafficPolicy 为 Local情况下，集群内 Client 和 SVC 后端 Pod 部署于不同节点；

环境

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ap-southeast-1.10.0.0.180 节点上存在两个pod：centos-67756b6dc8-rmmxt IP地址172.23.96.23 和 nginx1-76c99b49df-7plsr IP 地址172.23.96.163

Service nginx1 ExternalTrafficPolicy 为 Local

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内核路由

Pod 网络空间和 ECS OS 网络空间的数据交换在 2.1 场景一中已经做了详细描述，此处不再果断篇幅描述。

源端 Pod 所在 ECS 的 IPVS 规则

可以看到，源端数据链路访问 svc 的 externalip 8.219.164.113 时，如果链路到达 ECS 的OS内，会命中ipvs规则，但是我们可以看到EcternalIP 并没有相关的后端 endpoint，链路达到 OS 后，会命中 IPVS 规则，但是没有后端 pod，所以会出现 connection refused

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小结：不可以访问到目的端，此时会访问失败，Connection refused

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▲数据链路转发示意图

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▲内核协议栈示意图

数据链路：ECS1 Pod1 eth0 -> vethxxx1 ->
数据链路要经过一次半内核协议栈，分别是 Pod1 协议栈，半个 ECS1 OS 协议栈
如果访问的 SVC 的 External IP，或者是 Local 模式下，访问 SVC 的 externalIP，数据链路通过 veth pair 进到 ECS OS内后，会命中相应的 IPVS 规则，但是由于 Local 模式，External IP的 IPVS 为空，所以命中规则但是无转发后端，整个链路会在 ipvs 终止，访问失败。所以建议集群内采用 clusterip 访问，这也是 k8s 官方推荐的最佳实践。

场景四：ExternalTrafficPolicy 为 Local 时，Client 来自于集群外

此场景包含下面几个子场景，数据链路可以归纳为一种：A.访问SVC External IP， ExternalTrafficPolicy 为 Local时, Client 和服务端 Pod 部署于不同 ECS，其中 client 为集群外

环境

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Deployment为nginx1，分别为三个pod nginx1-76c99b49df-4zsdj和nginx1-76c99b49df-7plsr 部署在 ap-southeast-1.10.0.1.206 ECS上，最后一个pod nginx1-76c99b49df-s6z79 部署在其他节点 ap-southeast-1.10.0.1.216 上

Service nginx1 的ExternalTrafficPlicy 为 Local

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内核路由

Pod 网络空间和 ECS OS 网络空间的数据交换在 2.1 场景一中已经做了详细描述，此处不再果断篇幅描述。

SLB 相关配置

从 SLB 控制台，可以看到 SLB 后端的虚拟服务器组中只有两个 ECS 节点ap-southeast-1.10.0.1.216 和 ap-southeast-1.10.0.1.206。集群内的其他节点，比如 ap-southeast-1.10.0.0.180 并未被加到 SLB 的后端虚拟服务器组中。虚拟服务器组的 IP 为 ECS 的 IP，端口为 service 里面的 nodeport 端口 32580.

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故 ExternalTrafficPolicy 为 Local 模式下，只有有 Service 后端 pod 所在的 ECS 节点才会被加入到 SLB 的后端虚拟服务器组中，参与 SLB 的流量转发，集群内的其他节点不参与 SLB 的转发

SLB 虚拟服务器组 ECS 的 IPVS 规则

从SLB的虚拟服务器组中的两个 ECS 可以看到，对于 nodeip+nodeport 的 ipvs转发规则是不同。ExternalTrafficPolicy 为 Local 模式下，只有该节点上的护短 pod 才会被加到该节点的 ipvs 转发规则中，其他节点上的后端 pod 不会加进来，这样保证了被 SLB 转发的链路，只会被转到该节点上的 pod，不会转发到其他节点上。

node1：ap-southeast-1.10.0.1.206

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node1：ap-southeast-1.10.0.1.216

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小结：可以访问到目的端

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▲数据链路转发示意图

该图示意了只有后端 pod 所在 ECS 才会加到 SLB 后端中，从集群外部访问 SVC 的externalIP（SLB IP）的情况，可见数据链路只会被转发到虚拟服务器组中的 ECS，不会再被转发到集群内其他节点上。

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▲内核协议栈示意图

Conntack 表信息

Node:

src 是集群外部客户端IP，dst 是节点 IP，dport 是 SVC 中的 nodeport。并且期望是由该 ECS 上的 pod 172.23.96.82 来回包给源端

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数据链路：client -> SLB -> ECS eth0 + ECS nodeport -> cni0 -> vethxxxxx -> ECS1 Pod1 eth0
数据链路要经过两次内核协议栈，分别是 Pod1 协议栈， ECS1 OS 协议栈
ExternalTrafficPolicy 为 Local 模式下，只有有 Service 后端 pod 所在的 ECS 节点才会被加入到SLB的后端虚拟服务器组中，参与 SLB 的流量转发，集群内的其他节点不参与 SLB 的转发

场景五：ExternalTrafficPolicy 为 Cluster 时，Client 来自于集群外

此场景包含下面几个子场景，数据链路可以归纳为一种：

1.访问 SVCExternal IP， ExternalTrafficPolicy 为 Cluster 时, Client 和服务端 Pod部署于不同 ECS，其中 client 为集群外

环境

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Service nginx2 的 ExternalTrafficPlicy 为 Cluster

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内核路由

Pod 网络空间和 ECS OS 网络空间的数据交换在 2.1 场景一中已经做了详细描述，此处不再果断篇幅描述。

SLB 相关配置

从SLB 控制台，集群内所有节点ap-southeast-1.10.0.0.180、ap-southeast-1.10.0.1.216 和 ap-southeast-1.10.0.1.206 都被加到SLB的虚拟服务器组中。其中虚拟服务器组的 IP 为 ECS 的 IP，端口为 service 里面的 nodeport 端口 30875.

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故 ExternalTrafficPolicy 为 CLuster 模式下，集群内所有的 ECS 节点都会被加入到 SLB 的后端虚拟服务器组中，参与 SLB 的流量转发。

SLB 虚拟服务器组 ECS 的 IPVS 规则

从SLB的虚拟服务器组中的可以看到，对于 nodeip+nodeport 的 ipvs 转发规则是一致的。ExternalTrafficPolicy为 CLuster 模式下，所有的 service 后端 pod 都会被加到所有节点的 ipvs 的转发规则中，即使是该节点有后端 pod，流量也不一定会被转发到该节点上 pod，可能会被转发到其他节点上的后端 pod。

node1：ap-southeast-1.10.0.1.206 (该节点有后端pod)

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node1：ap-southeast-1.10.0.1.216 (该节点有后端pod)

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node3: ap-southeast-1.10.0.0.180 (该节无后端pod)

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小结：可以访问到目的端

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▲数据链路转发示意图

该图示意了集群内所有 ECS 都会被加到 SLB 后端中，从集群外部访问 SVC 的externalIP（SLB IP）的情况，数据流量可能会被转发到其他节点上

内核协议栈示意图：

内核协议栈示意图已经在 2.4 场景一中已经做了详细描述，此处不再果断篇幅描述。

Conntack 表信息

链路1：

ap-southeast-1.10.0.0.180:

此时数据链路对应示意图中的链路1，可以看到数据链路被转到 ap-southeast-1.10.0.0.180 节点，该节点上并没有 service 的后端 pod，通过 conntrack 信息，可以看到

src 是集群外部客户端 IP，dst 是节点 IP，dport 是 SVC 中的 nodeport。并且期望是172.23.96.163 来回包给 10.0.0.180 。通过前述信息，可以得知172.23.96.163 是nginx1-76c99b49df-7plsr pod，部署在 ap-southeast-1.10.0.1.206

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ap-southeast-1.10.0.1.206：

通过此节点conntrack 表，可以看到src是 node ap-southeast-1.10.0.0.180，dst 是 172.23.96.163的80 端口，回包也是直接回给 node ap-southeast-1.10.0.0.180.

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综上可以看到 src 变换了多次，故在 CLuster 模式下，会存在丢失真实客户端 IP 的情况

链路2：

src 是集群外部客户端 IP，dst 是节点IP，dport 是 SVC 中的 nodeport。并且期望是由该 ECS 上的 pod 172.23.96.82 来回包给 172.23.96.65，此地址是 SLB 集群中的一个地址

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数据链路：情景一：client -> SLB -> ECS eth0 + ECS nodeport -> cni0 -> vethxxxxx -> ECS1 Pod1 eth0情景二：client -> SLB -> ECS1 eth0 + ECS1 nodeport -> VPC Routing -> ECS2 eth0 + pod port -> cni0 -> vethxxxxx -> ECS2 Pod1 eth0
数据链路要经过三次内核协议栈，分别是 ECS1 OS、 ECS2 OS 协议栈和 Pod 协议栈
ExternalTrafficPolicy 为 CLuster 模式下，kubernetes 所有 ECS 节点都会被加入到 SLB 的后端虚拟服务器组中，参与 SLB 的流量转发，此时会存在数据路在集群内被多个 ECS 转发的场景，该情况下会丢失真实客户端IP的情况

总结

本篇文章主要聚焦 ACK 在 Flannel 模式下，不同 SOP 场景下的数据链路转发路径。随着微服务化和云原生化，网络场景日趋复杂，作为 kubernetes 原生的网络模型——Flannel，不同的访问环境，一共可以分为10个 SOP 场景。通过深入简出的剖析，可以归纳为5个场景，并对这五个场景的转发链路，技术实现原理，云产品配置等一一梳理并总结，这对我们遇到 Flannel 架构下的链路抖动、最优化配置，链路原理等提供了初步指引方向。接下来将进入到阿里自研的 CNI 接口 Terway 模式，也是目前线上集群使用最多的模式，下一系列我们先带来 Terway ENI 模式的全景解析——ACK 全景剖析阿里云容器网络数据链路（二）：Terway ENI。

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