Kubernets（k8s）网络原理三：同主机内Pod相互访问

前两篇文章中我们介绍了pod怎么和宿主机通信以及pod怎么访问外网，这两种通信是理解pod间通信的基础。

关于pod间的相互访问，这里还需要细化一下。回想一下pod在k8s节点中的分布，两个pod可能分布在同一台宿主机上，也可能分布在不同宿主机上。这两种不同的拓扑结构，其组网模型也不一样。

本文先介绍第一种，同宿主内pod间如何访问

同宿主内pod间如何访问

关于同主机下的pod如何访问，有多种技术可以实现，因为这个pod发送的数据包，无论如何流转，始终不会出宿主机。

正如前文所说，要分析网络，总是离不开网络设备和路由表。

veth pair

既然之前文章我们说过，veth pair可以实现跨network namespace通信，最简单的我们可以用veth pair来做这件事情。

回想第一篇文章，我们的veth pair一端在pod的network namespace，另外一端在宿主机上，也就是root network namespace。如果我们将另外一端放到要通信pod的network namespace中不就可以了吗？

没错，这种模型完全可以。并且也很简单，但是要维护它却很困难。

因为这种模型类似一个点对点的结构，它要求pod两两之间都需要有veth pair。

试想，如果同一个主机内存在N个Pod。那么每个pod ns中都会存在N-1个veth设备，以及N-1条路由规则，整个主机上存在N*N个veth pair。

那你可能会说了，node节点默认可运行的pod数目上限是110个，也不是天文数字，似乎也能接受

确实，但再试想一个场景，当一个pod的IP发生变化的时候，你需要做什么？这时候可能就需要修改其他所有pod的路由规则。

这样一想，似乎就不太好接受了，veth pair的数量和路由表的维护是一个麻烦事。

那如果有个角色，能够将这些veth pair 束口呢？

bridge

接着刚才那个问题，熟悉linux设备的同学可能马上会想到，Liunx网桥不就能干这件事情吗？

确实可以，Linux bridge可以让这些网络设备作为一个端口连接到网桥上来，如下图所示：

在这里，Linux bridge充当了一个二层交换机的角色。负责将来自不同veth设备的流量进行交换和转发。

网桥的定义：网桥是一个工作在数据链路层的网络设备，可以连接多个局域网段，它能够根据MAC地址来转发帧，使得多个网络段上的设备能够像在同一个网络中一样进行通信。
Linux网桥：在Linux系统中，网桥是通过软件模拟实现的。它允许系统管理员创建一个逻辑上的交换机，可以绑定多个物理或虚拟网络接口。

这个模型很简单，它解决了第一种模型下veth pair数量多和需要维护路由的问题。

还是以同一个主机下N个Pod为例，在这个模型下，每个Pod的network namespace下只需要存在一个veth设备，整个主机也只需要N个veth pair。同时pod间的路由规则不需要任何路由表来记录。

没了路由表，Linux bridge怎么知道发送给谁呢？

答案是广播和转发表

广播的含义是当Linux bridge一个端口收到报文，而转发表中没有目标地址的MAC时，就会广播所有连接到bridge上的网络接口。

转发表的含义是bridge会记录所有经过的报文的MAC地址，它是自学习的。

有了linux bridge，大大减少了管理的复杂度，下面通过一个小实验，感受一个pod间如何通信。

实验

本实验用到的命令在Kubernets（k8s）网络原理一：Pod与宿主机通信文章中有简单介绍

如无特殊说明，我们实验都用network namespace代指pod

创建pod-1和pod-2

# ip netns add pod-1

# ip netns add pod-2

创建eth0和veth1，并将eth0加入pod-1 ns

# ip link add eth0 type veth peer name veth1

# ip link set eth0 netns pod-1

创建eth0和veth2，并将eth0加入pod-2 ns

# ip link add eth0 type veth peer name veth2

# ip link set eth0 netns pod-2

分别给pod-1和pod-2中的eth0配置ip

# ip netns exec pod-1 ip addr add 10.10.1.10/32 dev eth0

# ip netns exec pod-2 ip addr add 10.10.1.11/32 dev eth0

启动pod-1中veth pair，并添加路由，为什么添加路由请查看前一篇文章

# ip netns exec pod-1 ip link set eth0 up

# ip link set veth1 up

# ip netns exec pod-1  ip ro add default dev eth0

启动pod-2中veth pair，并添加路由

# ip netns exec pod-2 ip link set eth0 up

# ip link set veth2 up

# ip netns exec pod-2 ip ro add default dev eth0

创建网桥cbr0并启动，需要安装bridge-utils

# brctl addbr cbr0

# ip link set cbr0 up

将vteh1和veth2 添加进网桥

# brctl addif cbr0 veth1

# brctl addif cbr0 veth2

查看vteh1和veth2是否正确添加到网桥

# brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
cbr0            8000.d6821b81f256       no              veth1
                                                        veth2

准备工作就绪，此时网络拓扑如下

我们尝试在pod-1中ping pod-2来模拟通信

# ip netns exec pod-1 ping -c 1 10.10.1.11
PING 10.10.1.11 (10.10.1.11) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.10.1.11: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.033 ms

--- 10.10.1.11 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.033/0.033/0.033/0.000 ms

一切顺利，可以ping通，我们抓包看看这个过程发生了什么

# ip netns exec pod-1 tcpdump -pne -i eth0
12:20:24.329781 12:35:c3:bb:69:bc > Broadcast, ethertype ARP (0x0806), length 42: Request who-has 10.10.1.11 tell 10.10.1.10, length 28
12:20:24.329812 7e:55:17:b0:dc:bb > 12:35:c3:bb:69:bc, ethertype ARP (0x0806), length 42: Reply 10.10.1.11 is-at 7e:55:17:b0:dc:bb, length 28
12:20:24.329814 12:35:c3:bb:69:bc > 7e:55:17:b0:dc:bb, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: 10.10.1.10 > 10.10.1.11: ICMP echo request, id 48389, seq 1, length 64
12:20:24.329827 7e:55:17:b0:dc:bb > 12:35:c3:bb:69:bc, ethertype IPv4 (0x0800), length 98: 10.10.1.11 > 10.10.1.10: ICMP echo reply, id 48389, seq 1, length 64
12:20:29.340282 7e:55:17:b0:dc:bb > 12:35:c3:bb:69:bc, ethertype ARP (0x0806), length 42: Request who-has 10.10.1.10 tell 10.10.1.11, length 28
12:20:29.340285 12:35:c3:bb:69:bc > 7e:55:17:b0:dc:bb, ethertype ARP (0x0806), length 42: Reply 10.10.1.10 is-at 12:35:c3:bb:69:bc, length 28

查看MAC地址与端口的映射关系

# brctl showmacs cbr0
port no mac addr                is local?       ageing timer
  1     12:35:c3:bb:69:bc       no                 2.30
  2     7e:55:17:b0:dc:bb       no                 2.30
  1     d6:82:1b:81:f2:56       yes                0.00
  2     fe:c5:af:3f:03:b6       yes                0.00

值得说明的是，is local为no表示不是这个MAC地址不在root network namespace，上面回显中d6:82:1b:81:f2:56和fe:c5:af:3f:03:b6是veth1和veth2的mac地址，他们的is local为yes是因为veth1和veth2在root namespace。同时还可以看到相同端口号对应的正好是一对veth pair。

因此我们可以根据这两个信息总结关键流程如下：

pod-1发起ICMP请求，因为无pod-2的MAC地址，于是先发起ARP请求
pod-1 eth0发起ARP请求，希望获取10.1.10.11的mac地址
cbr0收到广播的ARP请求，在转发表中记录MAC地址和端口
此时crb0中不存在pod-2中eth0的MAC地址，于是向所有将广播转发到其所绑定的所有端口，除了源veth
pod-2 发现ieth0的ip刚好匹配，于是响应ARP请求，告诉自己的MAC地址
crb0收到pod-2的ARP响应，在转发表中记录MAC地址和端口
pod-1 向pod-2发起ICMP请求
pod-2 响应ICMP请求

实验过程非常简单，这个模型能工作的原理就是利用了Linux bridge在二层通信。

实验环境清理

执行以下命令清理上文配置的设备

# ip netns del pod-1

# ip netns del pod-2

# ip link set cbr0 down

# brctl delbr cbr0

小结

整个模型非常简单，完全是利用Linux Bridge的特性，没有什么好总结的，既然不总结，那就提几个问题

veth1和veth2为什么不需要配置IP？
bridge模型下主机内pod通信需要主机的eth0参与吗？
如果主机内pod通信不需要eth0参与，那什么时候需要它参与呢？
cbr0网桥什么时候需要配置IP？

这些问题可能没有一个唯一的答案，但是能够触发我们思考。

直接点就是想说，要分析一种网络模型，你必须要知道这个网络下的各种网络设备作用。以及当网络诉求变化时，相关网络设备应该如何变化。

route table

bridge可以充当束口的角色，但是如果不想引入Linux bridge这个网络设备，又该如何处理呢？

我们知道一个主机打开ip_forward转发的时候，他自己就可以转发报文。

转发报文也就意味着从一个网络接口，转给另外一个网络接口，这个好理解，也就是说只要将veth pair的另一端连接到root network namesapce，让主机就能看到这个网络设备就可以做到。

问题在于第二个，如何转发？

话都到这了，肯定会想到路由表嘛

没错，在这个模型下，就是让主机承担这个转发的任务，同时将这些veth pair收拢到root network namesapce里面来。

通信模型如下。

在这个模型下，省去了网桥概念，通信模型更为简单，但是需要维护root network namespace中的route规则。不过好在这不会太多。

还是以同一个主机下N个Pod为例，在这个模型下，每个Pod的network namespace下只需要存在一个veth设备，整个主机也只需要N个veth pair，此外root network namespace中还需要有N条路由规则。

同理，我们也进行一个小实验来模拟

实验

建议先查看Kubernets（k8s）网络原理一：Pod与宿主机通信，理解network namespace怎么和主机通信

老规矩，我们创建pod-1和pod-2 network namespace代表两个pod

以路由的方式配置nework namespace在上一篇文章中已经介绍了每一条命令的作用，因此这里只罗列命令

配置pod-1

# ip netns add pod-1

# ip link add eth0 type veth peer name veth1

# ip link set eth0 netns pod-1

# ip netns exec pod-1 ip addr add 10.10.1.10 dev eth0

# ip netns exec pod-1 ip link set dev eth0 up

# ip netns exec pod-1 ip route add 169.254.1.1 dev eth0

# ip netns exec pod-1 ip route add default via 169.254.1.1 dev eth0

# ip link set dev veth1 up 

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/proxy_arp

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

配置pod-2

# ip netns add pod-2

# ip link add eth0 type veth peer name veth2

# ip link set eth0 netns pod-2

# ip netns exec pod-2 ip addr add 10.10.1.11 dev eth0

# ip netns exec pod-2 ip link set dev eth0 up

# ip netns exec pod-2 ip route add 169.254.1.1 dev eth0

# ip netns exec pod-2 ip route add default via 169.254.1.1 dev eth0

# ip link set dev veth2 up 

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth2/proxy_arp

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

然后在主机上配置路由表

# ip route add 10.10.1.10 dev veth1 scope link

# ip route add 10.10.1.11 dev veth2 scope link

路由表的意思是说，所有发给10.10.1.10的报文都从veth1出去，同理，所有发给10.10.1.11的报文都从veth2 出去。

此时网络拓扑如下图所示：

此时我们尝试在pod-1中ping pod-2来模拟通信

# ip netns exec pod-1 ping -c 1 10.10.1.11
PING 10.10.1.11 (10.10.1.11) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.10.1.11: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.035 ms

--- 10.10.1.11 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.035/0.035/0.035/0.000 ms

没有问题，但是整个过程发生了什么呢，我们来抓包看一下

在pod-1中抓包

# ip netns exec pod-1 tcpdump -n -i eth0
09:53:29.297355 ARP, Request who-has 169.254.1.1 tell 10.10.1.10, length 28
09:53:29.382379 ARP, Reply 169.254.1.1 is-at be:7c:fa:0e:81:25, length 28
09:53:29.382386 IP 10.10.1.10 > 10.10.1.11: ICMP echo request, id 36618, seq 1, length 64
09:53:29.541810 IP 10.10.1.11 > 10.10.1.10: ICMP echo reply, id 36618, seq 1, length 64

这个过程其实我们已经在pod与宿主机通信文章中分析过了，这里简单梳理以下流程