kubernetes网络(一)之calico详解

摘要

本文介绍Kubernetes最流行的网络解决方案calico。

kubernetes中不同宿主上的pod需要相互通信，如果按TCP/IP协议分层进行分类：

二层方案：flannel的udp和vxlan模式
三层方案：flannel的host-gw模式；calico的IPIP模式与BGP模式；kube-router

本文我们学习calico具体是如何运作的。

引出

在介绍calico之前，先来看一个网络中最最常见也最简单的网络通信案例，如图所示：

在这里插入图片描述

有2个三层交换机，每个交换机下面有一个网段，分别是192.168.1.0/24和192.168.2.0/24网段。同时每个交换机各自连接了2台服务器，各个服务器的IP如上图所示。为了实现服务器之前相互通信，可以这些实现：

1）两个交换机运行三层路由协议比如ospf,bgp，进行相互路由学习。

2）各个服务器将网关指向对应的交换机。

当两个三层交换机路由协议完成邻接状态后，交换机A学习到，要去192.168.2.0/24网段，下一跳地址是交换机B。同理交换机B学习到，要去192.168.1.0/24网段，下一跳地址是交换机A。

这是如何服务器A需要与服务器C通信，路由是这样的：

服务器A先判断服务器C的IP地址，不是与其在同一网段，那么服务器A将数据包交给网关即交换机A ,数据包的格式:

|目的IP=192.168.2.10|源IP=192.168.1.10| DATA |

交换机收到数据包后，查询自己的路由表，发现数据包的目的IP是192.168.2.10，是属于192.168.2.0/24网段。进而从路由表查到下一跳是交换机B的互联地址192.168.100.2，于是数据包被传递给交换机B
交换机B收到数据包后，先查看数据包的目的IP是192.168.2.10，再查询交换机自己的路由表，查询到192.168.2.0/24是属于它的直连网段，于是交换机通过arp查询到服务器C的mac是CCCC.CCCC.CCCC.CCCC，于是将数据包通过二层转发给服务器C。至此，就完成了单边路由，同理回程路由也是一样的。

再多想一下，假如上图中的服务器演变是pod，而三层交换机演变为宿主中的一个运行了bgp路由协议的进程(bird)，如下图：

在这里插入图片描述

这就是calico的雏形。所以某种程度上说，calico看似很简单，就是将宿主节点当作虚拟路由vRouter，为POD做路由转发能力。

Calico的介绍

calico简介

Calico是一个开源的网络和网络安全解决方案，适用于容器、虚拟机和基于本机主机的工作负载。Calico支持多种平台，包括Kubernetes、OpenShift、Docker EE、OpenStack和裸机服务。 Calico将灵活的网络功能与随时随地运行的安全实施相结合，提供了具有本地Linux内核性能和真正的云本地可伸缩性的解决方案。Calico为开发人员和集群运营商提供一致的体验和功能集，无论是在公共云中运行还是在本地运行，都可以在单个节点上运行。 — calico官网

Calico 方案的特点：

由于Calico是一种纯三层的实现，因此可以避免与二层方案相关的数据包封装的操作，中间没有任何的NAT，没有任何的overlay，所以它的转发效率可能是所有方案中最高的。
Calico还能为通信实现网络控制策略，因为数据包直接走原生TCP/IP的协议栈，而TCP/IP的协议栈提供了一整套的防火墙的规则，所以它可以通过IPTABLES的规则达到比较复杂的隔离逻辑。

Calico优劣势

优势

更优的资源利用
二层网络通讯需要依赖广播消息机制，广播消息的开销与host的数量呈指数级增长，Calico使用的三层路由方法，则完全抑制了二层广播，减少了资源开销。此外，二层网络使用Vlan隔离技术，天生有4096个规格限制，即便可以使用Vxlan解决，但Vxlan又带来了隧道开销的问题。Calico不使用vlan或者vxlan技术，使资源利用率更高。
可扩展性
Calico使用与Internet类似的方案，Internet的网络比任何数据中心都大，Calico同样天然具有扩展性。
简单更容易调试
由于没有隧道，意味着workloads之间路径更短，配置更少，在host之间更容易进行debug调试。
更少的依赖
Calico仅依赖三层路由可达
可适配性
Calico较少的依赖性使它能适配所有的VM、Container、白盒或者混合环境场景。
支持网络策略

可以配合使用 Network Policy 做 pod 和 pod 之前的访问控制

劣势

要求宿主机处于同一个2层网络下，也就是连在一台交换机上
路由的数目与容器数目相同，非常容易超过路由器、三层交换、甚至node的处理能力，从而限制了整个网络的扩张。(可以使用大规模方式解决)
每个node上会设置海量的iptables规则、路由，运维、排障难度大。
原理决定了它不可能支持VPC，容器只能从calico设置的网段中获取ip。

calico的架构

在这里插入图片描述

(图片来自网络，如有请求请联系作者)

Calico的主要工作组件包括：

Felix：运行在每一台 Host 的 agent 进程，主要负责网络接口管理和监听、路由、ARP 管理、ACL 管理和同步、状态上报等。Felix会监听ECTD中心的存储，从它获取事件，比如说用户在这台机器上加了一个IP，或者是创建了一个容器等。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。
- 接口管理：Felix为内核编写一些接口信息，以便让内核能正确的处理主机endpoint的流量。特别是主机之间的ARP请求和处理ip转发。
- 路由规则：Felix负责主机之间路由信息写到linux内核的FIB（Forwarding Information Base）转发信息库，保证数据包可以在主机之间相互转发。
- ACL规则：Felix负责将ACL策略写入到linux内核中，保证主机endpoint的为有效流量不能绕过calico的安全措施。
- 状态报告：Felix负责提供关于网络健康状况的数据。特别是，它报告配置主机时出现的错误和问题。这些数据被写入etcd，使其对网络的其他组件和操作人员可见。
etcd：分布式键值存储，主要负责网络元数据一致性，确保Calico网络状态的准确性，可以与kubernetes共用；
BIRD ：Calico 为每一台 Host 部署一个 BGP Client，使用 BIRD 实现，BIRD 是一个单独的持续发展的项目，实现了众多动态路由协议比如 BGP、OSPF、RIP 等。在 Calico 的角色是监听 Host 上由 Felix 注入的路由信息，然后通过 BGP 协议广播告诉剩余 Host 节点，从而实现网络互通。
BGP Route Reflector：在大型网络规模中，如果仅仅使用 BGP client 形成 mesh 全网互联的方案就会导致规模限制，因为所有节点之间俩俩互联，需要 N^2 个连接，为了解决这个规模问题，可以采用 BGP 的 Router Reflector 的方法，使所有 BGP Client 仅与特定 RR 节点互联并做路由同步，从而大大减少连接数。
Calicoctl：calico 命令行管理工具。
Orchestrator plugin：协调器插件负责允许kubernetes或OpenStack等原生云平台方便管理Calico，可以通过各自的API来配置Calico网络实现无缝集成。如kubernetes的cni网络插件。

IPIP与BGP模式

边界网关协议（Border Gateway Protocol, BGP）是互联网上一个核心的去中心化自治路由协议。它通过维护IP路由表或‘前缀’表来实现自治系统（AS）之间的可达性，属于矢量路由协议。BGP不使用传统的内部网关协议（IGP）的指标，而使用基于路径、网络策略或规则集来决定路由。因此，它更适合被称为矢量性协议，而不是路由协议。BGP路由模式使用直接路由，避免了数据包封装与解封，所以性能是最好的。

BGP模式使用的是直接路由方式，在kubernetes中，由于pod所在网段对于内网交换机是无法识别的，所以使用的BGP模式的前提是：宿主之间必须在同一个二层域内。（如果对网络不是特别熟悉的话，可能无法准确理解，后面我会单独分析。请见"补充"）

IPIP

IPIP模式是把 IP 层封装到 IP 层的一个 tunnel。它的作用其实基本上就相当于一个基于IP层的网桥！一般来说，普通的网桥是基于mac层的，根本不需 IP，而这个 ipip 则是通过两端的路由做一个 tunnel，把两个本来不通的网络通过点对点连接起来。ipip 是由linx内核实现，的源代码在内核 net/ipv4/ipip.c 中可以找到。

IPIP模式是calico默认的模式，无论宿主是否在同一二层域都可以。缺点是经过IPIP封装与解封，性能有稍微损失。性能对比请详解文章：calico的两种网络模式BGP和IP-IP性能分析。

特别说明：IPIP模式下，宿主上的bird进程仍然会跑BGP，只是POD to POD 通信的数据包会被，宿主利用隧道进行封装。

混合模式

从上面可以看出IPIP模式的优点是只要宿主之间三层互通即可，而BGP模式需要宿主之间必须在一个二层域内。但BGP使用直接路由，性能又是最好的。所以calico的混合模式，可以动态的自行选择模式：即如果两宿主在同一二层域就选择BGP模式，不再同一二层域就选择IPIP模式。

calico模式调整

接下来介绍如何修改calico的网络模式：

kubectl edit ippool

在这里插入图片描述

ipipMode: Always 为默认值，即使用IPIP模式。如果要修改为BPG模式，需要将值改Never。另外，可以将值修改为CrossSubnet，表示如果两宿主节点在同一个二层网络使用BGP模式，而不在同一二层模式这使用IPIP模式

如下图，我们将calico网络模式修改为混合模式后，观察路由表如下：
在这里插入图片描述

可以看到如果目的宿主10.234.12.77/85与本宿主10.234.12.78在同一网段，那么使用的是直接路由即BGP模式，如果目的宿主172.23.67.73与本宿主10.234.12.78不在同一网段，使用的IPIP模式(走的隧道tunl0)。

代理ARP

calico方案中，将veth pair一段插入pod，另一端插入宿主内核协议栈中，无需为宿主段的veth配置IP，也无需接入bridge.借用代理arp，将pod的默认路由都转发到宿主的网络协议栈，借助宿主进行路由转发。

进入Pod,可以看到pod的默认路由是走169.254.1.1

在这里插入图片描述

pod的mac地址

在这里插入图片描述

pod里面查看arp表, 169.254.1.1对应的mac是特殊的地址ee:ee:ee:ee:ee:ee

在这里插入图片描述

登录宿主可以看到，去往pod的接口是cali5ef7fb336ae

在这里插入图片描述

宿主上可以看到 cali5ef7fb336ae 没有配置IP地址

在这里插入图片描述

Pod 与宿主互联的示意图

在这里插入图片描述

169.254.1.1 是一个特殊的 IP 。不过这里这个 IP 并不重要，只是为了防止冲突才选择了这个特殊值。当 Pod 要访问其他 IP 时，如果该 IP 在同一个网段，那就需要获取该 IP 的 MAC 地址。如果目的IP不在一个网段，那么根据路由表，就要获取网关的 IP 地址。所以无论如何，arp 请求都会到达上图中的 calico5e7fb336ac。因为宿主开启了代理ARP功能 proxy_arp=1，所以宿主就会返回自己的 MAC 地址ee:ee:ee:ee:ee:ee，然后 Pod 的流量就发到了主机的网络协议栈。到达网络协议栈之后，被可以被宿主转发到对端的主机上。

calico路由反射器

为何需要路由反射器

默认情况下calico的BGP建立 peer 关系是node to node mesh，见下图PEER TYPE。Calico集群中的节点之间都会相互建立连接，用于路由交换。但是随着集群规模的扩大，mesh模式将形成一个巨大服务网格，连接数成倍增加。这时就需要使用 Route Reflector（路由器反射）模式解决这个问题。确定一个或多个Calico节点充当路由反射器，让其他节点从这个RR节点获取路由信息。

在这里插入图片描述

路由反射器的实战

实验环境有4个 calico node节点。默认情况下，他们使用 node to node mesh 即全互联模式。我们的目标是使用10.234.12.78选做一台路由反射器RR。RR会与其他所有calico node 建立BGP peer，而calico node 只会与 RR 建立 BGP Peer关系。

在这里插入图片描述

1）先禁用nodetonode mesh模式，将nodeToNodeMeshEnabled对应值改为false

$ cat << EOF | calicoctl create -f -
apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: BGPConfiguration
metadata:
  name: default
spec:
  logSeverityScreen: Info
  nodeToNodeMeshEnabled: false
  asNumber: 64512
EOF

在这里插入图片描述

2）配置 BGP node 与 Route Reflector 的连接建立规则

$ cat << EOF | calicoctl create -f -
kind: BGPPeer
apiVersion: projectcalico.org/v3
metadata:
  name: peer-to-rrs
spec:
  # 规则1：普通 bgp node 与 rr 建立连接
  nodeSelector: "!has(i-am-a-route-reflector)"
  peerSelector: has(i-am-a-route-reflector)

---
kind: BGPPeer
apiVersion: projectcalico.org/v3
metadata:
  name: rr-mesh
spec:
  # 规则2：route reflectors 之间也建立连接
  nodeSelector: has(i-am-a-route-reflector)
  peerSelector: has(i-am-a-route-reflector)
EOF

nodeSelector 表示这个规则针对谁生效的。

peerSelector 表示与谁建立peer关系

在这里插入图片描述

3）选择并配置 Route Reflector 节点

Save the node YAML.

$ calicoctl get node 10.234.12.78 -o yaml --export > node.yaml

Edit the YAML to add

metadata:
  labels:
    # 设置标签, 表示本节点作为 rr 角色
    i-am-a-route-reflector: true
spec:
  bgp:
    # 设置集群ID
    routeReflectorClusterID: 224.0.0.1

Reapply the YAML

$ calicoctl apply -f node.yaml

Reapply 之后查询 calico node 信息。

在这里插入图片描述

4）确认 RR peer 状态

当完成使用路由反射器建立BGP邻居关系后，PEER TYPE 将显示为 “node specific”，下图是RR上执行命令结果，可以看到 RR 与其他calico node 都建立了 PEER关系。

在这里插入图片描述

另一台calico node 只与 RR 建立 PEER关系

在这里插入图片描述

另一台calico node 只与 RR 建立 PEER关系
在这里插入图片描述

RR 上查看 BGPPEER
在这里插入图片描述

说明：对于生产环境为了保证高可用性，在节点数较多的K8S集群建议配置3-4个 RR 节点。

关于路由反射器的使用，还可详解官方文档configure-bgp-peering

补充

calicoctl的安装与使用

安装 calicoctl

curl -O -L https://github.com/projectcalico/calicoctl/releases/download/v3.14.2/calicoctl

chmod +x calicoctl

mv calicoctl /usr/local/bin/

设置 calicoctl 配置文件

# 设置 calicoctl 配置文件
$ vim /etc/calico/calicoctl.cfg
apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: CalicoAPIConfig
metadata:
spec:
  datastoreType: "kubernetes"
  kubeconfig: "/path/to/.kube/config"


# pod 的网络endpoints
$ calicoctl get workloadendpoints

# 查看 calico 节点
$ calicoctl get nodes

# 查看 IPAM的IP地址池以及IPIP模式
$ calicoctl get ippool -o wide

# 查看 calico node 详细信息
$ calicoctl get node -oyaml

# 查看bgp网络配置情况, 可调整是否启用路由反射器
$ calicoctl get bgpconfig -oyaml

# 查看ASN号，一个编号就是一个自治系统
$ calicoctl get nodes -owide

# 查看 bgp peer
$ calicoctl get bgppeer

详情可参考calicao官网config calicoctl

为何BGP模式下要求宿主在同一个二层域内

在同一个二层域内的宿主，可以通过mac地址通信，无需借助三层路由器中转数据包。

在这里插入图片描述

假设两台宿主分别连接到一个三层路由器，注意三层路由器具有二层和三层能力，这里特别说明下，这里三层交换机划分了2个二层域，也就是2个网段，一个网段连接宿主1，一个网段连接宿主2。

两个宿主上运行calico，使用BGP模式。宿主之间建立BGP Peer，因为BGP建立邻居关系是通过TCP，所以即使两个宿主在不同网段也是可以建立BGP Peer的。所以宿主1与宿主2也能相互学习到对方”下挂“的容器所在网段。当完成路由学习后，两宿主与交换机的路由表如上图。

下面我们看看POD A访问POD C会出现什么问题。

POD A访问 POD C，数据包如下：

|目的IP=192.168.2.10|源IP=192.168.1.10| DATA |
POD A发现目的IP所在网段与自己不是同一网段，所以POD A把数据包交给宿主1，宿主1由于之前通过BIRD学习到目的IP在宿主2，通俗的说即要去往192.168.2.0/24网段，下一跳是172.16.2.20。于是宿主1查询本地路由表，要去往172.16.2.20，需要把数据包交给三层交换机172.16.1.1。
交换机收到数据包后，查询数据包的目的IP是192.168.2.20，这时问题来了，由于三层交换机没有通过路由协议与宿主2进行路由交换路由信息，所以交换机不知道192.168.2.0/24网段是需要去往宿主2。这时交换机由于从自己路由表匹配到目标网段。所以被迫选择0.0.0.0作为下一跳，于是将数据包错误地发往核心网络中。最终导致了数据包无法到达POD C。

那么问题又来了，如何解决这种问题呢？

方法一：将交换机参与与宿主之间的BGP路由交换，交换机就可以学习到宿主下的容器网段。这种方法也就是把kubernetes的容器网段同步内网中去，所以要求kubernetes的网段得整体规划，不能与现有内网网段冲突，如下图所示。想要具体如何实现可参考文档：使用Calico的BGP发布Kubernetes Service IP路由在这里插入图片描述