10 张图解 K8S CNI Calico 网络模型原理与功能实战

news2024/10/7 20:29:44

一、概述

Calico 是一个联网和网络策略供应商。Calico 支持一套灵活的网络选项，因此你可以根据自己的情况选择最有效的选项，包括非覆盖和覆盖网络，带或不带 BGP。Calico 使用相同的引擎为主机、Pod 和（如果使用 Istio 和 Envoy）应用程序在服务网格层执行网络策略。Calico 以其性能、灵活性而闻名。Calico 的功能更为全面，更为复杂。它不仅提供主机和 pod 之间的网络连接，还涉及网络安全和管理。Calico CNI 插件在 CNI（container network interface）框架内封装了 Calico 的功能。

GitHub 地址：

https://github.com/projectcalico/calico

官方文档：

https://projectcalico.docs.tigera.io/about/about-calico

其它 CNI 插件，可以查看 k8s 官网：

https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/addons/

二、Calico 架构和核心组件

Calico不使用重叠网络比如 flannel 和 libnetwork 重叠网络驱动，它是一个纯三层的方法，使用虚拟路由代替虚拟交换，每一台虚拟路由通过BGP协议传播可达信息（路由）到剩余数据中心；Calico 在每一个计算节点利用 Linux Kernel 实现了一个高效的 vRouter 来负责数据转发，而每个 vRouter 通过 BGP 协议负责把自己上运行的 workload 的路由信息像整个 Calico 网络内传播——小规模部署可以直接互联，大规模下可通过指定的 BGP route reflector 来完成。

Calico 的核心组件：

  • 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。

  • 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；

  • BGP Client（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。

三、什么是 BGP？

边界网关协议（BGP）是运行于 TCP 上的一种自治系统的路由协议，也是互联网上一个核心的去中心化自治路由协议。网络可达信息包括列出的自治系统（AS）的信息。这些信息有效地构造了 AS 互联的拓朴图并由此清除了路由环路，同时在 AS 级别上可实施策略决策。在互联网中，一个自治系统(AS)是一个有权自主地决定在本系统中应采用何种路由协议的小型单位。

  • BGP 是路由器之间的通信协议，主要用于 AS（AutonomousSystem,自治系统）之间的互联。

  • AS 内部有多个 BGP speaker，分为 ibgp、ebgp，ebgp 与其它 AS 中的 ebgp 建立 BGP 连接。

  • AS 内部的 BGP speaker 通过 BGP 协议交换路由信息，最终每一个 BGP speaker 拥有整个 AS 的路由信

可以把 calico 中的 node 节点当成一个 AS，而 node 节点中的容器是 AS 中的 router，calico 通过 BGP 解析，将整个网络中容器地址的路由表绘制出来。

  • IBGP（Internal BGP）：当 BGP 运行于同一自治系统内部时，被称为IBGP。

  • EBGP（External BGP）：当 BGP 运行于不同自治系统之间时，称为EBGP。

BGP 两种模式：

  • 全互联模式(node-to-node mesh)：全互联模式，每一个 BGP Speaker 都需要和其他 BGP Speaker 建立 BGP 连接，这样 BGP 连接总数就是 N^2，如果数量过大会消耗大量连接。如果集群数量超过 100 台官方不建议使用此种模式。
  • 路由反射模式Router Reflection（RR）：RR 模式中会指定一个或多个 BGP Speaker 为 RouterReflection，它与网络中其他 Speaker 建立连接，每个 Speaker 只要与 Router Reflection 建立 BGP 就可以获得全网的路由信息。在 calico 中可以通过 Global Peer 实现 RR 模式。

三、Calico 两种网络模式

1）IPIP 模式

  • 从字面来理解，就是把一个 IP 数据包又套在一个 IP 包里，即把 IP 层封装到 IP 层的一个 tunnel，看起来似乎是浪费，实则不然。

  • 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 的源代码在内核 net/ipv4/ipip.c 中可以找到。

Calico 的 IPIP 模式工作原理如下图： 

Calico 使用的这个 tunl0 设备，是一个 IP 隧道（IP tunnel）设备

在上面的例子中，IP 包进入 IP 隧道设备之后，就会被 Linux 内核的 IPIP 驱动接管。IPIP 驱动会将这个 IP包直接封装在一个宿主机网络的 IP 包中，如下所示：

2）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，通俗的讲就是讲接入到机房的多条线路（如电信、联通、移动等）融合为一体，实现多线单 IP，BGP 机房的优点：服务器只需要设置一个 IP 地址，最佳访问路由是

    由网络上的骨干路由器根据路由跳数与其它技术指标来确定的，不会占用服务器的任何系统。

  • BGP 网络相比较 IPIP 网络，最大的不同之处就是没有了隧道设备 tunl0。前面介绍过 IPIP 网络 pod 之间的流量 发送 tunl0，然后 tunl0 发送对端设备。BGP 网络中，pod 之间的流量直接从网卡发送目的地，减少了 tunl0 这个环节。

四、安装 Calico 插件

1）通过 helm 安装 Calico

官方文档：

https://projectcalico.docs.tigera.io/getting-started/kubernetes/helm

# 添加源
helm repo add projectcalico https://projectcalico.docs.tigera.io/charts

# helm repo update

# 下载
helm pull  projectcalico/tigera-operator --version v3.24.5
# 解压
tar -xf tigera-operator-v3.24.5.tgz

# 安装，默认命名空间：calico-system
helm install calico ./tigera-operator  --namespace tigera-operator --create-namespace

# 检查tigera-operator所有资源
kubectl get all -n tigera-operator

2）通过 yaml 文件安装

wget https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml
kubectl apply -f calico.yaml

# 查看
kubectl get all -n kube-system|grep calico

3）k8s flannel 网络切换 calico

1、卸载 flannel 插件

### 1、查看已安装flannel信息
cat /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist

### 2、删除flannel布署资源
kubectl delete -f kube-flannel.yml

### 3、清除flannel遗留信息，在集群各节点清理flannel网络的残留文件
ifconfig cni0 down
ip link delete cni0
ifconfig flannel.1 down
ip link delete flannel.1
rm -rf /var/lib/cni
rm -rf /etc/cni/net.d

2、开始安装 Calico 插件

# 下载
wget https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml

# 安装
kubectl apply -f calico.yaml

# 查看
kubectl get all -n kube-system|grep calico

# 如果节点NotReady，重启以下容器或者kubelet试试
systemctl restart containerd docker

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