K8S核心网络插件Flannel

K8S核心网络插件Flannel

系列文章说明
K8S核心网络插件Flannel
- 1 flannel功能概述
  - 1.1 flannel运转流程
  - 1.2 flannel的网络模型
    - 1.2.1 flannel支持3种网络模型
    - 1.2.2 实际工作中的模型选择
- 1. 部署flannel插件
    - 2.1 在etcd中写入网络信息
    - 2.2 部署准备
      - 2.2.1 下载软件
      - 2.2.2 拷贝证书
      - 2.2.3 配置子网信息
    - 2.3 启动flannel服务
      - 2.3.1 创建flannel启动脚本
      - 2.3.2 创建supervisor启动脚本
      - 2.3.3 启动flannel服务并验证
- 3 优化iptables规则
  - 3.1 前因后果
    - 3.1.1 优化原因说明
    - 3.1.2 问题复现
  - 3.2 具体优化过程
    - 3.2.1 先查看iptables规则
    - 3.2.2 安装iptables并修改规则
    - 3.2.3 注意docker重启后操作
    - 3.2.4 结果验证

k8s虽然设计了网络模型,然后将实现方式交给了CNI网络插件,而CNI网络插件的主要目的,就是实现POD资源能够跨宿主机进行通信
常见的网络插件有flannel,calico,canal,但是最简单的flannel已经完全满足我们的要求,故不在考虑其他网络插件
网络插件Flannel介绍：https://www.kubernetes.org.cn/3682.html

1 flannel功能概述

1.1 flannel运转流程

首先
flannel利用Kubernetes API或者etcd用于存储整个集群的网络配置，其中最主要的内容为设置集群的网络地址空间。
例如，设定整个集群内所有容器的IP都取自网段“10.1.0.0/16”。
接着
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。
例如，设定本主机内所有容器的IP地址网段“10.1.2.0/24”。
然后
flanneld再将本主机获取的subnet以及用于主机间通信的Public IP，同样通过kubernetes API或者etcd存储起来。
最后
flannel利用各种backend mechanism，例如udp，vxlan等等，跨主机转发容器间的网络流量，完成容器间的跨主机通信。

1.2 flannel的网络模型

1.2.1 flannel支持3种网络模型

host-gw网关模型

{"Network": "xxx", "Backend": {"Type": "host-gw"}}

主要用于宿主机在同网段的情况下POD间的通信,即不跨网段通信.
此时flannel的功能很简单,就是在每个宿主机上创建了一条通网其他宿主机的网关路由
完全没有性能损耗,效率极高

vxlan隧道模型

{"Network": "xxx", "Backend": {"Type": "vxlan"}}

主要用于宿主机不在同网段的情况下POD间通信,即跨网段通信.
此时flannel会在宿主机上创建一个flannel.1的虚拟网卡,用于和其他宿主机间建立VXLAN隧道
跨宿主机通信时,需要经由flannel.1设备封包、解包，因此效率不高

混合模型

{"Network": "xxx", "Backend": {"Type": "vxlan","Directrouting": true}}

在既有同网段宿主机，又有跨网段宿主机的情况下，选择混合模式
flannel会根据通信双方的网段情况，自动选择是走网关路由通信还是通过VXLAN隧道通信

1.2.2 实际工作中的模型选择
很多人不推荐部署K8S的使用的flannel做网络插件,不推荐的原因是是flannel性能不高,然而
flannel性能不高是指它的VXLAN隧道模型,而不是gw模型
规划K8S集群的时候,应规划多个K8S集群来管理不同的业务
同一个K8S集群的宿主机,就应该规划到同一个网段
既然是同一个网段的宿主机通信,使用的就应该是gw模型
gw模型只是创建了网关路由,通信效率极高

因此,建议工作中使用flannel,且用gw模型

2. 部署flannel插件

2.1 在etcd中写入网络信息

以下操作在任意etcd节点中执行都可以

/opt/etcd/etcdctl set /coreos.com/network/config '{"Network": "172.7.0.0/16", "Backend": {"Type": "host-gw"}}'
# 查看结果
[root@hdss7-12 ~]# /opt/etcd/etcdctl get /coreos.com/network/config
{"Network": "172.7.0.0/16", "Backend": {"Type": "host-gw"}}

2.2 部署准备

2.2.1 下载软件

wget https://github.com/coreos/flannel/releases/download/v0.11.0/flannel-v0.11.0-linux-amd64.tar.gz
mkdir /opt/flannel-v0.11.0
tar xf flannel-v0.11.0-linux-amd64.tar.gz -C /opt/flannel-v0.11.0/
ln -s /opt/flannel-v0.11.0/ /opt/flannel

2.2.2 拷贝证书

因为要和apiserver通信，所以要配置client证书,当然ca公钥自不必说

cd /opt/flannel
mkdir cert
scp hdss7-200:/opt/certs/ca.pem         cert/ 
scp hdss7-200:/opt/certs/client.pem     cert/ 
scp hdss7-200:/opt/certs/client-key.pem cert/

2.2.3 配置子网信息

cat >/opt/flannel/subnet.env <<EOF
FLANNEL_NETWORK=172.7.0.0/16
FLANNEL_SUBNET=172.7.21.1/24
FLANNEL_MTU=1500
FLANNEL_IPMASQ=false
EOF

注意:subnet子网网段信息,每个宿主机都要修改

2.3 启动flannel服务

2.3.1 创建flannel启动脚本

cat >/opt/flannel/flanneld.sh <<'EOF'
#!/bin/sh
./flanneld \
  --public-ip=10.4.7.21 \
  --etcd-endpoints=https://10.4.7.12:2379,https://10.4.7.21:2379,https://10.4.7.22:2379 \
  --etcd-keyfile=./cert/client-key.pem \
  --etcd-certfile=./cert/client.pem \
  --etcd-cafile=./cert/ca.pem \
  --iface=eth0 \
  --subnet-file=./subnet.env \
  --healthz-port=2401
EOF
# 授权
chmod u+x flanneld.sh

注意: public-ip为节点IP,注意按需修改 iface为网卡,若本机网卡不是eth0,注意修改

2.3.2 创建supervisor启动脚本

cat >/etc/supervisord.d/flannel.ini <<EOF
[program:flanneld]
command=sh /opt/flannel/flanneld.sh
numprocs=1
directory=/opt/flannel
autostart=true
autorestart=true
startsecs=30
startretries=3
exitcodes=0,2
stopsignal=QUIT
stopwaitsecs=10
user=root
redirect_stderr=true
stdout_logfile=/data/logs/flanneld/flanneld.stdout.log
stdout_logfile_maxbytes=64MB
stdout_logfile_backups=4
stdout_capture_maxbytes=1MB
;子进程还有子进程,需要添加这个参数,避免产生孤儿进程
killasgroup=true
stopasgroup=true
EOF

supervisor的各项配置不再备注,有需要的看K8S二进制安装中的备注

2.3.3 启动flannel服务并验证

启动服务

mkdir -p /data/logs/flanneld
supervisorctl update
supervisorctl status

验证路由

[root@hdss7-22 ~]# route -n|egrep -i '172.7|des'
Destination   Gateway     Genmask         Flags Metric Ref   Use Iface
172.7.21.0    10.4.7.21   255.255.255.0   UG    0      0       0 eth0
172.7.22.0    0.0.0.0     255.255.255.0   U     0      0       0 docker0
[root@hdss7-21 ~]# route -n|egrep -i '172.7|des'
Destination   Gateway     Genmask         Flags Metric Ref   Use Iface
172.7.21.0    0.0.0.0     255.255.255.0   U     0      0       0 docker0
172.7.22.0    10.4.7.22   255.255.255.0   UG    0      0       0 eth0

验证通信结果

[root@hdss7-21 ~]# ping 172.7.22.2
PING 172.7.22.2 (172.7.22.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.7.22.2: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.538 ms
64 bytes from 172.7.22.2: icmp_seq=2 ttl=63 time=0.896 ms
[root@hdss7-22 ~]# ping 172.7.21.2
PING 172.7.21.2 (172.7.21.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.7.21.2: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.805 ms
64 bytes from 172.7.21.2: icmp_seq=2 ttl=63 time=1.14 ms

3 优化iptables规则

3.1 前因后果

3.1.1 优化原因说明

我们使用的是gw网络模型,而这个网络模型只是创建了一条到其他宿主机下POD网络的路由信息.
因而我们可以猜想:

从外网访问到B宿主机中的POD,源IP应该是外网IP
从A宿主机访问B宿主机中的POD,源IP应该是A宿主机的IP
从A的POD-A01中,访问B中的POD,源IP应该是POD-A01的容器IP
此情形可以想象是一个路由器下的2个不同网段的交换机下的设备通过路由器(gw)通信

然后遗憾的是:

前两条毫无疑问成立
第3条理应成立,但实际不成立

不成立的原因是:

Docker容器的跨网络隔离与通信，借助了iptables的机制
因此虽然K8S我们使用了ipvs调度,但是宿主机上还是有iptalbes规则
而docker默认生成的iptables规则为：
若数据出网前，先判断出网设备是不是本机docker0设备(容器网络)
如果不是的话，则进行SNAT转换后再出网，具体规则如下
```
[root@hdss7-21 ~]# iptables-save |grep -i postrouting|grep docker0
-A POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -o docker0 -j MASQUERADE
```
由于gw模式产生的数据,是从eth0流出,因而不在此规则过滤范围内
就导致此跨宿主机之间的POD通信,使用了该条SNAT规则

解决办法是:

修改此IPTABLES规则,增加过滤目标:过滤目的地是宿主机网段的流量
3.1.2 问题复现

在7-21宿主机中,访问172.7.22.2
```
curl 172.7.22.2
```

在7-21宿主机启动busybox容器,进入并访问172.7.22.2

docker pull busybox
docker run --rm -it busybox bash
/ # wget 172.7.22.2

查看7-22宿主机上启动的nginx容器日志

[root@hdss7-22 ~]# kubectl logs nginx-ds-j777c --tail=2
10.4.7.21 - - [xxx] "GET / HTTP/1.1" 200 612 "-" "curl/7.29.0" "-"
10.4.7.21 - - [xxx] "GET / HTTP/1.1" 200 612 "-" "Wget" "-"

第一条日志为对端宿主机访问日志
第二条日志为对端容器访问日志
可以看出源IP都是宿主机的IP

3.2 具体优化过程

3.2.1 先查看iptables规则

[root@hdss7-21 ~]# iptables-save |grep -i postrouting|grep docker0
-A POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -o docker0 -j MASQUERADE

3.2.2 安装iptables并修改规则

yum install iptables-services -y
iptables -t nat -D POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -o docker0 -j MASQUERADE
iptables -t nat -I POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -d 172.7.0.0/16 ! -o docker0  -j MASQUERADE
# 验证规则并保存配置
[root@hdss7-21 ~]# iptables-save |grep -i postrouting|grep docker0
-A POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -d 172.7.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE
[root@hdss7-21 ~]# iptables-save > /etc/sysconfig/iptables

3.2.3 注意docker重启后操作

docker服务重启后,会再次增加该规则,要注意在每次重启docker服务后,删除该规则
验证:
修改后会影响到docker原本的iptables链的规则，所以需要重启docker服务

[root@hdss7-21 ~]# systemctl restart docker
[root@hdss7-21 ~]# iptables-save |grep -i postrouting|grep docker0
-A POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -o docker0 -j MASQUERADE
-A POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -d 172.7.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE
# 可以用iptables-restore重新应用iptables规则,也可以直接再删
[root@hdss7-21 ~]# iptables-restore /etc/sysconfig/iptables
[root@hdss7-21 ~]# iptables-save |grep -i postrouting|grep docker0
-A POSTROUTING -s 172.7.21.0/24 ! -d 172.7.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE

3.2.4 结果验证

# 对端启动容器并访问
[root@hdss7-21 ~]# docker run --rm -it busybox  sh
/ # wget 172.7.22.2
# 本端验证日志
[root@hdss7-22 ~]# kubectl logs nginx-ds-j777c --tail=1
172.7.21.3 - - [xxxx] "GET / HTTP/1.1" 200 612 "-" "Wget" "-"

kubectl top

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