Kubernetes網絡分析之Flannel工作原理及源碼實現

Flannel是cereos開源的CNI網絡插件，下圖flannel官網提供的一個數據包經過封包、傳輸以及拆包的示意圖，從這個圖片中可以看出兩臺機器的docker0分別處於不同的段：10.1.20.1/24 和 10.1.15.1/24 ，如果從Web App Frontend1 pod（10.1.15.2）去連接另一臺主機上的Backend Service2 pod（10.1.20.3），網絡包從宿主機192.168.0.100發往192.168.0.200，內層容器的數據包被封裝到宿主機的UDP裡面，並且在外層包裝了宿主機的IP和mac地址。這就是一個經典的overlay網絡，因為容器的IP是一個內部IP，無法從跨宿主機通信，所以容器的網絡互通，需要承載到宿主機的網絡之上。

flannel支持多種網絡模式，常用的是vxlan、UDP、hostgw、ipip以及gce和阿里雲等，vxlan和UDP的區別是：vxlan是內核封包，而UDP是flanneld用戶態程序封包，所以UDP的方式性能會稍差；hostgw模式是一種主機網關模式，容器到另外一個主機上容器的網關設置成所在主機的網卡地址，這個和calico非常相似，只不過calico是通過BGP聲明，而hostgw是通過中心的etcd分發，所以hostgw是直連模式，不需要通過overlay封包和拆包，性能比較高，但hostgw模式最大的缺點是必須是在一個二層網絡中，畢竟下一跳的路由需要在鄰居表中，否則無法通行。

在實際的生產環境中，最常用的還是vxlan模式，我們先看工作原理，然後通過源碼解析實現過程。

安裝的過程非常簡單，主要分為兩步：

第一步安裝flannel

yum install flannel 或者通過kubernetes的daemonset方式啟動,配置flannel用的etcd地址

第二步配置集群網絡

curl -L http://etcdurl:2379/v2/keys/flannel/network/config -XPUT -d value="{\\"Network\\":\\"172.16.0.0/16\\",\\"SubnetLen\\":24,\\"Backend\\":{\\"Type\\":\\"vxlan\\",\\"VNI\\":1}}"

然後啟動每個節點的flanned程序。

一、工作原理

1、容器的地址如何分配

Docker容器啟動時通過docker0分配IP地址，flannel為每個機器分配一個IP段，配置在docker0上，容器啟動後就在本段內選擇一個未佔用的IP，那麼flannel如何修改docker0網段呢？

先看一下 flannel的啟動文件 /usr/lib/systemd/system/flanneld.service

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=/etc/sysconfig/flanneld
ExecStart=/usr/bin/flanneld-start $FLANNEL_OPTIONS
ExecStartPost=/opt/flannel/mk-docker-opts.sh -k DOCKER_NETWORK_OPTIONS -d /run/flannel/docker

文件裡面指定了flannel環境變量和啟動腳本和啟動後執行腳本 ExecStartPost 設置的mk-docker-opts.sh，這個腳本的作用是生成/run/flannel/docker，文件內容如下：

DOCKER_OPT_BIP="--bip=10.251.81.1/24"
DOCKER_OPT_IPMASQ="--ip-masq=false"
DOCKER_OPT_MTU="--mtu=1450"
DOCKER_NETWORK_OPTIONS=" --bip=10.251.81.1/24 --ip-masq=false --mtu=1450"

而這個文件又被docker啟動文件/usr/lib/systemd/system/docker.service所關聯，

[Service]
Type=notify
NotifyAccess=all
EnvironmentFile=-/run/flannel/docker
EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/docker
 

這樣便可以設置docker0的網橋了。

在開發環境中，有三臺機器，分別分配了如下網段：

host-139.245 10.254.44.1/24

host-139.246 10.254.60.1/24

host-139.247 10.254.50.1/24

2、容器如何通信

上面介紹了為每個容器分配IP，那麼不同主機上的容器如何通信呢，我們用最常見的vxlan舉例，這裡有三個關鍵點，一個路由，一個arp，一個FDB。我們按照容器發包的過程，逐一分析上面三個元素的作用，首先容器出來的數據包會經過docker0，那麼下面是直接從主機網絡出去，還是通過vxlan封包轉發呢？這是每個機器上面路由設定的。

 #ip route show dev flannel.1
10.254.50.0/24 via 10.254.50.0 onlink
10.254.60.0/24 via 10.254.60.0 onlink

可以看到每個主機上面都有到另外兩臺機器的路由，這個路由是onlink路由，onlink參數表明強制此網關是“在鏈路上”的(雖然並沒有鏈路層路由)，否則linux上面是沒法添加不同網段的路由。這樣數據包就能知道，如果是容器直接的訪問則交給flannel.1設備處理。

flannel.1這個虛擬網絡設備將會對數據封包，但下面一個問題又來了，這個網關的mac地址是多少呢？因為這個網關是通過onlink設置的，flannel會下發這個mac地址，查看一下arp表

# ip neig show dev flannel.1
10.254.50.0 lladdr ba:10:0e:7b:74:89 PERMANENT
10.254.60.0 lladdr 92:f3:c8:b2:6e:f0 PERMANENT

可以看到這個網關對應的mac地址，這樣內層的數據包就封裝好了

還是最後一個問題，外出的數據包的目的IP是多少呢？換句話說，這個封裝後的數據包應該發往那一臺機器呢？難不成每個數據包都廣播。vxlan默認實現第一次確實是通過廣播的方式，但flannel再次採用一種hack方式直接下發了這個轉發表FDB

# bridge fdb show dev flannel.1
92:f3:c8:b2:6e:f0 dst 10.100.139.246 self permanent
ba:10:0e:7b:74:89 dst 10.100.139.247 self permanent

這樣對應mac地址轉發目標IP便可以獲取到了。

這裡還有個地方需要注意，無論是arp表還是FDB表都是permanent，它表明寫記錄是手動維護的，傳統的arp獲取鄰居的方式是通過廣播獲取，如果收到對端的arp相應則會標記對端為reachable，在超過reachable設定時間後，如果發現對端失效會標記為stale，之後會轉入的delay以及probe進入探測的狀態，如果探測失敗會標記為Failed狀態。之所以介紹arp的基礎內容，是因為老版本的flannel並非使用本文上面的方式，而是採用一種臨時的arp方案，此時下發的arp表示reachable狀態，這就意味著，如果在flannel宕機超過reachable超時時間的話，那麼這臺機器上面的容器的網絡將會中斷，我們簡單回顧試一下之前(0.7.x)版本的做法，容器為了為了能夠獲取到對端arp地址，內核會首先發送arp徵詢，如果嘗試

/proc/sys/net/ipv4/neigh/$NIC/ucast_solicit

此時後會向用戶空間發送arp徵詢

/proc/sys/net/ipv4/neigh/$NIC/app_solicit

之前版本的flannel正是利用這個特性，設定

# cat /proc/sys/net/ipv4/neigh/flannel.1/app_solicit
3

從而flanneld便可以獲取到內核發送到用戶空間的L3MISS,並且配合etcd返回這個IP地址對應的mac地址，設置為reachable。從分析可以看出，如果flanneld程序如果退出後，容器之間的通信將會中斷，這裡需要注意。Flannel的啟動流程如下圖所示：

Flannel啟動執行newSubnetManager，通過他創建後臺數據存儲，當前有支持兩種後端，默認是etcd存儲，如果flannel啟動指定“kube-subnet-mgr”參數則使用kubernetes的接口存儲數據。

具體代碼如下：

func newSubnetManager() (subnet.Manager, error) {
 if opts.kubeSubnetMgr {
 return kube.NewSubnetManager(opts.kubeApiUrl, opts.kubeConfigFile)
 }
 
 cfg := &etcdv2.EtcdConfig{
 Endpoints: strings.Split(opts.etcdEndpoints, ","),
 Keyfile: opts.etcdKeyfile,
 Certfile: opts.etcdCertfile,
 CAFile: opts.etcdCAFile,
 Prefix: opts.etcdPrefix,
 Username: opts.etcdUsername,
 Password: opts.etcdPassword,
 }
 
 // Attempt to renew the lease for the subnet specified in the subnetFile
 prevSubnet := ReadCIDRFromSubnetFile(opts.subnetFile, "FLANNEL_SUBNET")
 
 return etcdv2.NewLocalManager(cfg, prevSubnet)
 }

通過SubnetManager，結合上面介紹部署的時候配置的etcd的數據，可以獲得網絡配置信息，主要指backend和網段信息，如果是vxlan，通過NewManager創建對應的網絡管理器，這裡用到簡單工程模式，首先每種網絡模式管理器都會通過init初始化註冊，

如vxlan

func init() {
 backend.Register("vxlan", New)
 

如果是udp

 func init() {
 backend.Register("udp", New)
 }

其它也是類似，將構建方法都註冊到一個map裡面，從而根據etcd配置的網絡模式，設定啟用對應的網絡管理器。

3、註冊網絡

RegisterNetwork，首先會創建flannel.vxlanID的網卡，默認vxlanID是1.然後就是向etcd註冊租約並且獲取相應的網段信息，這樣有個細節，老版的flannel每次啟動都是去獲取新的網段，新版的flannel會遍歷etcd裡面已經註冊的etcd信息，從而獲取之前分配的網段，繼續使用。

最後通過WriteSubnetFile寫本地子網文件，

 # cat /run/flannel/subnet.env 
FLANNEL_NETWORK=10.254.0.0/16
FLANNEL_SUBNET=10.254.44.1/24
FLANNEL_MTU=1450
FLANNEL_IPMASQ=true

通過這個文件設定docker的網絡。細心的讀者可能發現這裡的MTU並不是以太網規定的1500，這是因為外層的vxlan封包還要佔據50 Byte。

當然flannel啟動後還需要持續的watch etcd裡面的數據，這是當有新的flannel節點加入，或者變更的時候，其他flannel節點能夠動態更新的那三張表。主要的處理方法都在handleSubnetEvents裡面

 func (nw *network) handleSubnetEvents(batch []subnet.Event) {
 . . .
 
 switch event.Type {//如果是有新的網段加入（新的主機加入）
 case subnet.EventAdded:
 . . .//更新路由表
if err := netlink.RouteReplace(&directRoute); err != nil {
 log.Errorf("Error adding route to %v via %v: %v", sn, attrs.PublicIP, err)
 continue
 } 
//添加arp表
log.V(2).Infof("adding subnet: %s PublicIP: %s VtepMAC: %s", sn, attrs.PublicIP, net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC))
 if err := nw.dev.AddARP(neighbor{IP: sn.IP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
 log.Error("AddARP failed: ", err)
 continue
 }
 //添加FDB表
 if err := nw.dev.AddFDB(neighbor{IP: attrs.PublicIP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
 log.Error("AddFDB failed: ", err)
 
 if err := nw.dev.DelARP(neighbor{IP: event.Lease.Subnet.IP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
 log.Error("DelARP failed: ", err)
 }
 
 continue
 }//如果是刪除實踐
 case subnet.EventRemoved:
//刪除路由
 if err := netlink.RouteDel(&directRoute); err != nil {
 log.Errorf("Error deleting route to %v via %v: %v", sn, attrs.PublicIP, err)
 
 } else {
 log.V(2).Infof("removing subnet: %s PublicIP: %s VtepMAC: %s", sn, attrs.PublicIP, net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC))
 
 //刪除arp if err := nw.dev.DelARP(neighbor{IP: sn.IP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
 log.Error("DelARP failed: ", err)
 }
 //刪除FDB
 if err := nw.dev.DelFDB(neighbor{IP: attrs.PublicIP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
 log.Error("DelFDB failed: ", err)
 }
 
 if err := netlink.RouteDel(&vxlanRoute); err != nil {
 log.Errorf("failed to delete vxlanRoute (%s -> %s): %v", vxlanRoute.Dst, vxlanRoute.Gw, err)
 } 

 }
 default:
 log.Error("internal error: unknown event type: ", int(event.Type))
 }
 }
 }

這樣flannel裡面任何主機的添加和刪除都可以被其它節點所感知到，從而更新本地內核轉發表。