从零开始入门 K8s | 理解 CNI 和 CNI 插件
簡介： 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是 K8s 中較為復(fù)雜的方面之一。K8s 網(wǎng)絡(luò)模型本身對某些特定的網(wǎng)絡(luò)功能有著一定的要求，因此，業(yè)界已經(jīng)有了不少的網(wǎng)絡(luò)方案來滿足特定的環(huán)境和要求。CNI 意為容器網(wǎng)絡(luò)的 API 接口，為了讓用戶在容器創(chuàng)建或銷毀時都能夠更容易地配置容器網(wǎng)絡(luò)。在本文中，作者將帶領(lǐng)大家理解典型網(wǎng)絡(luò)插件地工作原理、掌握 CNI 插件的使用。
作者 | 溪恒?阿里巴巴高級技術(shù)專家
本文整理自《CNCF x Alibaba 云原生技術(shù)公開課》第 26 講，點擊直達課程頁面。
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導(dǎo)讀：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是 K8s 中較為復(fù)雜的方面之一。K8s 網(wǎng)絡(luò)模型本身對某些特定的網(wǎng)絡(luò)功能有著一定的要求，因此，業(yè)界已經(jīng)有了不少的網(wǎng)絡(luò)方案來滿足特定的環(huán)境和要求。CNI 意為容器網(wǎng)絡(luò)的 API 接口，為了讓用戶在容器創(chuàng)建或銷毀時都能夠更容易地配置容器網(wǎng)絡(luò)。在本文中，作者將帶領(lǐng)大家理解典型網(wǎng)絡(luò)插件地工作原理、掌握 CNI 插件的使用。
一、CNI 是什么
首先我們介紹一下什么是 CNI，它的全稱是 Container Network Interface，即容器網(wǎng)絡(luò)的 API 接口。
它是 K8s 中標準的一個調(diào)用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的接口。Kubelet 通過這個標準的 API 來調(diào)用不同的網(wǎng)絡(luò)插件以實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)配置方式，實現(xiàn)了這個接口的就是 CNI 插件，它實現(xiàn)了一系列的 CNI API 接口。常見的 CNI 插件包括 Calico、flannel、Terway、Weave Net 以及 Contiv。
二、Kubernetes 中如何使用 CNI
K8s 通過 CNI 配置文件來決定使用什么 CNI。
基本的使用方法為：
具體的流程如下圖所示：
在集群里面創(chuàng)建一個 Pod 的時候，首先會通過 apiserver 將 Pod 的配置寫入。apiserver 的一些管控組件（比如 Scheduler）會調(diào)度到某個具體的節(jié)點上去。Kubelet 監(jiān)聽到這個 Pod 的創(chuàng)建之后，會在本地進行一些創(chuàng)建的操作。當執(zhí)行到創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)這一步驟時，它首先會讀取剛才我們所說的配置目錄中的配置文件，配置文件里面會聲明所使用的是哪一個插件，然后去執(zhí)行具體的 CNI 插件的二進制文件，再由 CNI 插件進入 Pod 的網(wǎng)絡(luò)空間去配置 Pod 的網(wǎng)絡(luò)。配置完成之后，Kuberlet 也就完成了整個 Pod 的創(chuàng)建過程，這個 Pod 就在線了。
大家可能會覺得上述流程有很多步（比如要對 CNI 配置文件進行配置、安裝二進制插件等等），看起來比較復(fù)雜。
但如果我們只是作為一個用戶去使用 CNI 插件的話就比較簡單，因為很多 CNI 插件都已提供了一鍵安裝的能力。以我們常用的 Flannel 為例，如下圖所示：只需要我們使用 kubectl apply Flannel 的一個 Deploying 模板，它就能自動地將配置、二進制文件安裝到每一個節(jié)點上去。
安裝完之后，整個集群的 CNI 插件就安裝完成了。
因此，如果我們只是去使用 CNI 插件的話，那么其實很多 CNI 插件已經(jīng)提供了一鍵安裝的腳本，無需大家關(guān)心 Kubernetes 內(nèi)部是如何配置的以及如何調(diào)用 API 的。
三、哪個 CNI 插件適合我
社區(qū)有很多的 CNI 插件，比如 Calico, flannel, Terway 等等。那么在一個真正具體的生產(chǎn)環(huán)境中，我們要選擇哪一個 CNI 插件呢？
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這就要從 CNI 的幾種實現(xiàn)模式說起。我們需要根據(jù)不同的場景選擇不同的實現(xiàn)模式，再去選擇對應(yīng)的具體某一個插件。
通常來說，CNI 插件可以分為三種：Overlay、路由及 Underlay。
- Overlay 模式的典型特征是容器獨立于主機的 IP 段，這個 IP 段進行跨主機網(wǎng)絡(luò)通信時是通過在主機之間創(chuàng)建隧道的方式，將整個容器網(wǎng)段的包全都封裝成底層的物理網(wǎng)絡(luò)中主機之間的包。該方式的好處在于它不依賴于底層網(wǎng)絡(luò)；
- 路由模式中主機和容器也分屬不同的網(wǎng)段，它與 Overlay 模式的主要區(qū)別在于它的跨主機通信是通過路由打通，無需在不同主機之間做一個隧道封包。但路由打通就需要部分依賴于底層網(wǎng)絡(luò)，比如說要求底層網(wǎng)絡(luò)有二層可達的一個能力；
- Underlay 模式中容器和宿主機位于同一層網(wǎng)絡(luò)，兩者擁有相同的地位。容器之間網(wǎng)絡(luò)的打通主要依靠于底層網(wǎng)絡(luò)。因此該模式是強依賴于底層能力的。
了解了以上三種常用的實現(xiàn)模式之后，再根據(jù)自己的環(huán)境、需求判斷可由哪一種模式進行實現(xiàn)，再在對應(yīng)的模式中去找 CNI 插件。不過社區(qū)中有那么多插件，它們又都屬于哪種模式？如何進行選擇呢？怎么挑選適合自己的呢？我們可以從以下 3 個方面來考慮。
1. 環(huán)境限制
不同環(huán)境中所支持的底層能力是不同的。
- 虛擬化環(huán)境（例如 OpenStack）中的網(wǎng)絡(luò)限制較多，比如不允許機器之間直接通過二層協(xié)議訪問，必須要帶有 IP 地址這種三層的才能去做轉(zhuǎn)發(fā)，限制某一個機器只能使用某些 IP 等。在這種被做了強限制的底層網(wǎng)絡(luò)中，只能去選擇 Overlay 的插件，常見的有 Flannel-vxlan, Calico-ipip, Weave 等等；
- 物理機環(huán)境中底層網(wǎng)絡(luò)的限制較少，比如說我們在同一個交換機下面直接做一個二層的通信。對于這種集群環(huán)境，我們可以選擇 Underlay 或者路由模式的插件。Underlay 意味著我們可以直接在一個物理機上插多個網(wǎng)卡或者是在一些網(wǎng)卡上做硬件虛擬化；路由模式就是依賴于 Linux 的路由協(xié)議做一個打通。這樣就避免了像 vxlan 的封包方式導(dǎo)致的性能降低。這種環(huán)境下我們可選的插件包括 clico-bgp, flannel-hostgw, sriov 等等；
- 公有云環(huán)境也是虛擬化，因此底層限制也會較多。但每個公有云都會考慮適配容器，提升容器的性能，因此每家公有云可能都提供了一些 API 去配置一些額外的網(wǎng)卡或者路由這種能力。在公有云上，我們要盡量選擇公有云廠商提供的 CNI 插件以達到兼容性和性能上的最優(yōu)。比如 Aliyun 就提供了一個高性能的 Terway 插件。
環(huán)境限制考慮完之后，我們心中應(yīng)該都有一些選擇了，知道哪些能用、哪些不能用。在這個基礎(chǔ)上，我們再去考慮功能上的需求。
2. 功能需求
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- 首先是安全需求；
K8s 支持 NetworkPolicy，就是說我們可以通過 NetworkPolicy 的一些規(guī)則去支持“Pod 之間是否可以訪問”這類策略。但不是每個 CNI 插件都支持 NetworkPolicy 的聲明，如果大家有這個需求，可以選擇支持 NetworkPolicy 的一些插件，比如 Calico, Weave 等等。
- 第二個是是否需要集群外的資源與集群內(nèi)的資源互聯(lián)互通；
大家的應(yīng)用最初都是在虛擬機或者物理機上，容器化之后，應(yīng)用無法一下就完成遷移，因此就需要傳統(tǒng)的虛擬機或者物理機能跟容器的 IP 地址互通。為了實現(xiàn)這種互通，就需要兩者之間有一些打通的方式或者直接位于同一層。此時可以選擇 Underlay 的網(wǎng)絡(luò)，比如 sriov 這種就是 Pod 和以前的虛擬機或者物理機在同一層。我們也可以使用 calico-bgp，此時它們雖然不在同一網(wǎng)段，但可以通過它去跟原有的路由器做一些 BGP 路由的一個發(fā)布，這樣也可以打通虛擬機與容器。
- 最后考慮的就是 K8s 的服務(wù)發(fā)現(xiàn)與負載均衡的能力。
K8s 的服務(wù)發(fā)現(xiàn)與負載均衡就是我們前面所介紹的 K8s 的 Service，但并不是所有的 CNI 插件都能實現(xiàn)這兩種能力。比如很多 Underlay 模式的插件，在 Pod 中的網(wǎng)卡是直接用的 Underlay 的硬件，或者通過硬件虛擬化插到容器中的，這個時候它的流量無法走到宿主機所在的命名空間，因此也無法應(yīng)用 kube-proxy 在宿主機配置的規(guī)則。
這種情況下，插件就無法訪問到 K8s 的服務(wù)發(fā)現(xiàn)。因此大家如果需要服務(wù)發(fā)現(xiàn)與負載均衡，在選擇 Underlay 的插件時就需要注意它們是否支持這兩種能力。
經(jīng)過功能需求的過濾之后，能選的插件就很少了。經(jīng)過環(huán)境限制和功能需求的過濾之后，如果還剩下 3、4 種插件，可以再來考慮性能需求。
3. 性能需求
我們可以從 Pod 的創(chuàng)建速度和 Pod 的網(wǎng)絡(luò)性能來衡量不同插件的性能。
- Pod 的創(chuàng)建速度
當我們創(chuàng)建一組 Pod 時，比如業(yè)務(wù)高峰來了，需要緊急擴容，這時比如說我們擴容了 1000 個 Pod，就需要 CNI 插件創(chuàng)建并配置 1000 個網(wǎng)絡(luò)資源。Overlay 和路由模式在這種情況下的創(chuàng)建速度是很快的，因為它是在機器里面又做了虛擬化，所以只需要調(diào)用內(nèi)核接口就可以完成這些操作。但對于 Underlay 模式，由于需要創(chuàng)建一些底層的網(wǎng)絡(luò)資源，所以整個 Pod 的創(chuàng)建速度相對會慢一些。因此對于經(jīng)常需要緊急擴容或者創(chuàng)建大批量的 Pod 這些場景，我們應(yīng)該盡量選擇 Overlay 或者路由模式的網(wǎng)絡(luò)插件。
- Pod 的網(wǎng)絡(luò)性能
主要表現(xiàn)在兩個 Pod 之間的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、PPS 延遲等這些性能指標上。Overlay 模式的性能較差，因為它在節(jié)點上又做了一層虛擬化，還需要去封包，封包又會帶來一些包頭的損失、CPU 的消耗等，如果大家對網(wǎng)絡(luò)性能的要求比較高，比如說機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)這些場景就不適合使用 Overlay 模式。這種情形下我們通常選擇 Underlay 或者路由模式的 CNI 插件。
相信大家通過這三步的挑選之后都能找到適合自己的網(wǎng)絡(luò)插件。
四、如何開發(fā)自己的 CNI 插件
有時社區(qū)的插件無法滿足自己的需求，比如在阿里云上只能使用 vxlan 這種 Overlay 的插件，而 Overlay 插件的性能相對較差，無法滿足阿里云上的一些業(yè)務(wù)需求，所以阿里云上開發(fā)了一個 Terway 的插件。
如果我們自己的環(huán)境比較特殊，在社區(qū)里面又找不到合適的網(wǎng)絡(luò)插件，此時可以開發(fā)一個自己的 CNI 插件。
CNI 插件的實現(xiàn)通常包含兩個部分：
給 Pod 插上網(wǎng)線
那么如何實現(xiàn)第一步，給 Pod 插上網(wǎng)線呢？通常是這樣一個步驟：
1. 給 Pod 準備一個網(wǎng)卡
通常我們會用一個 "veth" 這種虛擬網(wǎng)卡，一端放到 Pod 的網(wǎng)絡(luò)空間，一端放到主機的網(wǎng)絡(luò)空間，這樣就實現(xiàn)了 Pod 與主機這兩個命名空間的打通。
2. 給 Pod 分配 IP 地址
這個 IP 地址有一個要求，我們在之前介紹網(wǎng)絡(luò)的時候也有提到，就是說這個 IP 地址在集群里需要是唯一的。如何保障集群里面給 Pod 分配的是個唯一的 IP 地址呢？
一般來說我們在創(chuàng)建整個集群的時候會指定 Pod 的一個大網(wǎng)段，按照每個節(jié)點去分配一個 Node 網(wǎng)段。比如說上圖右側(cè)創(chuàng)建的是一個 172.16 的網(wǎng)段，我們再按照每個節(jié)點去分配一個 /24 的段，這樣就能保障每個節(jié)點上的地址是互不沖突的。然后每個 Pod 再從一個具體的節(jié)點上的網(wǎng)段中再去順序分配具體的 IP 地址，比如 Pod1 分配到了 172.16.0.1，Pod2 分配到了 172.16.0.2，這樣就實現(xiàn)了在節(jié)點里面 IP 地址分配的不沖突，并且不同的 Node 又分屬不同的網(wǎng)段，因此不會沖突。
這樣就給 Pod 分配了集群里面一個唯一的 IP 地址。
3. 配置 Pod 的 IP 和路由
- 第一步，將分配到的 IP 地址配置給 Pod 的虛擬網(wǎng)卡；
- 第二步，在 Pod 的網(wǎng)卡上配置集群網(wǎng)段的路由，令訪問的流量都走到對應(yīng)的 Pod 網(wǎng)卡上去，并且也會配置默認路由的網(wǎng)段到這個網(wǎng)卡上，也就是說走公網(wǎng)的流量也會走到這個網(wǎng)卡上進行路由；
- 最后在宿主機上配置到 Pod 的 IP 地址的路由，指向到宿主機對端 veth1 這個虛擬網(wǎng)卡上。這樣實現(xiàn)的是從 Pod 能夠到宿主機上進行路由出去的，同時也實現(xiàn)了在宿主機上訪問到 Pod 的 IP 地址也能路由到對應(yīng)的 Pod 的網(wǎng)卡所對應(yīng)的對端上去。
給 Pod 連上網(wǎng)絡(luò)
剛才我們是給 Pod 插上網(wǎng)線，也就是給它配了 IP 地址以及路由表。那怎么打通 Pod 之間的通信呢？也就是讓每一個 Pod 的 IP 地址在集群里面都能被訪問到。
一般我們是在 CNI Daemon 進程中去做這些網(wǎng)絡(luò)打通的事情。通常來說是這樣一個步驟：
- 首先 CNI 在每個節(jié)點上運行的 Daemon 進程會學(xué)習(xí)到集群所有 Pod 的 IP?地址及其所在節(jié)點信息。學(xué)習(xí)的方式通常是通過監(jiān)聽 K8s APIServer，拿到現(xiàn)有 Pod 的 IP 地址以及節(jié)點，并且新的節(jié)點和新的 Pod 的創(chuàng)建的時候也能通知到每個 Daemon；
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拿到 Pod 以及 Node 的相關(guān)信息之后，再去配置網(wǎng)絡(luò)進行打通。
- 首先 Daemon 會創(chuàng)建到整個集群所有節(jié)點的通道。這里的通道是個抽象概念，具體實現(xiàn)一般是通過 Overlay 隧道、阿里云上的 VPC 路由表、或者是自己機房里的 BGP 路由完成的；
- 第二步是將所有 Pod 的 IP 地址跟上一步創(chuàng)建的通道關(guān)聯(lián)起來。關(guān)聯(lián)也是個抽象概念，具體的實現(xiàn)通常是通過 Linux 路由、fdb 轉(zhuǎn)發(fā)表或者OVS 流表等完成的。Linux 路由可以設(shè)定某一個 IP 地址路由到哪個節(jié)點上去。fdb 轉(zhuǎn)發(fā)表是 forwarding database 的縮寫，就是把某個 Pod 的 IP 轉(zhuǎn)發(fā)到某一個節(jié)點的隧道端點上去（Overlay 網(wǎng)絡(luò)）。OVS 流表是由 Open vSwitch 實現(xiàn)的，它可以把 Pod 的 IP 轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的節(jié)點上。
六、本文總結(jié)
本文的主要內(nèi)容就到此為止了，這里為大家簡單總結(jié)一下：
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的从零开始入门 K8s | 理解 CNI 和 CNI 插件的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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