浅聊几种主流Docker网络的实现原理

Posted by int32bit on September 2, 2019
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一、容器网络简介

容器网络主要解决两大核心问题:一是容器的IP地址分配,二是容器之间的相互通信。本文重在研究第二个问题并且主要研究容器的跨主机通信问题。

实现容器跨主机通信的最简单方式就是直接使用host网络,这时由于容器IP就是宿主机的IP,复用宿主机的网络协议栈以及underlay网络,原来的主机能通信,容器也就自然能通信,然而带来的最直接问题就是端口冲突问题。

因此通常容器会配置与宿主机不一样的属于自己的IP地址。由于是容器自己配置的IP,underlay平面的底层网络设备如交换机、路由器等完全不感知这些IP的存在,也就导致容器的IP不能直接出去实现跨主机通信。

要解决如上问题实现容器跨主机通信,主要有如下两个思路:

  • 思路一:修改底层网络设备配置,加入容器网络IP地址的管理,修改路由器网关等,该方式主要和SDN结合。
  • 思路二:完全不修改底层网络设备配置,复用原有的underlay平面网络,解决容器跨主机通信,主要有如下两种方式:
    • overlay隧道传输。把容器的数据包封装到原主机网络的三层或者四层包头,然后使用原来的网络传输到目标主机,目标主机再拆包转发给容器。overlay隧道如vxlan、ipip等,使用overlay的容器网络如Flannel、Weave等。
    • 修改主机路由。把容器网络加到主机路由表中,把主机当作容器网关,通过路由规则转发到指定的主机,实现容器的三层互通。通过路由实现容器跨主机通信的网络如Flannel host-gw、Calico等。

本文接下来将详细介绍目前主流容器网络的实现原理。

在开始正文内容之前,先引入两个后续会一直使用的脚本:

第一个脚本为docker_netns.sh:

#!/bin/bash

NAMESPACE=$1

if [[ -z $NAMESPACE ]]; then
    ls -1 /var/run/docker/netns/
    exit 0
fi

NAMESPACE_FILE=/var/run/docker/netns/${NAMESPACE}

if [[ ! -f $NAMESPACE_FILE ]]; then
    NAMESPACE_FILE=$(docker inspect -f "" $NAMESPACE 2>/dev/null)
fi

if [[ ! -f $NAMESPACE_FILE ]]; then
    echo "Cannot open network namespace '$NAMESPACE': No such file or directory"
    exit 1
fi

shift

if [[ $# -lt 1 ]]; then
    echo "No command specified"
    exit 1
fi

nsenter --net=${NAMESPACE_FILE} [email protected]

该脚本通过指定的容器id、name或者namespace名快速进入容器的network namespace并执行相应的shell命令。

如果不指定任何参数,则列举所有Docker容器相关的network namespaces。

# ./docker_netns.sh # list namespaces
4-a4a048ac67
abe31dbbc394
default

# ./docker_netns.sh busybox ip addr # Enter busybox namespace
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
354: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:c0:a8:64:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 192.168.100.2/24 brd 192.168.100.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
356: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:12:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
    inet 172.18.0.2/16 brd 172.18.255.255 scope global eth1
       valid_lft forever preferred_lft forever

另一个脚本为find_links.sh

#!/bin/bash

DOCKER_NETNS_SCRIPT=./docker_netns.sh
IFINDEX=$1
if [[ -z $IFINDEX ]]; then
    for namespace in $($DOCKER_NETNS_SCRIPT); do
        printf "\e[1;31m%s: \e[0m\n" $namespace
        $DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link
        printf "\n"
    done
else
    for namespace in $($DOCKER_NETNS_SCRIPT); do
        if $DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link | grep -Pq "^$IFINDEX: "; then
            printf "\e[1;31m%s: \e[0m\n" $namespace
            $DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link | grep -P "^$IFINDEX: ";
            printf "\n"
        fi
    done
fi

该脚本根据ifindex查找虚拟网络设备所在的namespace:

# ./find_links.sh 354
abe31dbbc394:
354: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default 
     link/ether 02:42:c0:a8:64:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

该脚本的目的是方便查找veth的另一侧所在的namespace位置。如果不指定ifindex,则列出所有namespaces的link设备。

二、Docker原生的Overlay

Laurent Bernaille在DockerCon2017上详细介绍了Docker原生的Overlay网络实现原理,作者还总结了三篇干货文章一步一步剖析Docker网络实现原理,最后还教大家一步一步从头开始手动实现Docker的Overlay网络,这三篇文章为:

建议感兴趣的读者阅读,本节也大量参考了如上三篇文章的内容。

2.1 overlay网络环境

测试使用两个Node节点:

Node名 主机IP
node-1 192.168.1.68
node-2 192.168.1.254

首先创建一个overlay网络:

docker network create -d overlay --subnet 10.20.0.0/16 overlay

在两个节点分别创建两个busybox容器:

docker run -d --name busybox --net overlay busybox sleep 36000

最后结果如下:

Node名 主机IP 容器IP
node-1 192.168.1.68 10.20.0.3/16
node-2 192.168.1.254 10.20.0.2/16

docker overlay ping

我们发现容器有两个IP,其中10.20.0.0/16为我们创建的overlay网络ip,两个容器能够互相ping通。而不在同一个node的容器IP都是172.18.0.2,因此172.18.0.0/16显然不是多主机网络,只能是单机网络。

2.2 容器南北流量

这里的南北流量主要是指容器与外部通信的流量,比如容器访问互联网。

我们查看容器的路由:

# docker exec busybox-node-1 ip r
default via 172.18.0.1 dev eth1
10.20.0.0/16 dev eth0 scope link  src 10.20.0.3
172.18.0.0/16 dev eth1 scope link  src 172.18.0.2

由此可知容器默认网关为172.18.0.1,也就是说容器是通过eth1出去的:

# docker exec busybox-node-1 ip link show eth1
77: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue
    link/ether 02:42:ac:12:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
# ./find_links.sh 78
default:
78: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker_gwbridge state UP mode DEFAULT group default
link/ether 2e:6a:94:6a:09:c5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1

通过find_links.sh脚本查找ifindex为78的link在默认namespace中,并且该link的master为docker_gwbridge,也就是说该设备挂到了docker_gwbridgebridge。

# brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
docker0         8000.02427406ba1a       no
docker_gwbridge         8000.0242bb868ca3       no              vethf2de5d4

172.18.0.1正是bridge docker_gwbridge的IP,也就是说docker_gwbridge是该节点的所有容器的网关。

由于容器的IP是172.18.0.0/16私有IP地址段,不能出公网,因此必然有NAT,查看iptables nat表:

# iptables-save -t nat  | grep -- '-A POSTROUTING'
-A POSTROUTING -s 172.18.0.0/16 ! -o docker_gwbridge -j MASQUERADE

由此可知容器是通过NAT出去的。

我们发现其实容器南北流量用的其实就是Docker最原生的bridge网络模型,只是把docker0换成了docker_gwbridge。如果容器不需要出互联网,创建overlay网络时可以指定--internal参数,此时容器只有一个overlay网络的网卡,不会创建eth1。

2.3 容器东西向流量

容器东西流量指容器之间的通信,这里特指跨主机的容器间通信。

显然容器是通过eth0实现与其他容器通信的:

# docker exec busybox-node-1 ip link show eth0
75: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1450 qdisc noqueue
    link/ether 02:42:0a:14:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

# ./find_links.sh 76
1-19c5d1a7ef:
76: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UP mode DEFAULT group default \    link/ether 6a:ce:89:a2:89:4a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1

eth0的对端设备ifindex为76,通过find_links.sh脚本查找ifindex 76在1-19c5d1a7ef namespace下,名称为veth0,并且master为br0,因此veth0挂到了br0 bridge下。

通过docker_netns.sh脚本可以快速进入指定的namespace执行命令:

# ./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef ip link show veth0
76: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 6a:ce:89:a2:89:4a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1

# ./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
br0             8000.6ace89a2894a       no              veth0
                                                        vxlan0

可见除了veth0,bridge还绑定了vxlan0:

./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef ip -c -d link show vxlan0
74: vxlan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/ether 96:9d:64:39:76:4e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 promiscuity 1
    vxlan id 256 srcport 0 0 dstport 4789 proxy l2miss l3miss ttl inherit ageing 300 udpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx
...

vxlan0是一个vxlan虚拟网络设备,因此可以推断docker overlay是通过vxlan隧道实现跨主机通信的。这里直接引用Deep dive into docker overlay networks part 1的图:

docker overlay

图中192.168.0.0/16对应前面的10.20.0.0/16网段。

2.4 ARP代理

如前面所述,跨主机的两个容器虽然是通过overlay通信的,但容器自己却不知道,他们只认为彼此都在一个二层中(同一个子网),或者说大二层。我们知道二层是通过MAC地址识别对方的,通过ARP协议广播学习获取IP与MAC地址转换。当然通过Vxlan隧道广播ARP包理论上也没有问题,问题是必然导致广播包过多,广播的成本会很大。

和OpenStack Neutron的L2 Population原理一样,Docker也是通过ARP代理+静态配置解决ARP问题。我们知道,虽然Linux底层除了自学习方式外无法知道目标IP的MAC地址是什么,但是应用却很容易获取这些信息,比如Neutron的数据库中就保存着Port信息,Port中就有IP和MAC地址。Docker也一样会把endpoint信息保存到KV数据库中,如etcd:

docker endpoint

有了这些数据完全可以实现通过静态配置的方式获取IP和MAC地址映射而规避使用ARP广播的方式。因此前面的vxlan0还负责本地容器的ARP代理:

./docker_netns.sh  2-19c5d1a7ef ip -d -o link show vxlan0 | grep proxy_arp

而vxlan0代理回复时直接查找本地的neigh表回复即可,而本地neigh表则是Docker静态配置:

# ./docker_netns.sh 3-19c5d1a7ef ip neigh
10.20.0.3 dev vxlan0 lladdr 02:42:0a:14:00:03 PERMANENT
10.20.0.4 dev vxlan0 lladdr 02:42:0a:14:00:04 PERMANENT

记录中的PERMANENT说明是静态配置而不是通过学习获取的,IP 10.20.0.3、10.20.0.4正是另外两个容器的IP地址。

2.5 VTEP表静态配置

前面介绍的ARP代理属于L2层问题,而容器的数据包最终还是通过Vxlan隧道传输的,那自然需要解决的问题是这个数据包应该传输到哪个node节点?如果只是两个节点,创建vxlan隧道时可以指定本地ip(local IP)和对端IP(remote IP)建立点对点通信,但实际上显然不可能只有两个节点。

我们不妨把Vxlan出去的物理网卡称为VTEP(VXLAN Tunnel Endpoint),它会有一个可路由的IP,即Vxlan最终封装后的外层IP。通过查找VTEP表决定数据包应该传输到哪个remote VTEP:

容器MAC地址 Vxlan ID Remote VTEP
02:42:0a:14:00:03 256 192.168.1.254
02:42:0a:14:00:04 256 192.168.1.245

VTEP表和ARP表类似,也可以通过广播洪泛的方式学习,显然存在性能问题,实际上很少使用这种方案。在硬件SDN中通常使用BGP EVPN技术实现Vxlan的控制平面。

而Docker解决的办法和ARP类似,通过静态配置的方式填充VTEP表,我们可以查看容器网络namespace的转发表(Forward database,简称fdb),

./docker_netns.sh 3-19c5d1a7ef bridge fdb
...
02:42:0a:14:00:04 dev vxlan0 dst 192.168.1.245 link-netnsid 0 self permanent
02:42:0a:14:00:03 dev vxlan0 dst 192.168.1.254 link-netnsid 0 self permanent
...

可见MAC地址02:42:0a:14:00:04的对端VTEP地址为192.168.1.245,而02:42:0a:14:00:03的对端VTEP地址为192.168.1.254,两条记录都是permanent,即静态配置的,而这些数据来源依然是KV数据库,endpoint中locator即为容器的node IP。

2.6 总结

容器使用Docker原生Overlay网络默认会创建两张虚拟网卡,其中一张网卡通过bridge以及NAT出容器外部,即负责南北流量。另一张网卡通过Vxlan实现跨主机容器通信,为了减少广播,Docker通过读取KV数据静态配置ARP表和FDB表,容器创建或者删除等事件会通过Serf以及Gossip协议通知Node更新ARP表和FDB表。

三、和Docker Overlay差不多的Weave

weave是weaveworks公司提供的容器网络方案,实现上和Docker原生Overlay网络有点类似。

初始化三个节点192.168.1.68、192.168.1.254、192.168.1.245如下:

weave launch --ipalloc-range 172.111.222.0/24 192.168.1.68 192.168.1.254 192.168.1.245

分别在三个节点启动容器:

# node-1
docker run -d --name busybox-node-1 --net weave busybox sleep 3600
# node-2
docker run -d --name busybox-node-2 --net weave busybox sleep 3600
# node-3
docker run -d --name busybox-node-3 --net weave busybox sleep 3600

在容器中我们相互ping:

weave ping 1

从结果发现,Weave实现了跨主机容器通信,另外我们容器有两个虚拟网卡,一个是Docker原生的桥接网卡eth0,用于南北通信,另一个是Weave附加的虚拟网卡ethwe0,用于容器跨主机通信。

另外查看容器的路由:

# docker exec -t -i busybox-node-$NODE ip r
default via 172.18.0.1 dev eth0
172.18.0.0/16 dev eth0 scope link  src 172.18.0.2
172.111.222.0/24 dev ethwe0 scope link  src 172.111.222.128
224.0.0.0/4 dev ethwe0 scope link
其中224.0.0.0/4是一个组播地址,可见Weave是支持组播的,参考[Container Multicast Networking: Docker & Kubernetes Weaveworks](https://www.weave.works/use-cases/multicast-networking/).

我们只看第一个容器的ethwe0,VETH对端ifindex为14:

# ./find_links.sh 14
default:
14: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue 
    master weave state UP mode DEFAULT group default
    link/ether de:12:50:59:f0:d9 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

可见ethwe0的对端在default namespace下,名称为vethwl816281577,该虚拟网卡桥接到weave bridge下:

# brctl show weave
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
weave           8000.d2939d07704b       no              vethwe-bridge
                                                        vethwl816281577

weave bridge下除了有vethwl816281577,还有vethwe-bridge:

# ip link show vethwe-bridge
9: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue 
    master weave state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 0e:ee:97:bd:f6:25 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

可见vethwe-bridgevethwe-datapath是一个VETH对,我们查看对端vethwe-datapath:

# ip -d link show vethwe-datapath
8: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue 
    master datapath state UP mode DEFAULT group default
    link/ether f6:74:e9:0b:30:6d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1
    veth
    openvswitch_slave addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

vethwe-datapath的master为datapath,由openvswitch_slave可知datapath应该是一个openvswitch bridge,而vethwe-datapath挂到了datapath桥下,作为datapath的port。

为了验证,通过ovs-vsctl查看:

# ovs-vsctl show
96548648-a6df-4182-98da-541229ef7b63
    ovs_version: "2.9.2"

使用ovs-vsctl发现并没有datapath这个桥。官方文档中fastdp how it works中解释为了提高网络性能,没有使用用户态的OVS,而是直接操纵内核的datapath。使用ovs-dpctl命令可以查看内核datapath:

# ovs-dpctl show
[email protected]:
        lookups: hit:109 missed:1508 lost:3
        flows: 1
        masks: hit:1377 total:1 hit/pkt:0.85
        port 0: datapath (internal)
        port 1: vethwe-datapath
        port 2: vxlan-6784 (vxlan: packet_type=ptap)

可见datapath类似于一个OVS bridge设备,负责数据交换,该设备目前包含三个port:

  • port 0: datapath (internal)
  • port 1: vethwe-datapath
  • port 2: vxlan-6784

除了vethwe-datapath,还有一个vxlan-6784,由名字可知这是一个vxlan:

# ip -d link show vxlan-6784
10: vxlan-6784: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 65535 qdisc noqueue 
    master datapath state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether d2:21:db:c1:9b:28 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1
    vxlan id 0 srcport 0 0 dstport 6784 nolearning ttl inherit ageing 300 udpcsum noudp6zerocsumtx udp6zerocsumrx external
    openvswitch_slave addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

最后Weave的网络流量图如下:

weave

四、简单优雅的Flannel

4.1 Flannel简介

Flannel网络是目前最主流的容器网络之一,同时支持overlay(如vxlan)和路由(如host-gw)两种模式。

Flannel和Weave以及Docker原生overlay网络不同的是,后者的所有Node节点共享一个子网,而Flannel初始化时通常指定一个16位的网络,然后每个Node单独分配一个独立的24位子网。由于Node都在不同的子网,跨节点通信本质为三层通信,也就不存在二层的ARP广播的问题了。

另外,我认为Flannel之所以被认为非常简单优雅的是,不像Weave以及Docker Overlay网络需要在容器内部再增加一个网卡专门用于Overlay网络的通信,Flannel使用的就是Docker最原生的bridge网络,除了需要为每个Node配置subnet(bip)外,几乎不改变原有的Docker网络模型。

4.2 Flannel Overlay网络

我们首先以Flannel Overlay网络模型为例,三个节点的IP以及Flannel分配的子网如下:

Node名 主机IP 分配的子网
node-1 192.168.1.68 40.15.43.0/24
node-2 192.168.1.254 40.15.26.0/24
node-3 192.168.1.245 40.15.56.0/24

在三个集成了Flannel网络的Node环境下分别创建一个busybox容器:

docker run -d --name busybox busybox:latest sleep 36000

容器列表如下:

Node名 主机IP 容器IP
node-1 192.168.1.68 40.15.43.2/24
node-2 192.168.1.254 40.15.26.2/24
node-3 192.168.1.245 40.15.56.2/24

查看容器namespace的网络设备:

# ./docker_netns.sh busybox ip -d -c  link
416: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 02:42:28:0f:2b:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 promiscuity 0
    veth addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

和Docker bridge网络一样只有一张网卡eth0,eth0为veth设备,对端的ifindex为417.

我们查找下ifindex 417的link信息:

# ./find_links.sh 417
default:
417: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue master docker0 state UP mode DEFAULT group default
     link/ether 26:bd:de:86:21:78 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

可见ifindex 417在default namespace下,名称为veth1cfe340并且master为docker0,因此挂到了docker0的bridge下。

# brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
docker0         8000.0242d6f8613e       no              veth1cfe340
                                                        vethd1fae9d
docker_gwbridge         8000.024257f32054       no

和Docker原生的bridge网络没什么区别,那它是怎么解决了跨主机通信的呢?

实现跨主机通信,要么overlay隧道封装,要么静态路由,显然docker0没有看出有什么overlay的痕迹,因此只能通过路由实现了。

不妨查看下本地路由如下:

# ip r
default via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.68 metric 100
40.15.26.0/24 via 40.15.26.0 dev flannel.1 onlink
40.15.43.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 40.15.43.1
40.15.56.0/24 via 40.15.56.0 dev flannel.1 onlink
...

我们只关心40.15开头的路由,忽略其他路由,我们发现除了40.15.43.0/24直接通过docker0直连外,其他均路由转发到了flannel.1。而40.15.43.0/24为本地Node的子网,因此在同一宿主机的容器直接通过docker0通信即可。

我们查看flannel.1的设备类型:

413: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/ether 0e:08:23:57:14:9a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    vxlan id 1 local 192.168.1.68 dev eth0 srcport 0 0 dstport 8472 nolearning ttl inherit ageing 300 
    udpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

可见flannel.1是一个Linux Vxlan设备,其中.1为VNI值,不指定默认为1。

由于不涉及ARP因此不需要proxy参数实现ARP代理,而本地Node的容器通信由于在一个子网,因此直接ARP自己学习即可,不需要Vxlan设备学习,因此有个nolearning参数。

flannel.1如何知道对端VTEP地址呢?我们依然查看下转发表fdb:

bridge fdb | grep flannel.1
4e:55:ee:0a:90:38 dev flannel.1 dst 192.168.1.245 self permanent
da:17:1b:07:d3:70 dev flannel.1 dst 192.168.1.254 self permanent

其中192.168.1.245、192.168.1.254正好是另外两个Node的IP,即VTEP地址,而4e:55:ee:0a:90:38以及da:17:1b:07:d3:70为对端的flannel.1设备的MAC地址,由于是permanent表,因此可推测是由flannel静态添加的,而这些信息显然可以从etcd获取:

# for subnet in $(etcdctl ls /coreos.com/network/subnets); do etcdctl get $subnet;done
{"PublicIP":"192.168.1.68","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"0e:08:23:57:14:9a"}}
{"PublicIP":"192.168.1.254","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"da:17:1b:07:d3:70"}}
{"PublicIP":"192.168.1.245","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"4e:55:ee:0a:90:38"}}

因此Flannel的Overlay网络实现原理简化如图:

flannel

可见除了增加或者减少Node,需要Flannel配合配置静态路由以及fdb表,容器的创建与删除完全不需要Flannel干预,事实上Flannel也不需要知道有没有新的容器创建或者删除。

4.3 Flannel host-gw网络

前面介绍Flannel通过Vxlan实现跨主机通信,其实Flannel支持不同的backend,其中指定backend type为host-gw支持通过静态路由的方式实现容器跨主机通信,这时每个Node都相当于一个路由器,作为容器的网关,负责容器的路由转发。

需要注意的是,如果使用AWS EC2,使用Flannel host-gw网络需要禁用MAC地址欺骗功能,如图:

Change Source/Dest. Check

使用OpenStack则最好禁用Neutron的port security功能。

同样地,我们在三个节点分别创建busybox容器,结果如下:

Node名 主机IP 容器IP
node-1 192.168.1.68 40.15.43.2/24
node-2 192.168.1.254 40.15.26.2/24
node-3 192.168.1.245 40.15.56.2/24

我们查看192.168.1.68的本地路由:

# ip r
default via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.68 metric 100
40.15.26.0/24 via 192.168.1.254 dev eth0
40.15.43.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 40.15.43.1
40.15.56.0/24 via 192.168.1.245 dev eth0
...

我们只关心40.15前缀的路由,发现40.15.26.0/24的下一跳为192.168.1.254,正好为node2 IP,而40.15.43.0/24的下一跳为本地docker0,因为该子网就是node所在的子网,40.15.56.0/24的下一跳为192.168.1.245,正好是node3 IP。可见,Flannel通过配置静态路由的方式实现容器跨主机通信,每个Node都作为路由器使用。

host-gw的方式相对overlay由于没有vxlan的封包拆包过程,直接路由就过去了,因此性能相对要好。不过正是由于它是通过路由的方式实现,每个Node相当于是容器的网关,因此每个Node之间必须在同一个LAN子网内,否则跨子网由于链路层不通导致无法实现路由导致host-gw实现不了。

4.4 Flannel利用云平台路由实现跨主机通信

前面介绍的host-gw是通过修改主机路由表实现容器跨主机通信,如果能修改主机网关的路由当然也是没有问题的,尤其是和SDN结合方式动态修改路由。

目前很多云平台均实现了自定义路由表的功能,比如OpenStack、AWS等,Flannel借助这些功能实现了很多公有云的VPC后端,通过直接调用云平台API修改路由表实现容器跨主机通信,比如阿里云、AWS、Google云等,不过官方很可惜目前好像没有实现OpenStack Neutron后端。

下面以AWS为例,创建了如下4台EC2虚拟机:

  • node-1: 197.168.1.68/24
  • node-2: 197.168.1.254/24
  • node-3: 197.168.1.245/24
  • node-4: 197.168.0.33/24

注意第三台和其余两台不在同一个子网。

三台EC2均关联了flannel-role,flannel-role关联了flannel-policy,policy的权限如下:

{
    "Version": "2012-10-17",
    "Statement": [
        {
            "Sid": "VisualEditor0",
            "Effect": "Allow",
            "Action": [
                "ec2:DescribeInstances",
                "ec2:CreateRoute",
                "ec2:DeleteRoute",
                "ec2:ModifyInstanceAttribute",
                "ec2:DescribeRouteTables",
                "ec2:ReplaceRoute"
            ],
            "Resource": "*"
        }
    ]
}

即EC2实例需要具有修改路由表等相关权限。

之前一直很疑惑AWS的role如何与EC2虚拟机关联起来的。换句话说,如何实现虚拟机无需配置Key和Secretd等认证信息就可以直接调用AWS API,通过awscli的--debug信息可知awscli首先通过metadata获取role信息,再获取role的Key和Secret:

aws cli debug

关于AWS如何知道调用metadata的是哪个EC2实例,可参考之前的文章OpenStack虚拟机如何获取metadata.

另外所有EC2实例均禁用了MAC地址欺骗功能(Change Source/Dest Check),安全组允许flannel网段40.15.0.0/16通过,另外增加了如下iptables规则:

iptables -I FORWARD --dest 40.15.0.0/16 -j ACCEPT
iptables -I FORWARD --src 40.15.0.0/16 -j ACCEPT

flannel配置如下:

# etcdctl get /coreos.com/network/config | jq .
{
  "Network": "40.15.0.0/16",
  "Backend": {
    "Type": "aws-vpc"
  }
}

启动flannel,自动为每个Node分配24位子网,网段如下:

Node名 主机IP 容器IP
node-1 192.168.1.68 40.15.16.0/24
node-2 192.168.1.254 40.15.64.0/24
node-3 192.168.1.245 40.15.13.0/24
node-4 192.168.0.33 40.15.83.0/24

我们查看node-1、node-2、node-3关联的路由表如图:

aws route

node-4关联的路由表如图:

aws route

由此可见,每增加一个Flannel节点,Flannel就会调用AWS API在EC2实例的子网关联的路由表上增加一条记录,Destination为该节点分配的Flannel子网,Target为该EC2实例的主网卡。

在4个节点分别创建一个busybox容器,容器IP如下:

Node名 主机IP 容器IP
node-1 192.168.1.68 40.15.16.2/24
node-2 192.168.1.254 40.15.64.2/24
node-3 192.168.1.245 40.15.13.2/24
node-4 192.168.0.33 40.15.83.2/24

所有节点ping node-4的容器,如图:

aws route

我们发现所有节点都能ping通node-4的容器。但是node-4的容器却ping不通其余容器:

aws route

这是因为每个Node默认只会添加自己所在路由的记录。node-4没有node-1 ~ node-3的路由信息,因此不通。

可能有人会问,node1 ~ node3也没有node4的路由,那为什么能ping通node4的容器呢?这是因为node1 ~ node3子网关联的路由是NAT网关,node4是Internet网关,而NAT网关的子网正好是node1 ~ node4关联的子网,因此node1 ~ node3虽然在自己所在的NAT网关路由没有找到node4的路由信息,但是下一跳到达Internet网关的路由表中找到了node4的路由,因此能够ping通,而node4找不到node1 ~ node3的路由,因此都ping不通。

以上只是默认行为,Flannel可以通过RouteTableID参数配置Node需要更新的路由表,增加两个子网的路由表如下:

# etcdctl get  /coreos.com/network/config | jq .
{
  "Network": "40.15.0.0/16",
  "Backend": {
    "Type": "aws-vpc",
    "RouteTableID": [
      "rtb-0686cdc9012674692",
      "rtb-054dfd5f3e47102ae"
    ]
  }
}

重启Flannel服务,再次查看两个路由表:

aws route

我们发现两个路由表均添加了node1 ~ node4的Flannel子网路由。

此时四个节点的容器能够相互ping通。

aws route

从中我们发现,aws-vpc解决了host-gw不能跨子网的问题,Flannel官方也建议如果使用AWS,则推荐使用aws-vpc替代overlay方式,能够获取更好的性能:

When running within an Amazon VPC, we recommend using the aws-vpc backend which, instead of using encapsulation, manipulates IP routes to achieve maximum performance. Because of this, a separate flannel interface is not created.

The biggest advantage of using flannel AWS-VPC backend is that the AWS knows about that IP. That makes it possible to set up ELB to route directly to that container.

另外,由于路由是添加到了主机网关上,因此只要关联了该路由表,EC2实例是可以从外面直接ping通容器的,换句话说,同一子网的EC2虚拟机可以直接ping通容器IP。

aws route

不过需要注意的是,AWS路由表默认最多支持50条路由规则,这限制了Flannel节点数量,不知道AWS是否支持增加配额功能。另外目前最新版的Flannel v0.10.0好像对aws-vpc支持有点问题,再官方修复如上问题之前建议使用Flannel v0.8.0版本。

五、黑科技最多的Calico

5.1 Calico环境配置

Calico和Flannel host-gw类似都是通过路由实现跨主机通信,区别在于Flannel通过flanneld进程逐一添加主机静态路由实现,而Calico则是通过BGP实现节点间路由规则的相互学习广播。

这里不详细介绍BGP的实现原理,仅研究容器是如何通信的。

创建了3个节点的calico集群,ip pool配置如下:

# calicoctl  get ipPool -o yaml
- apiVersion: v1
  kind: ipPool
  metadata:
    cidr: 197.19.0.0/16
  spec:
    ipip:
      enabled: true
      mode: cross-subnet
    nat-outgoing: true
- apiVersion: v1
  kind: ipPool
  metadata:
    cidr: fd80:24e2:f998:72d6::/64
  spec: {}

Calico分配的ip如下:

for host in $(etcdctl --endpoints $ENDPOINTS ls /calico/ipam/v2/host/); do
    etcdctl --endpoints $ENDPOINTS ls  $host/ipv4/block | awk -F '/' '{sub(/-/,"/",$NF)}{print $6,$NF}'
done | sort

int32bit-docker-1 197.19.38.128/26
int32bit-docker-2 197.19.186.192/26
int32bit-docker-3 197.19.26.0/26

由此可知,Calico和Flannel一样,每个节点分配一个子网,只不过Flannel默认分24位子网,而Calico分的是26位子网。

三个节点分别创建busybox容器:

Node名 主机IP 容器IP
node-1 192.168.1.68 197.19.38.136
node-2 192.168.1.254 197.19.186.197
node-3 192.168.1.245 197.19.26.5/24

calico ping each other

相互ping通没有问题。

5.2 Calico容器内部网络

我们查看容器的link设备以及路由:

# ./docker_netns.sh busybox ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: [email protected]: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
14: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 197.19.38.136/32 brd 197.19.38.136 scope global cali0
       valid_lft forever preferred_lft forever

# ./docker_netns.sh busybox ip r
default via 169.254.1.1 dev cali0
169.254.1.1 dev cali0 scope link

这有几点很神奇:

  • 所有容器的MAC地址都是ee:ee:ee:ee:ee:ee
  • 网关地址是169.254.1.1,然而我找尽了所有的namespaces也没有找到这个IP。

这两个问题在Calico官方的faq中有记录#1 Why do all cali* interfaces have the MAC address ee:ee:ee:ee:ee:ee?#2 Why can’t I see the 169.254.1.1 address mentioned above on my host?

针对第一个问题,官方认为不是所有的内核都能支持自动分配MAC地址,所以干脆Calico自己指定MAC地址,而Calico完全使用三层路由通信,MAC地址是什么其实无所谓,因此直接都使用ee:ee:ee:ee:ee:ee

第二个问题,回顾之前的网络模型,大多数都是把容器的网卡通过VETH连接到一个bridge设备上,而这个bridge设备往往也是容器网关,相当于主机上多了一个虚拟网卡配置。Calico认为容器网络不应该影响主机网络,因此容器的网卡的VETH另一端没有经过bridge直接挂在默认的namespace中。而容器配的网关其实也是假的,通过proxy_arp修改MAC地址模拟了网关的行为,所以网关IP是什么也无所谓,那就直接选择了local link的一个ip,这还节省了容器网络的一个IP。我们可以抓包看到ARP包:

calico arp

可以看到容器网卡的对端calia2656637189直接代理回复了ARP,因此出去网关时容器的包会直接把MAC地址修改为06:66:26:8e:b2:67,即伪网关的MAC地址。

有人可能会说那如果在同一主机的容器通信呢?他们应该在同一个子网,容器的MAC地址都是一样那怎么进行二层通信呢?仔细看容器配置的IP掩码居然是32位的,那也就是说跟谁都不在一个子网了,也就不存在二层的链路层直接通信了。

5.3 Calico主机路由

前面提到Calico通过BGP动态路由实现跨主机通信,我们查看主机路由如下,其中197.19.38.139、197.19.38.140是在本机上的两个容器IP:

# ip r | grep 197.19
197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto bird
blackhole 197.19.38.128/26 proto bird
197.19.38.139 dev calia2656637189 scope link
197.19.38.140 dev calie889861df72 scope link
197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird

我们发现跨主机通信和Flannel host-gw完全一样,下一跳直接指向hostIP,把host当作容器的网关。不一样的是到达宿主机后,Flannel会通过路由转发流量到bridge设备中,再由bridge转发给容器,而Calico则为每个容器的IP生成一条明细路由,直接指向容器的网卡对端。因此如果容器数量很多的话,主机路由规则数量也会越来越多,因此才有了路由反射,这里不过多介绍。

里面还有一条blackhole路由,如果来的IP是在host分配的容器子网197.19.38.128/26中,而又不是容器的IP,则认为是非法地址,直接丢弃。

5.4 Calico多网络支持

在同一个集群上可以同时创建多个Calico网络:

# docker network ls | grep calico
ad7ca8babf01        calico-net-1        calico              global
5eaf3984f69d        calico-net-2        calico              global

我们使用另一个Calico网络calico-net-2创建一个容器:

docker run -d --name busybox-3 --net calico-net-2 busybox sleep 36000
# docker exec busybox-3 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: [email protected]: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
24: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue
    link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 197.19.38.141/32 brd 197.19.38.141 scope global cali0
       valid_lft forever preferred_lft forever

# ip r | grep 197.19
197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto bird
blackhole 197.19.38.128/26 proto bird
197.19.38.139 dev calia2656637189 scope link
197.19.38.140 dev calie889861df72 scope link
197.19.38.141 dev calib12b038e611 scope link
197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird

我们发现在同一个主机不在同一个网络的容器IP地址在同一个子网,那不是可以通信呢?

calico ping each other

我们发现虽然两个跨网络的容器分配的IP在同一个子网,但居然实现了隔离。

如果使用诸如vxlan的overlay网络,很好猜测是怎么实现隔离的,无非就是使用不同的VNI。但Calico没有使用overlay,直接使用路由通信,而且不同网络的子网还是重叠的,它是怎么实现隔离的呢。

要在同一个子网实现隔离,我们猜测实现方式只能是逻辑隔离,即通过本地防火墙如iptables实现。

查看了下Calico生成的iptables规则发现太复杂了,各种包mark。由于决定包的放行或者丢弃通常是在filter表实现,而不是发往主机的自己的包应该在FORWARD链中,因此我们直接研究filter表的FORWARD表。

# iptables-save -t filter | grep -- '-A FORWARD'
-A FORWARD -m comment --comment "cali:wUHhoiAYhphO9Mso" -j cali-FORWARD
...

Calico把cali-FORWARD子链挂在了FORWARD链上,comment中的一串看起来像随机字符串cali:wUHhoiAYhphO9Mso不知道是干嘛的。

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-FORWARD'
-A cali-FORWARD -i cali+ -m comment --comment "cali:X3vB2lGcBrfkYquC" -j cali-from-wl-dispatch
-A cali-FORWARD -o cali+ -m comment --comment "cali:UtJ9FnhBnFbyQMvU" -j cali-to-wl-dispatch
-A cali-FORWARD -i cali+ -m comment --comment "cali:Tt19HcSdA5YIGSsw" -j ACCEPT
-A cali-FORWARD -o cali+ -m comment --comment "cali:9LzfFCvnpC5_MYXm" -j ACCEPT
...

cali+表示所有以cali为前缀的网络接口,即容器的网卡对端设备。由于我们只关心发往容器的流量方向,即从caliXXX发往容器的流量,因此我们只关心条件匹配的-o cali+的规则,从如上可以看出所有从cali+出来的流量都跳转到了cali-to-wl-dispatch子链处理,其中wl是workload的缩写,workload即容器。

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-to-wl-dispatch'
-A cali-to-wl-dispatch -o calia2656637189 -m comment --comment "cali:TFwr8sfMnFH3BUla" -g cali-tw-calia2656637189
-A cali-to-wl-dispatch -o calib12b038e611 -m comment --comment "cali:ZbRb0ozg-GGeUfRA" -g cali-tw-calib12b038e611
-A cali-to-wl-dispatch -o calie889861df72 -m comment --comment "cali:5OoGv50NzX0sKdMg" -g cali-tw-calie889861df72
-A cali-to-wl-dispatch -m comment --comment "cali:RvicCiwAy9cIEAKA" -m comment --comment "Unknown interface" -j DROP

从子链名字也可以看出cali-to-wl-dispatch是负责流量的分发的,即根据具体的流量出口引到具体的处理流程子链,从X出来的,由cali-tw-X处理,从Y出来的,由cali-tw-Y处理,依次类推,其中twto workload的简写。

我们假设是发往busybox 197.19.38.139这个容器的,对应的主机虚拟设备为calia2656637189,则跳转子链为cali-tw-calia2656637189

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-tw-calia2656637189'
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:259EHpBvnovN8_q6" -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:YLokMEiVkZggfg9R" -m conntrack --ctstate INVALID -j DROP
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:pp8a6fGxqaALtRK5" -j MARK --set-xmark 0x0/0x1000000
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:bgw2sCtlIfZjhXLA" -j cali-pri-calico-net-1
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:1Z2NvhoS27pP03Ll" -m comment --comment "Return if profile accepted" -m mark --mark 0x1000000/0x1000000 -j RETURN
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:mPb8hORsTXeVt7yC" -m comment --comment "Drop if no profiles matched" -j DROP

其中第1、2条规则在深入浅出OpenStack安全组实现原理中介绍过,不再赘述。

第三条规则注意使用的是set-xmark而不是set-mark,为什么不用set-mark,这是由于set-mark会覆盖原来的值。而set-xmark value/netmask,表示X = (X & (~ netmask)) ^ value--set-xmark 0x0/0x1000000的意思就是把X的第25位重置为0,其他位保留不变。

这个mark位的含义我在官方中没有找到,在Calico网络的原理、组网方式与使用这篇文章找到了相关资料:

node一共使用了3个标记位,0x7000000对应的标记位

0x1000000: 报文的处理动作,置1表示放行,默认0表示拒绝

0x2000000: 是否已经经过了policy规则检测,置1表示已经过

0x4000000: 报文来源,置1,表示来自host-endpoint

即第25位表示报文的处理动作,为1表示通过,0表示拒绝,第5、6条规则也可以看出第25位的意义,匹配0x1000000/0x1000000直接RETRUN,不匹配的直接DROP。

因此第3条规则的意思就是清空第25位标志位重新评估,谁来评估呢?这就是第4条规则的作用,根据虚拟网络设备cali-XXX所处的网络跳转到指定网络的子链中处理,由于calia2656637189属于calico-net-1,因此会跳转到cali-pri-calico-net-1子链处理。

我们观察cali-pri-calico-net-1的规则:

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-pri-calico-net-1'
-A cali-pri-calico-net-1 -m comment --comment "cali:Gvse2HBGxQ9omCdo" -m set --match-set cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo src -j MARK --set-xmark 0x1000000/0x1000000
-A cali-pri-calico-net-1 -m comment --comment "cali:0vZpvvDd_5bT7g_k" -m mark --mark 0x1000000/0x1000000 -j RETURN

规则很简单,只要IP在cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo在这个ipset集合中就设置mark第25位为1,然后RETURN,否则如果IP不在ipset中则直接DROP(子链的默认行为为DROP)。

# ipset list cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo
Name: cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo
Type: hash:ip
Revision: 4
Header: family inet hashsize 1024 maxelem 1048576
Size in memory: 280
References: 1
Number of entries: 4
Members:
197.19.38.143
197.19.26.7
197.19.186.199
197.19.38.144

到这里终于真相大白了,Calico是通过iptables + ipset实现多网络隔离的,同一个网络的IP会加到同一个ipset集合中,不同网络的IP放到不同的ipset集合中,最后通过iptables的set模块匹配ipset集合的IP,如果src IP在指定的ipset中则允许通过,否则DROP。

5.5 Calico跨网段通信

我们知道Flannel host-gw不支持Node主机跨网段,Calico是否支持呢,为此我增加了一个node-4(192.168.0.33/24),显然和其他三个Node不在同一个子网。

在新的Node中启动一个busybox:

docker run -d --name busybox-node-4 --net calico-net-1 busybox sleep 36000
docker exec busybox-node-4 ping -c 1 -w 1 197.19.38.144
PING 197.19.38.144 (197.19.38.144): 56 data bytes
64 bytes from 197.19.38.144: seq=0 ttl=62 time=0.539 ms

--- 197.19.38.144 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.539/0.539/0.539 ms

验证发现容器通信时没有问题的。

查看node-1路由:

# ip r | grep 197.19
197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto bird
blackhole 197.19.38.128/26 proto bird
197.19.38.142 dev cali459cc263d36 scope link
197.19.38.143 dev cali6d0015b0c71 scope link
197.19.38.144 dev calic8e5fab61b1 scope link
197.19.65.128/26 via 192.168.0.33 dev tunl0 proto bird onlink
197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird

和其他路由不一样的是,我们发现197.19.65.128/26是通过tunl0出去的:

# ip -d link show tunl0
5: [email protected]: <NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1440 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0 promiscuity 0
    ipip any remote any local any ttl inherit nopmtudisc addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535
# ip -d tunnel show
tunl0: any/ip remote any local any ttl inherit nopmtudisc

由此可知,如果节点跨网段,则Calico通过ipip隧道传输,相当于走的是overlay。

对比Flannel host-gw,除了静态与BGP动态路由配置的区别,Calico还通过iptables + ipset解决了多网络支持问题,通过ipip隧道实现了节点跨子网通信问题。

另外,某些业务或者POD需要固定IP,比如POD从一个节点迁移到另一个节点保持IP不变,这种情况下可能导致容器的IP不在节点Node上分配的子网范围内,Calico可以通过添加一条32位的明细路由实现,Flannel不支持这种情况。

因此相对来说Calico实现的功能相对要多些,但是,最终也导致Calico相对Flannel要复杂得多,运维难度也较大,光一堆iptables规则就不容易理清了。

六、与OpenStack网络集成的Kuryr

Kuryr是OpenStack中一个较新的项目,其目标是“Bridge between container framework networking and storage models to OpenStack networking and storage abstractions.”,即实现容器与OpenStack的网络集成,该方案实现了与虚拟机、裸机相同的网络功能和互通,比如多租户、安全组等,网络模型和虚拟机基本一样,唯一区别在于虚拟机是通过TAP设备直接挂到虚拟机设备中的,而容器则是通过VETH连接到容器的namespace。

    vm               Container        whatever
    |                    |                |
   tapX                tapY             tapZ
    |                    |                |
    |                    |                |
  qbrX                 qbrY             qbrZ
    |                    |                |
---------------------------------------------   
    |               br-int(OVS)           |
---------------------------------------------
                         |
-----------------------------------------------
    |               br-tun(OVS)           |
-----------------------------------------------

Kuryr在我之前的文章OpenStack容器服务Zun初探与原理分析详细介绍过,这里不再赘述。

参考文献

  1. Deep dive into Docker overlay networks.
  2. Flannel backends.
  3. Comparison of Networking Solutions for Kubernetes.
  4. Amazon VPC Backend for Flannel.
  5. Multi-Host Networking Overlay with Flannel.
  6. Linux VXLAN.
  7. Docker Multi-Host Networking: Overlays to the Rescue.