Kubernetes网络分析之Flannel工作原理及源码实现

Flannel是cereos开源的CNI网络插件，下图flannel官网提供的一个数据包经过封包、传输以及拆包的示意图，从这个图片中可以看出两台机器的docker0分别处于不同的段：10.1.20.1/24 和 10.1.15.1/24 ，如果从Web App Frontend1 pod（10.1.15.2）去连接另一台主机上的Backend Service2 pod（10.1.20.3），网络包从宿主机192.168.0.100发往192.168.0.200，内层容器的数据包被封装到宿主机的UDP里面，并且在外层包装了宿主机的IP和mac地址。这就是一个经典的overlay网络，因为容器的IP是一个内部IP，无法从跨宿主机通信，所以容器的网络互通，需要承载到宿主机的网络之上。

flannel支持多种网络模式，常用的是vxlan、UDP、hostgw、ipip以及gce和阿里云等，vxlan和UDP的区别是：vxlan是内核封包，而UDP是flanneld用户态程序封包，所以UDP的方式性能会稍差；hostgw模式是一种主机网关模式，容器到另外一个主机上容器的网关设置成所在主机的网卡地址，这个和calico非常相似，只不过calico是通过BGP声明，而hostgw是通过中心的etcd分发，所以hostgw是直连模式，不需要通过overlay封包和拆包，性能比较高，但hostgw模式最大的缺点是必须是在一个二层网络中，毕竟下一跳的路由需要在邻居表中，否则无法通行。

在实际的生产环境中，最常用的还是vxlan模式，我们先看工作原理，然后通过源码解析实现过程。

安装的过程非常简单，主要分为两步：

第一步安装flannel

yum install flannel 或者通过kubernetes的daemonset方式启动,配置flannel用的etcd地址

第二步配置集群网络

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}}"

然后启动每个节点的flanned程序。

一、工作原理

1、容器的地址如何分配

Docker容器启动时通过docker0分配IP地址，flannel为每个机器分配一个IP段，配置在docker0上，容器启动后就在本段内选择一个未占用的IP，那么flannel如何修改docker0网段呢？

先看一下 flannel的启动文件 /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

文件里面指定了flannel环境变量和启动脚本和启动后执行脚本 ExecStartPost 设置的mk-docker-opts.sh，这个脚本的作用是生成/run/flannel/docker，文件内容如下：

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"

而这个文件又被docker启动文件/usr/lib/systemd/system/docker.service所关联，

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

这样便可以设置docker0的网桥了。

在开发环境中，有三台机器，分别分配了如下网段：

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

上面介绍了为每个容器分配IP，那么不同主机上的容器如何通信呢，我们用最常见的vxlan举例，这里有三个关键点，一个路由，一个arp，一个FDB。我们按照容器发包的过程，逐一分析上面三个元素的作用，首先容器出来的数据包会经过docker0，那么下面是直接从主机网络出去，还是通过vxlan封包转发呢？这是每个机器上面路由设定的。

 #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

可以看到每个主机上面都有到另外两台机器的路由，这个路由是onlink路由，onlink参数表明强制此网关是“在链路上”的(虽然并没有链路层路由)，否则linux上面是没法添加不同网段的路由。这样数据包就能知道，如果是容器直接的访问则交给flannel.1设备处理。

flannel.1这个虚拟网络设备将会对数据封包，但下面一个问题又来了，这个网关的mac地址是多少呢？因为这个网关是通过onlink设置的，flannel会下发这个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

可以看到这个网关对应的mac地址，这样内层的数据包就封装好了

还是最后一个问题，外出的数据包的目的IP是多少呢？换句话说，这个封装后的数据包应该发往那一台机器呢？难不成每个数据包都广播。vxlan默认实现第一次确实是通过广播的方式，但flannel再次采用一种hack方式直接下发了这个转发表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

这样对应mac地址转发目标IP便可以获取到了。

这里还有个地方需要注意，无论是arp表还是FDB表都是permanent，它表明写记录是手动维护的，传统的arp获取邻居的方式是通过广播获取，如果收到对端的arp相应则会标记对端为reachable，在超过reachable设定时间后，如果发现对端失效会标记为stale，之后会转入的delay以及probe进入探测的状态，如果探测失败会标记为Failed状态。之所以介绍arp的基础内容，是因为老版本的flannel并非使用本文上面的方式，而是采用一种临时的arp方案，此时下发的arp表示reachable状态，这就意味着，如果在flannel宕机超过reachable超时时间的话，那么这台机器上面的容器的网络将会中断，我们简单回顾试一下之前(0.7.x)版本的做法，容器为了为了能够获取到对端arp地址，内核会首先发送arp征询，如果尝试

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

此时后会向用户空间发送arp征询

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

之前版本的flannel正是利用这个特性，设定

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

从而flanneld便可以获取到内核发送到用户空间的L3MISS,并且配合etcd返回这个IP地址对应的mac地址，设置为reachable。从分析可以看出，如果flanneld程序如果退出后，容器之间的通信将会中断，这里需要注意。Flannel的启动流程如下图所示：

Flannel启动执行newSubnetManager，通过他创建后台数据存储，当前有支持两种后端，默认是etcd存储，如果flannel启动指定“kube-subnet-mgr”参数则使用kubernetes的接口存储数据。

具体代码如下：

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)
 }

通过SubnetManager，结合上面介绍部署的时候配置的etcd的数据，可以获得网络配置信息，主要指backend和网段信息，如果是vxlan，通过NewManager创建对应的网络管理器，这里用到简单工程模式，首先每种网络模式管理器都会通过init初始化注册，

如vxlan

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

如果是udp

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

其它也是类似，将构建方法都注册到一个map里面，从而根据etcd配置的网络模式，设定启用对应的网络管理器。

3、注册网络

RegisterNetwork，首先会创建flannel.vxlanID的网卡，默认vxlanID是1.然后就是向etcd注册租约并且获取相应的网段信息，这样有个细节，老版的flannel每次启动都是去获取新的网段，新版的flannel会遍历etcd里面已经注册的etcd信息，从而获取之前分配的网段，继续使用。

最后通过WriteSubnetFile写本地子网文件，

 # 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

通过这个文件设定docker的网络。细心的读者可能发现这里的MTU并不是以太网规定的1500，这是因为外层的vxlan封包还要占据50 Byte。

当然flannel启动后还需要持续的watch etcd里面的数据，这是当有新的flannel节点加入，或者变更的时候，其他flannel节点能够动态更新的那三张表。主要的处理方法都在handleSubnetEvents里面

 func (nw *network) handleSubnetEvents(batch []subnet.Event) {
 . . .
 
 switch event.Type {//如果是有新的网段加入（新的主机加入）
 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
 }//如果是删除实践
 case subnet.EventRemoved:
//删除路由
 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))
 
 //删除arp if err := nw.dev.DelARP(neighbor{IP: sn.IP, MAC: net.HardwareAddr(vxlanAttrs.VtepMAC)}); err != nil {
 log.Error("DelARP failed: ", err)
 }
 //删除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))
 }
 }
 }

这样flannel里面任何主机的添加和删除都可以被其它节点所感知到，从而更新本地内核转发表。