Kubernetes研究：图解Kubernetes网络

我们观察了数据包是如何在同一节点上的pod 间和跨节点的 pod 间流动的。我们也注意到了Linux网桥和路由表在这个过程中所扮演的角色。现在我们将进一步阐述这些概念，并阐述Overlay网络是如何工作的。我们也将理解Kubernetes千变万化的Pod是如何从运行的应用中抽象出来，并在幕后处理的。

Overlay 网络Overlay网络不是默认必须的，但是它们在特定场景下非常有用。比如当我们没有足够的IP空间，或者网络无法处理额外路由，抑或当我们需要Overlay提供的某些额外管理特性。一个常见的场景是当云提供商的路由表能处理的路由数是有限制时。例如，AWS路由表最多支持50条路由才不至于影响网络性能。因此如果我们有超过50个Kubernetes节点，AWS路由表将不够。这种情况下，使用Overlay网络将帮到我们。

本质上来说，Overlay就是在跨节点的本地网络上的包中再封装一层包。你可能不想使用Overlay网络，因为它会带来由封装和解封所有报文引起的时延和复杂度开销。通常这是不必要的，因此我们应当在知道为什么我们需要它时才使用它。

为了理解Overlay网络中流量的流向，我们拿Flannel做例子，它是CoreOS 的一个开源项目。

Kubernetes Node with route table(cross node pod-to-pop Traffic flow with flannel overlay network)这里我们注意到它和之前我们看到的设施是一样的，只是在root netns中新增了一个虚拟的以太网设备，称为flannel0。它是虚拟扩展网络Virtual Extensible LAN(VXLAN)的一种实现，但是在Linux上，它只是另一个网络接口。从pod1到pod4(在不同节点)的数据包的流向类似如下：

1、它由pod1中netns的eth0网口离开，通过vethxxx进入root netns。

2、然后被传到cbr0，cbr0通过发送ARP请求来找到目标地址。

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• a、由于本节点上没有Pod拥有pod4的IP地址，因此网桥把数据包发送给了flannel0，因为节点的路由表上flannel0被配成了Pod网段的目标地址。
• b、flanneld daemon和Kubernetes apiserver或者底层的etcd通信，它知道所有的Pod IP，并且知道它们在哪个节点上。因此Flannel创建了Pod IP和Node IP之间的映射(在用户空间)。flannel0取到这个包，并在其上再用一个UDP包封装起来，该UDP包头部的源和目的IP分别被改成了对应节点的IP，然后发送这个新包到特定的VXLAN端口(通常是8472)。

• Packet-in-packet encapsulation(notice the packet is encapsulated from 3c to 6b in previous diagram)尽管这个映射发生在用户空间，真实的封装以及数据的流动发生在内核空间，因此仍然是很快的。
• c、封装后的包通过eth0发送出去，因为它涉及了节点间的路由流量。

4、包带着节点IP信息作为源和目的地址离开本节点。

5、云提供商的路由表已经知道了如何在节点间发送报文，因此该报文被发送到目标地址node2。

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• a、包到达node2的eth0网卡，由于目标端口是特定的VXLAN端口，内核将报文发送给了 flannel0。
• b、flannel0解封报文，并将其发送到 root 命名空间下。从这里开始，报文的路径和我们之前在Part 1 中看到的非Overlay网络就是一致的了。
• c、由于IP forwarding开启着，内核按照路由表将报文转发给了cbr0。

7、网桥获取到了包，发送ARP请求，发现目标IP属于vethyyy。

8、包跨过管道对到达pod4。这就是Kubernetes中Overlay网络的工作方式，虽然不同的实现还是会有细微的差别。有个常见的误区是，当我们使用Kubernetes，我们就不得不使用Overlay网路。事实是，这完全依赖于特定场景。因此请确保在确实需要的场景下才使用。在前一部分我们学习了Kubernetes网络的基础知识。现在我们知道了Overlay网络是如何工作的。在下一部分，我们将看到Pod创建和删除过程中网络变化是如何发生的，以及出站和进站流量是如何流动的。

总体而言我对网络概念仍然是个新手，因此我非常期待能得到大家的反馈，特别是某些不清晰或者错误的地方。

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（编辑：常州站长网）

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