七张图带你搞懂 Kubernetes Flannel 高性能网络插件的两种常用工作模式

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1、VXLAN 简介 

VXLAN (Virtual Extensible LAN)是一种网络虚拟化技术，它使用一种隧道协议，将二层以太网帧封装在四层UDP报文中，通过三层网络传输，组成一个虚拟的二层网络。VXLAN的报文格式如下：

VXLAN使用VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）来进行封包和解包，它是VXLAN隧道的起点或终点：

    在发送端，源VTEP将原始报文封装成VXLAN报文，通过UDP发送到对端VTEP。

    在接收端，VTEP将解开VXLAN报文，将原始的2层数据帧转发给目的的接收方。

VTEP可以是独立的网络设备，例如交换机，也可以是部署在服务器上的虚拟设备。例如使用置顶交换机（TOR）作为VTEP时，VXLAN的网络模型如下图：

但显然，在flannel中，VTEP的能力是通过linux的虚机网络设备实现的。在VXLAN模式下，VTEP的角色由 flannel.1 虚拟网卡充当。

2、VXLAN模式 

VXLAN是Flannel默认和推荐的模式。当我们使用默认配置安装Flannel时，它会为每个节点分配一个24位子网，并在每个节点上创建两张虚机网卡：cni0 和 flannel.1 。cni0 是一个网桥设备，类似于 docker0 ，节点上所有的Pod都通过veth pair的形式与 cni0 相连。flannel.1 则是一个VXLAN类型的设备，充当VTEP的角色，实现对VXLAN报文的封包解包。

从内核3.7版本开始，Linux就开始支持VXLAN，到3.12版本，支持已经完备。

节点内通信

显然，节点内的容器间通信通过 cni0 网桥就能完成，不涉及任何VXLAN报文的封包解包。例如在下面的图例中，Node1的子网为10.244.0.1/24， PodA 10.244.0.20 和 PodB 10.224.0.21通过 cni0 网桥实现互通。

跨节点通信

下面重点分析一下跨节点的容器通信过程。假设有两个节点Node1和Node2，其中Node1的PodA要跟Node2的PodB通信，则它们之间的通信过程如下图所示：

大致概括一下整个过程：

•  发送端：在PodA中发起 ping 10.244.1.21 ，ICMP 报文经过 cni0 网桥后交由 flannel.1 设备处理。flannel.1 设备是一个VXLAN类型的设备，负责VXLAN封包解包。因此，在发送端，flannel.1 将原始L2报文封装成VXLAN UDP报文，然后从 eth0 发送。
•  接收端：Node2收到UDP报文，发现是一个VXLAN类型报文，交由 flannel.1 进行解包。根据解包后得到的原始报文中的目的IP，将原始报文经由 cni0 网桥发送给PodB。

哪些IP要交由 flannel.1 处理

flanneld 从 etcd 中可以获取所有节点的子网情况，以此为依据为各节点配置路由，将属于非本节点的子网IP都路由到 flannel.1 处理，本节点的子网路由到 cni0 网桥处理。 

[root@Node1 ~]# ip r  
...  
10.244.0.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.0.1 # Node1子网为10.224.0.0/24， 本机PodIP都交由cni0处理  
10.244.1.0/24 via 10.244.1.0 dev flannel.1 onlink # Node2子网为10.224.1.0/24，Node2的PodID都交由flannel.1处理 
... 

如果节点信息有变化， flanneld 也会同步的对路由信息做修改。

flannel.1 的封包过程

VXLAN的封包是将二层以太网帧封装到四层UDP报文中的过程。

原始L2帧

要生成原始的L2帧， flannel.1 需要得知：

•  内层源/目的IP地址
•  内层源/目的MAC地址

内层的源/目的IP地址是已知的，即为PodA/PodB的PodIP，在图例中，分别为10.224.0.20和10.224.1.20。内层源/目的MAC地址要结合路由表和ARP表来获取。根据路由表①得知：

•  下一跳地址是10.224.1.0，关联ARP表②，得到下一跳的MAC地址，也就是目的MAC地址：Node2_flannel.1_MAC；
•  报文要从 flannel.1 虚拟网卡发出，因此源MAC地址为 flannel.1 的MAC地址。

要注意的是，这里ARP表的表项②并不是通过ARP学习得到的，而是 flanneld 预先为每个节点设置好的，由 flanneld负责维护，没有过期时间。 

# 查看ARP表  
[root@Node1 ~]# ip n | grep flannel.1  
10.244.1.0 dev flannel.1 lladdr ba:74:f9:db:69:c1 PERMANENT # PERMANENT 表示永不过期  

有了上面的信息， flannel.1 就可以构造出内层的2层以太网帧：

外层VXLAN UDP报文

要将原始L2帧封装成VXLAN UDP报文， flannel.1 还需要填充源/目的IP地址。前面提到，VTEP是VXLAN隧道的起点或终点。因此，目的IP地址即为对端VTEP的IP地址，通过FDB表获取。在FDB表③中，dst字段表示的即为VXLAN隧道目的端点（对端VTEP）的IP地址，也就是VXLAN DUP报文的目的IP地址。FDB表也是由 flanneld 在每个节点上预设并负责维护的。

FDB表（Forwarding database）用于保存二层设备中MAC地址和端口的关联关系，就像交换机中的MAC地址表一样。在二层设备转发二层以太网帧时，根据FDB表项来找到对应的端口。例如cni0网桥上连接了很多veth pair网卡，当网桥要将以太网帧转发给Pod时，FDB表根据Pod网卡的MAC地址查询FDB表，就能找到其对应的veth网卡，从而实现联通。

可以使用 bridge fdb show 查看FDB表： 

[root@Node1 ~]# bridge fdb show | grep flannel.1  
ba:74:f9:db:69:c1 dev flannel.1 dst 192.168.50.3 self permanent 

源IP地址信息来自于 flannel.1 网卡设置本身，根据 local 192.168.50.2 可以得知源IP地址为192.168.50.2。 

[root@Node1 ~]# ip -d a show flannel.1  
6: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN group default  
    link/ether 32:02:78:2f:02:cb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0  
    vxlan id 1 local 192.168.50.2 dev eth0 srcport 0 0 dstport 8472 nolearning ageing 300 noudpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535 
    inet 10.244.0.0/32 brd 10.244.0.0 scope global flannel.1  
       valid_lft forever preferred_lft forever  
    inet6 fe80::3002:78ff:fe2f:2cb/64 scope link  
       valid_lft forever preferred_lft forever 

至此， flannel.1 已经得到了所有完成VXLAN封包所需的信息，最终通过 eth0 发送一个VXLAN UDP报文：

Flannel的VXLAN模式通过静态配置路由表，ARP表和FDB表的信息，结合VXLAN虚拟网卡 flannel.1 ，实现了一个所有Pod同属一个大二层网络的VXLAN网络模型。

3、host-gw模式 

在上述的VXLAN的示例中，Node1和Node2其实是同一宿主机中的两台使用桥接模式的虚机，也就是说它们在一个二层网络中。在二层网络互通的情况下，直接配置节点的三层路由即可互通，不需要使用VXLAN隧道。要使用host-gw模式，需要修改 ConfigMap kube-flannel-cfg ，将 Backend.Type 从vxlan改为host-gw，然后重启所有kube-flannel Pod即可： 

...  
  net-conf.json: |  
    {  
      "Network": "10.244.0.0/16",  
      "Backend": {  
        "Type": "host-gw" // <- 改成host-gw  
      }  
    }  
 ... 

host-gw模式下的通信过程如下图所示：

在host-gw模式下，由于不涉及VXLAN的封包解包，不再需要flannel.1虚机网卡。flanneld 负责为各节点设置路由 ，将对应节点Pod子网的下一跳地址指向对应的节点的IP，如图中路由表①所示。 

[root@Node1 ~]# ip r  
...  
10.244.0.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.0.1  
10.244.1.0/24 via 192.168.50.3 dev eth0 # Node2子网的下一跳地址指向Node2的public ip。  
... 

由于没有封包解包带来的消耗，host-gw是性能最好的。不过一般在云环境下，都不支持使用host-gw的模式，在私有化部署的场景下，可以考虑。