Flannel网络原理

overlay网络简介

覆盖网络就是应用层网络，它是面向应用层的，不考虑或很少考虑网络层，物理层的问题。

详细说来，覆盖网络是指建立在另一个网络上的网络。该网络中的结点可以看作通过虚拟或逻辑链路而连接起来的。虽然在底层有很多条物理链路，但是这些虚拟或逻辑链路都与路径一一对应。例如：许多P2P网络就是覆盖网络，因为它运行在互连网的上层。覆盖网络允许对没有IP地址标识的目的主机路由信息，例如：Freenet 和DHT（分布式哈希表）可以路由信息到一个存储特定文件的结点，而这个结点的IP地址事先并不知道。

覆盖网络被认为是一条用来改善互连网路由的途径，让二层网络在三层网络中传递，既解决了二层的缺点，又解决了三层的不灵活！

Flannel的工作原理

Flannel实质上是一种“覆盖网络(overlay network)”，也就是将TCP数据包装在另一种网络包里面进行路由转发和通信，目前已经支持UDP、VxLAN、AWS VPC和GCE路由等数据转发方式。

默认的节点间数据通信方式是UDP转发。

工作原理

数据从源容器中发出后，经由所在主机的docker0虚拟网卡转发到flannel0虚拟网卡，这是个P2P的虚拟网卡，flanneld服务监听在网卡的另外一端。

Flannel通过Etcd服务维护了一张节点间的路由表，详细记录了各节点子网网段 。

源主机的flanneld服务将原本的数据内容UDP封装后根据自己的路由表投递给目的节点的flanneld服务，数据到达以后被解包，然后直接进入目的节点的flannel0虚拟网卡，然后被转发到目的主机的docker0虚拟网卡，最后就像本机容器通信一下的有docker0路由到达目标容器。

配置文件

/etc/sysconfig/flanneld

[root@k8s-master ~]# vi /etc/sysconfig/flanneld

Flanneld configuration options
etcd url location. Point this to the server where etcd runs
FLANNELETCDENDPOINTS="http://etcd:2379"

etcd config key. This is the configuration key that flannel queries
For address range assignment
FLANNELETCDPREFIX="/atomic.io/network"

Any additional options that you want to pass
FLANNEL_OPTIONS=""

Flannel使用Etcd进行配置，来保证多个Flannel实例之间的配置一致性，所以需要在etcd上进行如下配置：（‘/atomic.io/network/config’这个key与上文/etc/sysconfig/flannel中的配置项FLANNELETCDPREFIX是相对应的，错误的话启动就会出错）

[root@k8s-master ~]# etcdctl mk /atomic.io/network/config '{ "Network": "10.0.0.0/16" }' { "Network": "10.0.0.0/16" }

UDP报文封装

我们来看下面这个图，这是在其中一个通信节点上抓取到的ping命令通信数据包。可以看到在UDP的数据内容部分其实是另一个ICMP（也就是ping命令）的数据包。

原始数据是在起始节点的Flannel服务上进行UDP封装的，投递到目的节点后就被另一端的Flannel服务还原成了原始的数据包，两边的Docker服务都感觉不到这个过程的存在。

docker IP 分配

Flannel通过Etcd分配了每个节点可用的IP地址段后，偷偷的修改了Docker的启动参数。

[root@k8s-node-1 ~]# ps aux | grep bip
root       3142  0.1  2.7 560620 27364 ?        Ssl  19:50   0:11 /usr/bin/dockerd-current --add-runtime docker-runc=/usr/libexec/docker/docker-runc-current --default-runtime=docker-runc --exec-opt native.cgroupdriver=systemd --userland-proxy-path=/usr/libexec/docker/docker-proxy-current --seccomp-profile=/etc/docker/seccomp.json --insecure-registry registry:5000 --storage-driver overlay2 --bip=10.0.53.1/24 --ip-masq=true --mtu=1472

这个是在运行了Flannel服务的节点上查看到的Docker服务进程运行参数。

注意其中的“--bip=10.0.53.1/24”这个参数，它限制了所在节点容器获得的IP范围。

这个IP范围是由Flannel自动分配的，由Flannel通过保存在Etcd服务中的记录确保它们不会重复。

容器IP并不固定，IP分配还是Docker在做，Flannel只是分配了子网段。

数据转发

以下是 k8s集群两个node节点的路由表：

[root@k8s-node-1 ~]# route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 ens33
10.0.0.0        0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 flannel0
10.0.53.0       0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 docker0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 ens33

[root@k8s-node-2 ~]# route -n                            
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 ens33
10.0.0.0        0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 flannel0
10.0.80.0       0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 docker0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 ens33

例如：现在有一个数据包要从IP为10.0.53.2的容器发到IP为10.0.80.2的容器。根据数据发送节点的路由表，它只与10.0.0.0/16匹配这条记录匹配，因此数据从docker0出来以后就被投递到了flannel0。同理在目标节点，由于投递的地址是一个容器，因此目的地址一定会落在docker0对于的10.0.80.0/24这个记录上，然后投递到了docker0网卡

安装与配置

在master、node上均执行如下命令，进行安装

[root@k8s-master ~]# yum install flannel

配置Flannel

master、node上均编辑/etc/sysconfig/flanneld

[root@k8s-master ~]# vi /etc/sysconfig/flanneld

Flanneld configuration options
etcd url location. Point this to the server where etcd runs
FLANNELETCDENDPOINTS="http://etcd:2379"

etcd config key. This is the configuration key that flannel queries
For address range assignment
FLANNELETCDPREFIX="/atomic.io/network"

Any additional options that you want to pass
FLANNEL_OPTIONS=""

配置etcd中关于flannel的key

Flannel使用Etcd进行配置，来保证多个Flannel实例之间的配置一致性，所以需要在etcd上进行如下配置：（‘/atomic.io/network/config’这个key与上文/etc/sysconfig/flannel中的配置项FLANNELETCDPREFIX是相对应的，错误的话启动就会出错）

[root@k8s-master ~]# etcdctl mk /atomic.io/network/config '{ "Network": "10.0.0.0/16" }' 
{ "Network": "10.0.0.0/16" }

启动

启动Flannel之后，需要依次重启docker、kubernete。

在master执行：

systemctl enable flanneld.service 

systemctl start flanneld.service 

service docker restart 

systemctl restart kube-apiserver.service 

systemctl restart kube-controller-manager.service 

systemctl restart kube-scheduler.service

在node上执行：

systemctl enable flanneld.service 

systemctl start flanneld.service 

service docker restart 

systemctl restart kubelet.service 

systemctl restart kube-proxy.service