白话flannel和calico网络原理

今天看了一些K8S容器虚拟化网络的博客，对网络插件的原理有了一些新的认识，在这里记录下来。

概括

容器虚拟化网络方案，总体分为2种截然不同的发展路线：

• 基于隧道
• 基于路由

下面分别说一下这两种思路的原理，以及和flannel、calico的关系。

基于隧道

隧道方案最具普适性，在任何网络环境下都可以正常工作，这与它的原理密不可分。

最常见的隧道方案是flannel vxlan模式，以及calico的ipip模式，其核心原理包含了2个部分。

分配网段

每台宿主机上都有网络插件的agent进程，它们连接到etcd集中式存储，从虚拟IP池中申请一个IP段占位己有。

宿主机上每个容器则从IP段中分配得到1个虚拟IP。

封装/解封

当不同宿主机上的容器互相访问时，数据包的源IP和目标IP都是容器IP。

数据包经过宿主机的agent进程进行封装后，新数据包的源IP和目标IP则变成了两端宿主机的物理IP。

数据包送到目标宿主机后，经过agent解封后得到原始数据包，并将数据包送入容器中处理，这就给两端容器营造了一种互通的感觉。

因为物理IP属于3层网络，可以在互联网中经过中间路由设备互相送达，所以隧道方案对宿主机之间的网络环境没有特殊要求，因此隧道方案具备普适性。

优势/劣势

优势就是对物理网络环境没有特殊要求，只要宿主机IP层可以路由互通即可。

劣势就是性能差，这需要从2方面看：

• 封包和解包耗费CPU性能
• 额外的封装导致带宽浪费，大约有30%左右的带宽损耗

flannel vxlan和calico ipip模式都是隧道方案，但是calico的封装协议IPIP的header更小，所以性能比flannel vxlan要好一点点。

基于路由

路由方案性能最好，原因是该方案不需要封包和解包，所以没有隧道方案的劣势，网络性能很好。

常见的路由方案包括了flannel的host-gw模式，以及calico的bgp模式。

下面以calico bpg模式为例，分析基于路由的方案原理，其包含了3个部分。

分配网段

每台宿主机也有agent，会从etcd中的虚拟IP池分配到一个IP子网段。

宿主机上每个容器则从该IP段中分配得到1个虚拟IP。

本地路由

假设我们在宿主机A上新建了一个容器，则该容器分配了一个虚拟IP，我们假设它是值是k。

agent会在本机配置一条路由规则，即：如果数据包的目标地址等于k，那么把数据包送到容器的虚拟网卡上。

另外一台宿主机B上的一个容器，其IP是m，向k容器发数据包，则数据包的目标地址是k，原地址是m。

既然路由方案是不使用隧道封包为物理IP在网络中流通的，那么该数据包又该如何送达到虚拟IP k呢？

广播路由

路由方案会采用如下的手段，搞定m到k的虚拟IP互通问题。

即宿主机A会通过某种方式（比如BGP广播协议）把自己的虚拟IP网段广播给宿主机B。

在宿主机B收到广播后，会给本机配置一条路由规则：如果数据包的目标地址属于宿主机A的虚拟IP网段，则把该数据包发给宿主机A的物理IP。

这条路由规则相当于为宿主机A的虚拟IP网段配置了转发网关，而这个网关就是宿主机A的物理IP。

这就要求，宿主机B和宿主机A在2层网络是互通的，也就是它们在一个交换机下面，可以基于MAC地址直接互通。

一旦该数据包被送往宿主机A的物理IP，则宿主机A就可以应用刚才讲过的” 本地路由 “规则了，即：数据包的目标IP是k，直接送给对应容器的虚拟网卡。

我们发现，整个过程中从m发往k的数据包采用的都是虚拟容器IP，没有经过任何封装和解封，而仅仅是通过宿主机A的本地路由+宿主机B收到的广播路由，就 实现了在2层网络互通环境下的高效通讯 。

优势/劣势

优势就是没有封包和解包过程，完全基于两端宿主机的路由表进行转发。

劣势包含2方面：

• 要求宿主机处于同一个2层网络下，也就是连在一台交换机上，这样才能基于MAC通讯，而不需要在IP上动封包/解包的手脚。
• 路由表膨胀导致性能降低，因为宿主机上每个容器需要在本机添加一条路由规则，而不同宿主机之间需要广播自己的网段路由规则。

参考资料：

• 白话kubernetess网络（强烈推荐）
• Docker network on cloud
• 如何解决容器网络性能及复杂网络部署问题？
• 聊聊容器网络那些事儿
• Kubernetes网络实现之Calico

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