kubernetes CNI(Container Network Inferface)

为什么需要 CNI

在 kubernetes 中，pod 的网络是使用 network namespace 隔离的，但是我们有时又需要互相访问网络，这就需要一个网络插件来实现 pod 之间的网络通信。CNI 就是为了解决这个问题而诞生的。CNI 是 container network interface 的缩写，它是一个规范，定义了容器运行时如何配置网络。CNI 插件是实现了 CNI 规范的二进制文件，它可以被容器运行时调用，来配置容器的网络。

Docker 网络

基础

计算机五层网络如下：

如果我们想把 pod 中的网络对外，首先想到的就是七层代理，比如nginx，但是我们并不知道 pod 里的网络一定是 http，甚至他可能不是tcp。所以我们像做一些网络操作，就不能在五层做了，只能在二三四层做。

Docker 实验

当我们在物理机上启动 docker daemon 不需要启动任何容器的时候，使用 ip a 命令查看网卡，发现多了一个 docker0

4: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
    link/ether 02:42:9b:65:e1:01 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0
       valid_lft forever preferred_lft forever

docker0 是一个 linux Bridge 设备，这个可以理解成一个虚拟的交换机，用来做二层网络的转发。当我们启动一个容器的时候，docker 会为这个容器创建一个 veth pair 设备，一个端口挂载在容器的 network namespace 中，另一个端口挂载在 docker0 上。这样容器就可以和 docker0 上的其他容器通信了。

docker run -d --rm -it ubuntu:22.04 sleep 3000

在物理机上查看 ip a

8: veth6bc75d9@if7: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP group default
    link/ether d6:87:ca:5c:54:51 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet6 fe80::d487:caff:fe5c:5451/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

docker 容器里面 ip a

7: eth0@if8: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

再启动一个 docker

docker run --name test -d --rm -it ubuntu:22.04 sleep 3000
# ip a
9: eth0@if10: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.17.0.3/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

这样两个容器就可以通过 docker0 通信了。

root@b19a3dc4b32d:/# ping  172.17.0.2
PING 172.17.0.2 (172.17.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.17.0.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.055 ms

通信方式

CNI 网络

当两个 pod 在同一 node 上的时候，我们可以使用像上述 docker 的 bridge 的方式通信是没问题的。但是 kubernetes 是这个多节点的集群，当 pod 在不同的 node 上的时候，直接通信肯定不行了，这时候我们需要一些办法来解决这个问题。

UDP 封包

当 pod 在不同节点上的时候，两个 pod 不可以直接通信，那最简单的方式就是通过 udp 封包，把整个网络包使用 udp 封包起来，然后第二个节点再解包，然后发给网桥。

整个过程就是 node1 上的 pod 把网络包封装，然后由于 process 再封装发给 node2，node2 再解包，然后发给 pod2。

process 是 cni 实现的进程，很多 cni 都实现 udp 封包的方式，比如 flannel,cailco 等。

至于我们怎么知道目标 ip （pod 的 ip） 是在哪台主机上，这个就有很多中方式了，比如把每台机器发配 ip 分配不同的网段，甚至于把这些对应关系写到 etcd 中。

VXLAN

上述的 udp 封包方式，是可以满足基本需求但是。cni 创建的 process 进程是一个用户态的进程，每个包要在 node1 上从内核态 copy 到用户态，然后再封包，再 copy 到内核态，再发给 node2，再从内核态 copy 到用户态，再解包，再 copy 到内核态，再发给 pod2。这样的方式效率很低。所以我们使用一种更加高效的方式，就是 vxlan。

VXLAN 是什么?

VXLAN（Virtual Extensible LAN）是一种网络虚拟化技术，用于解决大规模云计算环境中的网络隔离、扩展性和灵活性问题。VXLAN 允许网络工程师在现有的网络架构上创建一个逻辑网络层，这可以使得数据中心的网络设计变得更加灵活和可扩展。

为什么性能会高？

VXLAN 是在内核态实现的，原理和 udp 封包一样，只不过是在内核态实现的，数据包不会在内核态和用户态之间 copy，所以效率会高很多。

ip 路由

就算是 vxlan，也是需要封包和解包的，这样的方式效率还是不够高，所以我们可以使用 ip 路由的方式。

ip 路由故名思意，就是使用路由表来实现 pod 之间的通信。这样的方式效率最高，但是配置比较复杂，需要配置路由表。

而且路由表跳转是二层网络实现的，所以又要要求所有 node 在同一个二层网络中。

查看 node1 上的 container 的是设备

ip a
2: eth0@if10: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether 66:5e:d8:8d:86:ba brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.10.184.69/32 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::645e:d8ff:fe8d:86ba/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

这个和主机上是对应的是一个 veth pair 设备，一个端口挂载在容器的 network namespace 中，一边挂载在主机上。

# 主机
ip a
10: calia78b8700057@if2: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns cni-0da431c8-dd8b-ca68-55e6-40b04acf78d6
    inet6 fe80::ecee:eeff:feee:eeee/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

当 pod 中的数据包来到主机 查看 node1 上的路由表 会命中一下这条路由 这条的意思是跳到192.168.229.102节点使用 ens33 设备

ip r
172.10.190.0/26 via 192.168.229.102 dev ens33 proto bird

当 数据包来到 node2 上的时候 我们看下 node2 的路由表

ip r
172.10.190.2 dev calie28ee63d6b0 scope link
ip a
7: calie28ee63d6b0@if2: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns cni-dd892c92-1826-f648-2b8c-d22618311ca9
    inet6 fe80::ecee:eeff:feee:eeee/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

这个设备是 veth pair 设备，对应的容器内的

ip a
2: eth0@if7: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether fa:a6:2f:97:58:28 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.10.190.2/32 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f8a6:2fff:fe97:5828/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

这样node2上的 172.10.190.2 pod 就可以收到数据包了。

路由跳转

路由跳转是怎么实现的？

路由跳转是通过路由表来实现的，它作用在二层上，所以当跳转的时候，直接修改数据包的目标 mac 地址（如果知道的话是使用 ARP 协议获得）。

所以当我们访问百度的时候，获得百度的ip的时候，数据包会经过很多路由器，每个路由器都会修改数据包的目标 mac 地址，这样数据包就可以到达百度的服务器了。

Felix

那么主机上的路由表是怎么来的呢？

这个就是 cni 的实现了，cni 会调用 felix 这个进程，felix 会根据 cni 的配置来配置路由表。

BGP

那么 node1 怎么知道对应的 pod ip 在哪个 node 上呢？

这个就是 BGP 协议了，BGP 是一个路由协议，用来告诉 node1 对应的 pod ip 在哪个 node 上。

这个协议很重，之前都是用到互联网上，比如我们刚才距离的百度的时候，经过那么多路由器，每个路由器怎么知道要跳到哪，他们之间就是通过 BGP 协议来告诉对方自己的路由表，再经过一系列的学习优化。

ip in ip

刚才也说过了，ip 路由是最高效的，是因为它作用在二层网络上，这就需要保证所有的 node 在同一个二层网络上。但是有时候我们的 node 不在同一个二层网络上，这时候我们可以使用 ip in ip。

简单来说就是如果 node 之间在一个二层网络上，那么就直接使用 ip 路由，如果不在，那么就使用 ip in ip，把数据包封装起来，然后再发给对应的 node。