Kubernetes CNI 网络模型概览：VETH & Bridge / Overlay / BGP

2024-09-13 2134 words 5 minutes

Contents

序言

网络是容器通信的基础，Kubernetes 本身并未提供开箱即用的网络互通功能，只提出了两点基本要求：

pods can communicate with all other pods on any other node without NAT
agents on a node (e.g. system daemons, kubelet) can communicate with all pods on that node

至于如何实现这些通信能力，通常依赖于 CNI 插件来完成。

IPAM

Kubernetes 的网络模型要求每个 Pod 拥有唯一的 IP 地址，负责管理和分配这些 IP 地址的功能由 IPAM（IP Address Management）来实现。而 IPAM 也是 CNI 插件的重要组成部分。

一种常见的 IPAM 实现方式是先给每个 node 节点分配一个 CIDR（Classless Inter-Domain Routing 无类别域间路由），然后根据 node 节点的 CIDR 范围分配该节点上的 Pod IP 地址。

例如，每个 node 节点设置 CIDR：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
apiVersion: v1
kind: Node
metadata:
  name: node01
spec:
  podCIDR: 192.168.1.0/24
  podCIDRs:
  - 192.168.1.0/24

---

apiVersion: v1
kind: Node
metadata:
  name: node02
spec:
  podCIDR: 192.168.2.0/24
  podCIDRs:
  - 192.168.2.0/24

上例中：

node01 的 podCIDR 是 192.168.1.0/24（地址范围是：192.168.1.0 ~ 192.168.1.255），那么该节点上 Pod 的 IP 地址范围是：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254（首尾两个地址有其它特殊用途）。
node02 的 podCIDR 是 192.168.2.0/24（地址范围是：192.168.2.0 ~ 192.168.2.255），那么该节点上 Pod 的 IP 地址范围是：192.168.2.1 ~ 192.168.2.254。

简单理解就是给每个 node 节点划分一个小的子网，同一个 node 节点上的 pod IP 地址处于同一个子网范围内。

注意！以上只是 IPAM 的实现方式之一，不同的 CNI 插件可能还会提供其它的实现方式。

Linux VETH & Bridge

Pod 的 IP 地址确定后，接下来的问题是如何在集群内进行通信。

Linux 提供了丰富的虚拟网络接口类型来支持复杂的网络环境。VETH（virtual Ethernet）和 Bridge 就是其中的两种虚拟网络接口。

如上图所示（你可能见过很多类似的图片）。每个 Pod 有自己的 network namespace（独立的网络命名空间），通过 veth pair 与 root namespace（主机网络命名空间）打通，然后再使用 bridge（通常叫 cni0 或 docker0）将所有 veth pair 连接在一起。

需要注意的是，VETH 和 Bridge 是相互独立的技术。如果我们使用 veth pair 直连两个 pod ，那么这两个 pod 就可以互相通信。但是如果只使用 veth pair，当 pod 数量越来越多时，为了确保两两互通，veth pair 的数量就会非常庞大进而难以管理，这也是使用 bridge 的原因之一。

在同一个 node 节点上的 pod 互相通信很容易理解，veth pair 和 bridge 在本机就处理掉了。

但如果跨越多个 node 节点的时候呢？我们似乎很想当然的以为，由 bridge 交给 root namespace 的 eth0 真实网卡去转发流量就行了，真的这么简单吗？

当然不是！node 节点可能是虚拟机或者物理机，node 节点可能在同一台物理机上通过虚拟网络互联，也可能是不同的物理机通过路由器或交换机相互连接。这里的问题就在于，连接 node 节点的这个网络设备（虚拟/真实的路由器/交换机/其它设备）是否能够直接路由 Pod 的 MAC/IP 地址？（路由 node 的 IP 地址很自然，但是 node 内部的 pod MAC/IP 地址又怎么知道呢？）

如果上面这个问题的答案是可以，那么 CNI 插件只使用 VETH 和 Bridge 就能完成集群内容器的互联互通，这就是本文想说的第一种 CNI 网络模型，在 Cilium 中，这种网络模型称为 Native-Routing，而在 Flannel 中则叫 host-gw 模式。

Overlay

如前文所述，如果连接 node 节点的路由设备无法路由 pod MAC/IP，那么集群内的网络互通又如何保证？答案是使用 Overlay 网络。

各个 node 节点是互通的（node IP 可路由），那么将原始数据包封装一层再传输，例如 VXLAN 封包：

如上图所示，原始的 pod IP 地址被封装在 Inner Ethernet Frame 里作为数据包，在外层添加 node 节点的 IP 地址，由于 node 节点互通，因此数据包会被正常转发到目标 node 节点，然后再解包并根据内层的 pod IP 转发给 pod。

Overlay 网络通过在现有网络的基础上封装额外的一层网络包，使得 Pod 可以跨节点进行通信。

Overlay 的实现方式有很多，VXLAN 是比较常见的一种，除此之外还有 IP-in-IP 等等。Linux 内核直接提供了 VXLAN 的功能，但是不同的 CNI 插件不一定直接使用的就是 Linux 内核功能，CNI 插件可能会绕过内核自己实现 VXLAN 的封包解包。

这是本文想介绍的第二种 CNI 网络模型 Overlay。

BGP

当涉及到多集群或混合云场景时，某些情况下集群内的 Pod 需要能被外部直接访问。此时 BGP（Border Gateway Protocol 边界网关协议）便是解决方案之一。

BGP 已经广泛用于大规模数据中心或骨干网络的路由，它允许不同 AS（autonomous systems）自治系统（可以简单理解为两个独立的网络）之间交换路由信息。

在 Kubernetes 中，可以将集群视为一个 AS 自治系统，通过 BGP 交互路由信息（边界网关互相知道对方网络中的路由），也就是可以通过宣布 Pod 的 IP 地址，使得集群外能够直接路由到这些 Pod IP 地址，从而实现 Pod 的集群外部可达性。

既然能使用 BGP 交互路由信息，那么直接通过 BGP 去交换集群内所有 pod IP 信息，从而让集群内 pod IP 可路由，进而直接使用本文上述的第一种 CNI 网络模型 Native-Routing 是否可行？答案是可行，但是不建议这么做，因为 BGP 缺乏数据路径的可编程性（不建议使用 BGP 建立集群内部网络的可达性）。

总结

本文介绍了 Native-Routing、Overlay、BGP 三种 CNI 网络模型。使用 Native-Routing 的前提条件是集群内 Pod IP 可路由，然而很多时候无法满足此要求，因此众多 CNI 插件通过 VXLAN/IP-in-IP 等方式实现了 Overlay 网络，进而保证集群内容器的互通。在某些复杂场景下（如跨集群或跨云环境），集群内 Pod 需要支持集群外部的可访问性，此时则可以使用 BGP 的方式。

参考资料：