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admin · 2018-01-01

  

  本文必要读者熟习 Ethernet(以太网)的根本道理和 Linux 体例的根本收集号召,以及 TCP/IP 和说族并体会古代的收集模子和和说包的流转道理。文中触及到 Linux 内核的的确完毕时,均之内核 v4.19.215 版本为准。

   一 内核收集包汲取流程 1 从网卡到内核和说栈

  如图[1],收集包抵达 NC(Network Computer,本文指物理机)时,由 NIC(Network Interface Controller,收集接口管制器,俗称网卡)装备解决,NIC 以终了的体例向内核通报动静。Linux 内核的终了解决分为上半部(Top Half)和下半部(Bottom Half)。上半部必要尽疾解决掉和硬件相干的使命并前往,下半部由上半部激活来解决后续比力耗时的使命。

  的确到 NIC 的解决流程如下:当 NIC 收到数据时,会以 DMA 体例将数据拷贝到 Ring Buffer (汲取行列) 里刻画符指向的照射内存地区,拷贝已毕后会触发终了告诉 CPU 举办解决。这里可能利用 ethtool -g {装备名,如eth0} 号召检查 RX/TX (汲取/发送)行列的巨细。CPU 辨认到终了后跳转到 NIC 的终了解决函数着手实践。此时要辨别 NIC 的使命形式,正在起先的非 NAPI(New API)[2]形式下,终了上半部更新相干的存放器新闻,检查汲取行列并分拨 sk_buff 构造指向汲取到的数据,最终移用 netif_rx() 把 sk_buff 递交给内核解决。正在 netif_rx() 的函数的流程中,这个分拨的 sk_buff 构造被放入 input_pkt_queue行列后,会把一个虚构装备列入poll_list 轮询行列并触发软终了 NET_RX_SOFTIRQ 激活终了下半部。此时终了上半部就终结了,精细的解决流程可能参睹 net/core/dev.c 的 netif_rx() -> netif_rx_internal() -> enqueue_to_backlog() 进程。下半部 NET_RX_SOFTIRQ 软终了对应的解决函数是 net_rx_action(),这个函数会移用装备注册的 poll() 函数举办解决。非 NAPI 的情形下这个虚构装备的 poll() 函数牢固指向 process_backlog() 函数。这个函数将 sk_buff 从 input_pkt_queue 搬动到 process_queue 中,移用 __netif_receive_skb() 函数将其送达给和说栈,最终和说栈相干代码会按照和说范例移用响应的接口举办后续的解决。希罕地,这里的 enqueue_to_backlog() 以及 process_backlog() 函数也用于和启用了 RPS 机制后的相干逻辑。

  非 NAPI(New API)形式下每一个收集包的抵达都市触发一次终了解决流程,这么做消重了完全的解决材干,曾经落伍了。现正在民众半 NIC 都接济 NAPI 形式了。NAPI 形式下正在首包触发 NIC 终了后,装备就会被列入轮询行列举办轮询操纵以提拔作用,轮询过程当中不会形成新的终了。为了接济 NAPI,每一个 CPU 保卫了一个叫 softnet_data 的构造,个中有一个 poll_list 字段安置全豹的轮询装备。此时终了上半部很简便,只要要更新 NIC 相干的存放器新闻,以及把装备列入poll_list 轮询行列并触发软终了 NET_RX_SOFTIRQ就终结了。终了下半部的解决如故是 net_rx_action() 来移用装备驱动供给的 poll() 函数。只是 poll() 此时指向的便是装备驱动供给的轮询解决函数了(而不詈骂 NAPI 形式下的内核函数 process_backlog())。这个装备驱动供给的轮询 poll() 函数最终也会移用 __netif_receive_skb() 函数把 sk_buff 提交给和说栈解决。

  非 NAPI 形式和 NAPI 形式下的流程比照如下(个中灰色底色是装备驱动要完毕的,其余都是内核自己的完毕):

  

  对于 NAPI 形式收集装备驱动的完毕以及精细的 NAPI 形式的解决流程,这里供给一篇作品和其译文动作参考[3](剧烈引荐)。这篇作品很精细的刻画了 Intel Ethernet Controller I350 这个 NIC 装备的收包和解决细节(其姊妹篇发包解决进程和译文[4])。其它收包这里还触及到众网卡的 Bonding 形式(可能正在/proc/net/bonding/bond0 里检查形式)、收集众行列(sudo lspci -vvv 检查 Ethernet controller 的 Capabilities新闻里有 MSI-X: Enable+ Count=10 字样申明 NIC 接济,可能正在 /proc/interrupts 里检查终了绑定情形)等机制。这些本文都再也不赘述,有兴致的话请参阅相干材料[5]。

   2 内核和说栈收集包解决流程

  前文说到 NIC 收到收集包构制出的 sk_buff 构造终极被 __netif_receive_skb() 提交给了内核和说栈剖析解决。这个函数首优秀行 RPS[5] 相干的解决,数据包会连接正在行列里转一圈(普通开启了 RSS 的网卡不用要开启 RPS)。倘使必要散发包到其余 CPU 行止理,则会利用 enqueue_to_backlog() 送达给其余 CPU 的行列,并正在 process_backlog()) 中触发 IPI(Inter-Processor Interrupt,解决器间终了,于 APIC 总线上传输,并不经由过程 IRQ)给其余 CPU 发送告诉(net_rps_send_ipi()函数)。

  终极,数据包会由 __netif_receive_skb_core() 举办下一阶段的解决。这个解决函数首要的成效有:

   解决ptype_all 上全豹的 packet_type->func(),典范场景是 tcpdump 等东西的抓包回调(paket_type.type 为 ETH_P_ALL,libcap 利用 AF_PACKET Address Family) 解决 VLAN(Virtual Local Area Network,虚构局域网)报文 vlan_do_receive() 以及解决网桥的相干逻辑(skb->dev->rx_handler() 指向了 br_handle_frame()) 解决 ptype_base上全豹的 packet_type->func() , 将数据包通报给下层和说层解决,比如指向 IP 层的回调 ip_rcv() 函数

  停止现在,数据包仍然正在数据链道层的解决流程中。这里温习下 OSI 七层模子与 TCP/IP 五层模子:

  

  正在收集分层模子里,后一层即为前一层的数据部门,称之为载荷(Payload)。一个完全的 TCP/IP 利用层数据包的体式如下[6]:

  

  __netif_receive_skb_core() 的解决逻辑中必要眷注的是网桥和接上去 IP 层以及 TCP/UDP 层的解决。开始看 IP 层,__netif_receive_skb_core() 移用 deliver_skb(),后者调器械体和说的 .func() 接口。关于 IP 和说,这里指向的是 ip_rcv() 函数。这个函数做了少许统计和检讨以后,就把包转给了 Netfilter [7]框架并指定了函数 ip_rcv_finish() 举办后续的解决(倘使包没被 Netfilter 抛弃)。颠末道由子体例检讨解决后,倘使包是属于本机的,那末会移用 ip_local_deliver() 将数据包连接往下层和说转发。这个函数好像以前的逻辑,如故是呈递给 Netfilter 框架并指定函数 ip_local_deliver_finish() 举办后续的解决,这个函数终极会检讨和选取对应的下层和说接口举办解决。

  常睹的下层和说好比 TCP 或许 UDP 和说的流程不正在本文说论的局限内,仅 TCP 的流程所必要的篇幅足以抢先本文全豹的实质。这里给出 TCP 和说(v4)的进口函数 tcp_v4_rcv() 以及 UDP 和说的进口函数 udp_rcv() 动作指引自行研商,也可能浏览其余的材料进前进一步的体会[9]。

   3 Netfilter/iptables 与 NAT(收集地方转换)

  对于 Netfilter 框架必要略微偏重的夸大一下,由于后文要提到的收集政策和良众办事显露出的完毕都要利用 Netfilter 供给的机制。

  Netfilter 是内核的包过滤框架(Packet Filtering Framework)的完毕。简便说便是正在和说栈的各个主意的包解决函数中内置了良众的 Hook 点来接济正在这些点注册回调函数。

  

  图片来自 Wikimedia,可能点开参考文献[8]检查大图(svg 矢量图,可能调大网页外现百分比连接缩小)。

  Linux 上最常用的防火墙 iptables 等于基于 Netfilter 来完毕的(nftables 是新一代的防火墙)。iptables 基于外和链(Tables and Chains)的观念来构制法规。当心这里不要被防火墙这个词误导了,iptables 所能做的不单单是对包的过滤(Filter Table),还接济对包举办收集地方转换(NAT Table)以及修正包的字段(Mangle Table)。正在收集虚构化里,用的最众的就是 NAT 地方转换成效。通俗此类成效普通正在网闭收集装备或是负载平衡装备中很常睹。当 NC 必要正在外部举办收集相干的虚构化时,也是一个好像网闭以及负载平衡装备了。

  正在扶植 iptables 的 NAT 法规前,还必要掀开内核的包转发成效 echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 才可能。其它倡议也掀开 echo "1" /proc/sys/net/bridge/bridge-nf-call-iptables 开闭(能够必要 modprobe br_netfilter)。bridge-nf-call-iptables 从下面的源码明白就能认识,网桥的转发解决是正在 Netfilter 法规以前的。以是默许情形下二层网桥的转发是不会遭到三层 iptables 的局部的,然而良众虚构化收集的完毕必要 Netfilter 法规失效,所之内核也接济了让网桥的转发逻辑也移用一下 Netfilter 的法规。这性格子默许情形不开启,以是必要检讨开闭。至于的确的 iptables 号召,可能参考这篇作品和其译文[10]举办体会,本文再也不说论。

  这里夸大下,Netfilter 的逻辑运转正在内核软终了高低文里。倘使 Netfilter 增添了良众法规,一定会形成必定的 CPU 开支。下文正在提到虚构化收集的机能消重时,很大一部门隔支就是源自这里。

   二 虚构收集装备

  正在古代的收集认知里,收集便是由带有一个或众个 NIC 的一组 NC 利用硬件介质和 switch(交流机)、Router(道由器)所构成的一个通讯鸠集(图片来自 [11],下同):

  

  收集虚构化动作 SDN(Software?Defined?Network,软件界说收集)的一种完毕,无非便是虚构出 vNIC(虚构网卡)、vSwitch(虚构交流机)、vRouter(虚构道由器)等装备,设置装备摆设响应的数据包流转法规罢了。其对外的接口一定也是契合其所正在的物理收集和说模范的,好比 Ethernet 和 TCP/IP 和说族。

  

  跟着 Linux 收集虚构化工夫的演进,有了众少种虚构化收集装备,正在虚构机和虚构容器收集中取得了普遍的利用。典范的有 Tap/Tun/Veth、Bridge 等:

   Tap/Tun 是 Linux 内核完毕的一对虚构收集装备,Tap/Tun 辨别使命正在二层/三层。Linux 内核经由过程 Tap/Tun 装备和绑定该装备的用户空间之间交流数据。基于 Tap 驱动便可完毕虚构机 vNIC 的成效,Tun 装备做少许其余的转发成效。 Veth 装备老是成对创修(Veth Pair),一个装备收到内核发送的数据后,会发送到另一个装备上去,可能把 Veth Pair 可能遐念成一对用网线联贯起来的 vNIC 装备。 Bridge 是使命正在二层的虚构网桥。这是虚构装备,尽管叫网桥,但原来好像 vSwitch 的安排。当 Bridge 共同 Veth 装备利用时,可能将 Veth 装备的一端绑定到一个Bridge 上,相称于的确情况把一个 NIC 接入一个交流机里。

  虚构机和容器的收集正在传输流程上有些差别,前者好比 KVM 通常为利用 Tap 装备将虚构机的 vNIC 和宿主机的网桥 Bridge 联贯起来。而容器的 Bridge 收集形式是将差异 Namespace 里的 Veth Pair 联贯网桥 Bridge 来完毕通讯(其余体例下文说论)。

  Linux Bridge 共同桥接或许 NAT 形式很轻易可能完毕同主机或跨主机的虚构机/容器之间通讯,况且 Bridge 自身也接济 VLAN 的设置装备摆设,可能完毕少许三层交流机的材干。然而良众厂商都正在研发成效更丰盛的虚构交流机,大作的有 Cisco Nexus 1000V、 VMware Virtual Switch 以及普遍利用的开源的 Open vSwitch[12] 等。使用 vSwitch,可能构修出接济更众封装和说、更高等的虚构收集:

  

   1 Linux Bridge + Veth Pair 转发

  VRF(Virtual Routing and Forwarding,虚构道由转发)正在收集范畴中是个很常睹的术语。上世纪九十年月着手,良众二层交流机上就能创修出 4K 的 VLAN 播送域了。4K 是由于 VLAN 标签的体式用命 802.1q 轨范,个中界说的 VLAN ID 是 12 位的原故(802.1q in 802.1q 可能做到 4094*4094 个,0 和 4095 保存)。此刻 VRF 观念被引入三层,单个物理装备上也可能有众个虚构道由/转发实例了。Linux 的 VRF 完毕了对三层的收集和说栈的虚构,而 Network Namespace(如下简称 netns)虚构了通盘收集栈。一个 netns 的收集栈蕴涵:网卡(Network Interface)、回环装备(Loopback Device)、道由外(Routing Table)和 iptables 法规。本文利用 netns 举办演示(真相正在说论容器),下文利用 ip[14] 号召创修和办理 netns 以及 Veth Pair 装备。

  创修、检查、删除 Network Namespace

  

#创修名为qianyi-test-1和addqianyi-test-2的定名netns,可能正在/var/run/netns/下检查ipnetnsaddqianyi-test-1ipnetnsaddqianyi-test-2#检查全豹的NetworkNamespaceipnetnslist#删除NetworkNamespaceipnetnsdelqianyi-test-1ipnetnsdelqianyi-test-2

 

  实践了局如图(删除先不实践):

  

  有兴致的话可能利用 strace 号召跟踪这个创修进程看看 ip 号召是何如创修的(strace ip netns add qianyi-test-1)。

  正在 netns 中实践号召

  

#正在qianyi-test-1这个netns中实践ipaddr号召(乃至可能直接实践bash号召取得一个shell)#nsenter这个号召也很好用,可能mannsenter体会ipnetnsexecqianyi-test-1ipaddr

 

  实践了局如下:

  

  这个新创修的 netns 里一穷二白,只要一个寂寞的 lo 网卡,仍旧 DOWN 形态的。上面开启它:

  

#开启lo网卡,这个很紧张ipnetnsexecqianyi-test-1iplinksetdevloupipnetnsexecqianyi-test-2iplinksetdevloup

  形态变为了 UNKOWN,这是平常的。这个形态是驱动供给的,然而 lo 的驱动没有做这个事故。

   创修 Veth Pair 装备

#辨别创修2对名为veth-1-a/veth-1-b和veth-2-a/veth-2-b的VethPair装备iplinkaddveth-1-atypevethpeernameveth-1-biplinkaddveth-2-atypevethpeernameveth-2-b

 

  利用 ip addr 号召可能检查:

  

  8-9,10-11 就是下面创修出来的 2 对 Veth Pair 装备,此时它们都没有分拨 IP 地方且是 DOWN 形态。

  将 Veth Pair 装备列入 netns

  

#将veth-1-a装备列入qianyi-test-1这个netnsiplinksetveth-1-anetnsqianyi-test-1#将veth-1-b装备列入qianyi-test-2这个netnsiplinksetveth-1-bnetnsqianyi-test-2#为装备增添IP地方/子网掩码并开启ipnetnsexecqianyi-test-1ipaddradd10.0.0.101/24devveth-1-aipnetnsexecqianyi-test-1iplinksetdevveth-1-aupipnetnsexecqianyi-test-2ipaddradd10.0.0.102/24devveth-1-bipnetnsexecqianyi-test-2iplinksetdevveth-1-bup

 

  此时咱们辨别正在两个 netns 中实践 ip addr 号召,便可看到装备曾经存正在,且道由外(route 或 ip route 号召)也被默许创修了:

  

  这里操纵和检查装备都必需采取 ip netns exec {...} 的体例举办,倘使号召良众,也可能把实践的号召换成 bash,如许可能便利的正在这个 shell 里对该 netns 举办操纵。

  现正在经由过程 veth-1-a/veth-1-b 这对 Veth Pair 联通了 qianyi-test-1 和 qianyi-test-2 这两个 netns,这两个 netns 之间便可能经由过程这两个 IP 地方彼此拜望了。

  

  ping 的同时正在 101 上抓包的了局如下:

  

  可能很明晰的看到,eth-1-a(10.0.0.101)先经由过程 ARP (Address Resolution Protocol,地方剖析和说)问询 10.0.0.102 的 MAC 地方。取得回应后,就以 ICMP (Internet Control Message Protocol,Internet 报文管制和说) request 和 reply 了,这也恰是 ping 利用的和说。

  ARP 剖析的缓存新闻也可能经由过程 arp 号召检查:

  

  此时的收集联贯形式是如许的:

  

  这类联贯形式,就很像是实际中把两个带有 NIC 的装备用网线联贯起来,而后设置装备摆设了好像网段的 IP 后相互便可能通讯了。那倘使抢先一个装备必要修造互联呢?实际中就必要交流机等收集装备了。还记得前文中说的 Linux 自带的 Bridge 么?接上去就利用 Bridge 机制修造收集。

  举办上面的实验前必要把 veth-1-a/veth-1-b 这对 Veth Pair 从 qianyi-test-1 和 qianyi-test-2 搬动回宿主机的 netns 里,复原初始的情况。

  

#宿主机的netnsid是1(有些体例能够不是,请盘查相干体例的文档)ipnetnsexecqianyi-test-1iplinksetveth-1-anetns1ipnetnsexecqianyi-test-2iplinksetveth-1-bnetns1

创修 Linux Bridge 并设置装备摆设收集

#创修一个名为br0的bridge并启动(也可能利用brctl号召)iplinkaddbr0typebridgeiplinksetbr0up#将veth-1-a/veth-1-b和veth-2-a/veth-2-b这两对VethPair的a端放入qianyi-test-1和qianyi-test-2iplinksetveth-1-anetnsqianyi-test-1iplinksetveth-2-anetnsqianyi-test-2#为veth-1-a和veth-2-a设置装备摆设IP并开启ipnetnsexecqianyi-test-1ipaddradd10.0.0.101/24devveth-1-aipnetnsexecqianyi-test-1iplinksetdevveth-1-aupipnetnsexecqianyi-test-2ipaddradd10.0.0.102/24devveth-2-aipnetnsexecqianyi-test-2iplinksetdevveth-2-aup#将veth-1-a/veth-1-b和veth-2-a/veth-2-b这两对VethPair的b端接入br0网桥并开启接口iplinksetveth-1-bmasterbr0iplinksetdevveth-1-bupiplinksetveth-2-bmasterbr0iplinksetdevveth-2-bup

 

  实践完可能检查创修好的网桥和设置装备摆设好的 IP,现实上 brctl show 号召外现的了局更易懂,可能很明晰的看到 veth-1-b 和 veth-2-b 联贯正在了网桥的接口上。当 Veth Pair 的一端联贯正在网桥上时,就会从网卡退化成一个水晶头。

  

  当下形式抓包的了局并无甚么差别,但收集联贯形式差异:

  

  依照这个形式,倘使有更众的 Network Namespace 和 Veth Pair 的话,利用好像的体例增添便可能秤谌扩大了。

  然而试验从 qianyi-test-1 中 ping 宿主机天然是欠亨的,由于没有任何收集法规可能拜望到宿主机的收集:

  

  下面的截图中有个 docker0 的网桥。当机械上安置了 Docker 以后会被自愿扶植好这个网桥供 Docker 利用。能够你当心到了,这个名为 docker0 的网桥竟然是有 IP 地方的。实际中的网桥天然是没有 IP 的,然而 Linux Bridge 这个虚构装备是可能扶植的。当 Bridge 扶植 IP 以后,便可能将其扶植成这个外部收集的网闭(Gateway),再共同道由法规便可能完毕最简便的虚构收集跨机通讯了(好像实际中的三层交流机)。

  上面连接给 br0 网桥创修地方并正在 veth-1-a 和 veth-2-a 上扶植其为默许的网闭地方:

  

#确认道由转发开启echo"1">/proc/sys/net/ipv4/ip_forward#为br0扶植IP地方ipaddraddlocal10.0.0.1/24devbr0#为veth-1-a和veth-2-a扶植默许网闭ipnetnsexecqianyi-test-1iprouteadddefaultvia10.0.0.1ipnetnsexecqianyi-test-2iprouteadddefaultvia10.0.0.1

 

  此时就能凯旋的拜望宿主机地方了(宿主机上的道由外正在 ip link set br0 up 这一步自愿创修了):

  

  收集模子进一步变为了如许:

  

  倘使此时,另一台宿主机上也存正在另一个网段的网桥和众少个 netns 的话,何如让他们互通呢?辨别正在双方宿主机上设置装备摆设一条到宗旨宿主机的道由法规就好了。假定另一台宿主机的 IP 地方是 10.97.212.160,子网是 10.0.1.0/24 的话,那末必要正在眼前机械上加一条 10.0.1.0/24 via 10.97.212.160 的法规,10.97.212.160 上加一条 10.0.0.0/24 via 10.97.212.159 的法规便可能了(或许 iptables 设置装备摆设 SNAT/DNAT 法规)。那倘使有 N 台呢?那就会是个 N * N 条的法规,会很庞杂。这就一个简便的 Underlay 形式的容器通讯计划了。缺欠也很明白,请求对宿主机底层收集有修正权,且比力难和底层收集解耦。那倘使能正在物理收集上构修出一个凌驾全豹宿主机的虚构网桥,把全豹相干的 netns 内里的装备都联贯上去,未便可能解耦了么。这便是 Overlay Network(笼罩收集)计划,下文会举办阐发。至于本节其余虚构收集装备的安置和设置装备摆设(好比 Open vSwitch)也是比力好像的,这里再也不赘述,有兴致的话可能自行检查文档并测试。

   2 Overlay 收集计划之 VXLAN

  VXLAN(Virtual eXtensible Local Area Network,虚构可扩大局域网,RFC7348)[16],VLAN 的扩大和说,是由 IETF 界说的 NVO3(Network Virtualization over Layer 3)轨范工夫之一(其余有代外性的尚有 NVGRE、STT)。然而 VXLAN 和 VLAN 念要治理的成绩是不相同的。VXLAN 素质上是一种地道封装工夫,它将数据链道层(L2)的以太网帧(Ethernet frames)封装成传输层(L4)的 UDP 数据报(Datagrams),而后正在收集层(L3)中传输。后果就像数据链道层(L2)的以太网帧正在一个播送域中传输相同,即超过了三层收集却感知不到三层的存正在。由于是基于 UDP 封装,只须是 IP 收集道由可达便可能构修出重大的虚构二层收集。也由于是基于高层和说再次封装,机能会比古代的收集低 20%~30% 阁下(机能数据跟着工夫开展会有改观,仅代外眼前秤谌)。

  这里扼要先容下 VXLAN 的 2 个紧张观念:

   VTEP(VXLAN Tunnel Endpoints,VXLAN 地道端点),承当 VXLAN 报文的封装妥协封,对下层隐蔽了链道层帧的转发细节 VNI(VXLAN Network Identifier,VXLAN 收集标识符),代外差异的租户,属于差异 VNI 的虚构收集之间不行直接举办二层通讯。

  VXLAN 的报文体式如图[17]:

  

  Linux kernel v3.7.0 版本着手接济 VXLAN 收集。但为了安靖性和其余成效,请只管即便选取 kernel v3.10.0 及以后的版本。上面咱们利用 10.97.212.159 和 11.238.151.74 这两台机械创修一个测试的 VXLAN 收集。

  

#10.97.212.159上操纵#创修名为qianyi-test-1和addqianyi-test-2的定名netns,可能正在/var/run/netns/下检查ipnetnsaddqianyi-test-1ipnetnsaddqianyi-test-2#开启lo网卡,这个很紧张ipnetnsexecqianyi-test-1iplinksetdevloupipnetnsexecqianyi-test-2iplinksetdevloup#创修一个名为br0的bridge并启动(也可能利用brctl号召)iplinkaddbr0typebridgeiplinksetbr0up#辨别创修2对名为veth-1-a/veth-1-b和veth-2-a/veth-2-b的VethPair装备iplinkaddveth-1-atypevethpeernameveth-1-biplinkaddveth-2-atypevethpeernameveth-2-b#将veth-1-a/veth-1-b和veth-2-a/veth-2-b这两对VethPair的a端放入qianyi-test-1和qianyi-test-2iplinksetveth-1-anetnsqianyi-test-1iplinksetveth-2-anetnsqianyi-test-2#为veth-1-a和veth-2-a设置装备摆设IP并开启ipnetnsexecqianyi-test-1ipaddradd10.0.0.101/24devveth-1-aipnetnsexecqianyi-test-1iplinksetdevveth-1-aupipnetnsexecqianyi-test-2ipaddradd10.0.0.102/24devveth-2-aipnetnsexecqianyi-test-2iplinksetdevveth-2-aup#将veth-1-a/veth-1-b和veth-2-a/veth-2-b这两对VethPair的b端接入br0网桥并开启接口iplinksetveth-1-bmasterbr0iplinksetdevveth-1-bupiplinksetveth-2-bmasterbr0iplinksetdevveth-2-bup#11.238.151.74上操纵#创修名为qianyi-test-3和addqianyi-test-4的定名netns,可能正在/var/run/netns/下检查ipnetnsaddqianyi-test-3ipnetnsaddqianyi-test-4#开启lo网卡,这个很紧张ipnetnsexecqianyi-test-3iplinksetdevloupipnetnsexecqianyi-test-4iplinksetdevloup#创修一个名为br0的bridge并启动(也可能利用brctl号召)iplinkaddbr0typebridgeiplinksetbr0up#辨别创修2对名为veth-3-a/veth-3-b和veth-4-a/veth-4-b的VethPair装备iplinkaddveth-3-atypevethpeernameveth-3-biplinkaddveth-4-atypevethpeernameveth-4-b#将veth-3-a/veth-3-b和veth-4-a/veth-4-b这两对VethPair的a端放入qianyi-test-3和qianyi-test-4iplinksetveth-3-anetnsqianyi-test-3iplinksetveth-4-anetnsqianyi-test-4#为veth-3-a和veth-4-a设置装备摆设IP并开启ipnetnsexecqianyi-test-3ipaddradd10.0.0.103/24devveth-3-aipnetnsexecqianyi-test-3iplinksetdevveth-3-aupipnetnsexecqianyi-test-4ipaddradd10.0.0.104/24devveth-4-aipnetnsexecqianyi-test-4iplinksetdevveth-4-aup#将veth-3-a/veth-3-b和veth-4-a/veth-4-b这两对VethPair的b端接入br0网桥并开启接口iplinksetveth-3-bmasterbr0iplinksetdevveth-3-bupiplinksetveth-4-bmasterbr0iplinksetdevveth-4-bup

 

  这一长串的号召和以前的步调所有分歧,构修了一个如下图所示的收集情况:

  

  这个情况里,10.0.0.101 和 10.0.0.102 是通的,10.0.0.103 和 10.0.0.104 也是通的,然而显着 10.0.0.101/10.0.0.102 和 10.0.0.103/10.0.0.104 是无奈通讯的。

  接上去设置装备摆设 VXLAN 情况买通这四个 netns 情况:

  

#10.97.212.159上操纵(本机有众个地方时可能用local10.97.212.159指定)iplinkaddvxlan1typevxlanid1remote11.238.151.74dstport9527devbond0iplinksetvxlan1masterbr0iplinksetvxlan1up#11.238.151.74上操纵(本机有众个地方时可能用local11.238.151.74指定)iplinkaddvxlan2typevxlanid1remote10.97.212.159dstport9527devbond0iplinksetvxlan2masterbr0iplinksetvxlan2up

 

  利用 brctl show br0 号召可能看到两个 VXLAN 装备都联贯上去了:

  

  而后从 10.0.0.101 上便可能 ping 通 10.0.0.103 了:

  

  正在 10.0.0.101 上抓的包来看,就像是二层互通相同:

  

  直接检查 arp 缓存,也是和二层互通一模相同:

  

  利用 arp -d 10.0.0.103 删掉这个缓存名目,正在宿主机上从新抓包并留存文献,而后用 WireShark 掀开看看(由于下面扶植的不是 VXLAN 默许端口 4789,还必要扶植 WireShark 把抓到的 UDP 剖析为 VXLAN 和说):

  

  咱们取得了预期的了局。此时的收集架构如图所示:

  

  那末成绩来了,这里利用 UDP 和说能完毕牢靠通讯吗?固然可能,牢靠性不是这一层思考的事故,而是里层被包裹的和说必要思考的。完全的通讯道理原来也并不庞杂,两台机械上各自有 VTEP(VXLAN Tunnel Endpoints,VXLAN 地道端点)装备,监听着 9527 端口上发送的 UDP 数据包。正在收到数据包后拆解经由过程 Bridge 通报给指定的装备。那 VETP 这个虚构装备何如明晰好像 10.0.0.3 如许的地方要发送给哪台机械上的 VETP 装备呢?这然则虚构的二层收集,底层收集上可不睬解这个地方。本相上正在 Linux Bridge 上保卫着一个名为 FDB(Forwarding Database entry)的二层转发布,用于留存远端虚构机/容器的 MAC 地方、远端 VTEP 的 IP,以及 VNI 的照射相干,可能经由过程 bridge fdb 号召来对 FDB 外举办操纵:

  

#新增条款bridgefdbadd<remote_host_mac_addr>dev<vxlan_interface>dst<remote_host_ip_addr>#删除条款bridgefdbdel<remote_host_mac_addr>dev<vxlan_interface>#替代条款bridgefdbreplace<remote_host_mac_addr>dev<vxlan_interface>dst<remote_host_ip_addr>#外现条款bridgefdbshow

 

  下面这个简便的尝试就 2 台机械,利用了号召的体例直接指定了相互的 VTEP 地方,当 fdb 外查不到新闻时发给对方就好了,这是最简便的互联形式。大范畴 VXLAN 收集下,就必要思考若何出现收集中其余的 VETP 地方了。治理这个成绩普通有 2 种体例:一是利用组播/众播( IGMP, Internet Group Management Protocol),把节点构成一个虚构的完全,包不明晰发给谁的话就播送给通盘组了(上述尝试中的创修 VETH 装备的号召修正为组播/众播地方好比 224.1.1.1 就行,remote 枢纽字也要改为 group,的确请参阅其余材料);二是经由过程外部的散布式管制核心来征采 FDB 新闻并散发给统一个 VXLAN 收集的全豹节点。组播/众播受限于底层收集的接济情形和大范畴下的的机能成绩,好比良众云收集上不用定批准这么做。所如下文正在说论和研商 K8s 的收集计划时会看到良众收集插件的完毕采取的都是好像后者的完毕体例。

  这节就先容到这里了。固然 Overlay 收集计划也不止 VXLAN 这一种体例,只是现在良众主流的计划都采取了这类体例。其余的 Overlay 形式看上去目迷五色,原来说白了,无非便是 L2 over L4,L2 over L3,L3 over L3 等等各类包装体例而已,懂了根本道理以后都没甚么大不了的。收集虚构化的装备和机制也有良众[18],细说的话一天都说不完,然而根本的收集道理控制以后,无非是各类和说包的流转而已。

   三 K8s 的收集虚构化完毕 1 K8s 的收集模子

  每个 Pod 都有它本人的 IP 地方,这就象征着你不用要显式地正在每一个 Pod 之间创修链接, 你险些不用要解决容器端口到主机端口之间的照射。这将创修一个洁净的、向后兼容的模子,正在这个模子里,从端口分拨、定名、办事出现、 负载平衡、利用设置装备摆设和迁徙的角度来看,Pod 可能被视作虚构机或许物理主机。

  Kubernetes 对全豹收集步骤的践诺,都必要餍足如下的根本请求(除非有扶植少许特定的收集分段政策):

  节点上的 Pod 可能不经由过程 NAT 和其余任何节点上的 Pod 通讯

  节点上的署理(好比:体例防守过程、kubelet)可能和节点上的全豹 Pod 通讯

  备注:仅针对那些接济 Pods 正在主机收集中运转的平台(好比:Linux):

  那些运转正在节点的主机收集里的 Pod 可能不经由过程 NAT 和全豹节点上的 Pod 通讯

  这个模子不但不庞杂,况且还和 Kubernetes 的完毕便宜的从虚构机向容器迁徙的初志相兼容, 倘使你的使命着手是正在虚构机中运转的,你的虚构机有一个 IP,如许便可能和其余的虚构机举办通讯,这是根本好像的模子。

  Kubernetes 的 IP 地方存正在于 Pod 局限内 - 容器同享它们的收集定名空间 - 蕴涵它们的 IP 地方和 MAC 地方。这就象征着 Pod 内的容器都可能经由过程 localhost 抵达各个端口。这也象征着 Pod 内的容器都必要彼此协作端口的利用,然而这和虚构机中的过程宛如没有甚么差异, 这也被称为一个 Pod 一个 IP模子。

  这几段话援用自 K8s 的官方文档[19],简便概述下便是一个 Pod 一个自力的 IP 地方,全豹的 Pod 之间可能不经由过程 NAT 通讯。这个模子把一个 Pod 的收集情况近似同等于一个 VM 的收集情况。

   2 K8s 的主流收集插件完毕道理

  K8s 中的收集是经由过程插件体例完毕的,其收集插件有 2 品种型:

   CNI 插件:听命 CNI(Container Network Interface,容器收集接口)模范,其安排上侧重互操纵性 Kubenet 插件:利用 bridge 和 host-local CNI 插件完毕了根本的 cbr0

  图片来自[20],本文只眷注 CNI 接口插件。主流的 K8s 收集插件有这些[21],本文选出 github star 数正在千以上的几个名目明白下:

   Flannel:https://github.com/flannel-io/flannel Calico:https://github.com/projectcalico/calico Cilium:https://github.com/cilium/cilium

  Flannel

  CNI 是由 CoreOS 提出的模范,那就先看下 CoreOS 本人的 Flannel 名目的安排。Flannel 会正在每台机宿主机上安插一个名为 flanneld 的署理过程,网段相干的数据利用 Kubernetes API/Etcd 存储。Flannel 名目自身是一个框架,真正为咱们供给容器收集成效的,是 Flannel 的后端完毕。

  现在的 Flannel 有上面几种后端完毕:VXLAN、host-gw、UDP 以及阿里云和其余大厂的接济后端(云厂商都是尝试性接济),尚有诸如 IPIP、IPSec 等少许地道通讯的尝试性接济。依照官方文档的倡议是优先利用 VXLAN 形式,host-gw 引荐给履历丰盛且念要进一步提拔机能的用户(云情况通俗不行用,因为前面说),UDP 是 Flannel 最先接济的一种机能比力差的计划,根本上曾经弃用了。

  下文辨别对这三种形式举办明白。

  1)VXLAN

  利用 Linux 内核 VXLAN 封装数据包的体例和道理上文曾经先容过了,Flannel 创修了一个名为 flannel.1 的 VETH 装备。由于 flanneld 过程的存正在,以是注册和更新新的 VETH 装备相干的职业就依赖这个过程了。以是恰似也没甚么必要说的了,便是每一个新的 K8s Node 都市创修 flanneld 这个 DeamonSet 形式的防守过程。而后注册、更新新的 VETH 装备就变得万分天然了,全体的数据天然也是留存正在 Etcd 里了。这类体例图曾经画过了,无非是装备名字不相同(VETH 叫 flannel.1,网桥叫 cni0)罢了。

  2)host-gw

  望文生义,host-gw 便是把宿主机 Host 当做 Gateway 网闭来解决和说包的活动。这个体例上文原来也演示过了,至于节点的改观和道由外的增删也是依赖 flanneld 正在做的。这个计划优缺欠都很明白,最大的甜头天然是机能,实打实的直接转发(机能完全比宿主机层面的通讯低 10%,VXLAN 然则20% 起步,乃至 30%)。缺欠也很明白,这类体例请求宿主机之间是二层连通的,还必要对基本步骤有把握权(编纂道由外),这个正在云办事情况普通较难完毕,其它范畴愈来愈大时辰的道由外范畴也会随之增大。这类体例道理上比力简便,图不画了。

  3)UDP

  每台宿主机上的 flanneld 过程会创修一个默许名为 flannel0 的 Tun 装备。Tun 装备的成效万分简便,用于正在内核和用户利用步伐之间通报 IP 包。内核将一个 IP 包发送给 Tun 装备以后,这个包就会交给创修这个装备的利用步伐。而过程向 Tun 装备发送了一个 IP 包,那末这个 IP 包就会涌现正在宿主机的收集栈中,而后按照道由外举办下一跳的解决。正在由 Flannel 办理的容器收集里,一台宿主机上的全豹容器都属于该宿主机被分拨的一个子网。这个子网的局限新闻,所属的宿主机 IP 地方都留存正在 Etcd 里。flanneld 过程均监听着宿主机上的 UDP 8285 端口,彼此之间经由过程 UDP 和说包装 IP 包给宗旨主机已毕通讯。以前说过这个形式机能差,差正在那边?这个计划便是一个正在利用层模仿完毕的 Overlay 收集似得(像不像一个用户态完毕的 VETH 装备?),数据包比拟内核原生接济的 VXLAN 和说正在用户态众了一次收支(flanneld 过程封包/拆包进程),以是机能上丧失要大少许。

  

  Calico

  Calico 是个挺蓄志思的名目,根本怀念是把宿主机所有当做道由器,倒霉用地道或 NAT 来完毕转发,把全豹二三层流量转换成三层流量,并经由过程宿主机上的道由设置装备摆设已毕包的转发。

  Calico 和以前说的 Flannel 的 host-gw 形式差别是甚么?开始 Calico 倒霉用网桥,而是经由过程道由法规正在差异的 vNiC 间转发数据。其它道由外也不是靠 Etcd 存储和告诉更新,而是像实际情况相同直接用 BGP(Border Gateway Protocol, 界线网闭和说)举办道由外数据交流。BGP 挺庞杂的,精细的阐发这个和说有点吃力(况且我也不是很懂),正在本文里只要要明晰这个和说使得道由装备可能彼此发送和进修对方的道由新闻来富裕本人便可能了,有兴致的话请查阅其余材料进一步体会。回到 Calico,宿主机上如故有个名为 Felix 的防守过程和一个名为 BIRD的 BGP 客户端。

  上文说过,Flannel 的 host-gw 形式请求宿主机二层是互通的(正在一个子网),正在 Calico 这里如故有这个请求。然而 Calico 为不正在一个子网的情况供给了 IPIP 形式的接济。开启这个形式以后,宿主机上会创修一个 Tun 装备以 IP 地道(IP tunnel)的体例通讯。固然用了这个形式以后,包又是L3 over L3 的 Overlay 收集形式了,机能也和 VXLAN 形式相称。

  全道由外的通讯体例也没有卓殊组件,设置装备摆设好 IP 道由转发法规后端赖内核道由模块的流转来做。IPIP 的架构图也是迥然不同的,也不画了。

  Cilium

  

eBPF-basedNetworking,Security,andObservability

 

  光从这个先容上就看出来 Cilium 发放出的那种异乎寻常的气味。这个名目现在的 Github Star 数字疾过万了,直接力压后面两位。Cilium 安插后会正在宿主机上创修一个名为 cilium-agent 的防守过程,这个过程的影响便是保卫和安插 eBPF 剧本来完毕全豹的流量转发、过滤、诊断的事故(都不依附 Netfilter 机制,kenel > v4.19 版本)。从道理图的角度画出来的架构图很简便(配图来自 github 主页):

  

  Cilium 除了接济根本的收集连通、分隔与办事显露出以外,依靠 eBPF 以是对宿主机收集有更好的观察性和障碍排查材干。这个话题也很大,本文就此收住。这里给两几篇写的很好的作品何其译文可能进一步体会[22][23]。

   3 K8s 容器内拜望分隔

  上文先容了收集插件的机制和完毕道理,终极可能构修出一个二层/三层连通的虚构收集。默许情形下 Pod 间的任何收集拜望都是不受限的,然而外部收集中通常仍旧必要扶植少许拜望法规(防火墙)的。

  针对这个需要,K8s 概括了一个名为 NetworkPolicy 的机制来接济这个成效。收集政策经由过程收集插件来完毕,要利用收集政策就必需利用接济 NetworkPolicy 的收集治理计划。为甚么这么说?由于不是全豹的收集插件都接济 NetworkPolicy 机制,好比 Flannel 就不接济。至于 NetworkPolicy 的底层道理,天然是利用 iptables 设置装备摆设 netfilter 法规来完毕对包的过滤的。NetworkPolicy 设置装备摆设的本事和 iptables/Netfilter 的道理细节不正在本文局限内,请参阅其余材料举办体会[24][25]。

   4 K8s 容器内办事显露出

  正在一个 K8s 集群外部,正在收集插件的助助下,全豹的容器/过程可能彼此举办通讯。然而动作办事供给方这是不足的,由于良众时辰,办事的利用方不会正在统一个 K8s 集群内的。那末就必要一种机制将这个集群内的办事对外显露出。K8s 利用 Service 这个工具来已毕这个材干的概括。Service 正在 K8s 里是个很紧张的工具,即便正在 K8s 外部举办拜望,每每也是必要 Service 包装的(一来 Pod 地方不是长远牢固的,二来老是会有负载平衡的需要)。

  一句话概述 Service 的道理便是:Service = kube-proxy + iptables 法规。当一个 Service 创修时,K8s 会为其分拨一个 Cluster IP 地方。这个地方原来是个 VIP,并无一个的确的收集工具存正在。这个 IP 只会存正在于 iptables 法规里,对这个 VIP:VPort 的拜望利用 iptables 的随机形式法规指向了一个或许众个的确存正在的 Pod 地方(DNAT),这个是 Service 最根本的使命道理。那 kube-proxy 做甚么?kube-proxy 监听 Pod 的改观,承当正在宿主机上天生这些 NAT 法规。这个形式下 kube-proxy 不转发流量,kube-proxy 只是承当疏浚管道。

  K8s 官方文档比力好的先容了 kube-proxy 接济的众种形式和根本的道理[26]。起先的 userspace 形式根本上弃用了,下面所述的 iptables 随机法规的做法正在大范畴下也不引荐利用了(念念为甚么)。现正在最引荐确当属 IPVS 形式了,相对前两种正在大范畴下的机能更好。倘使说 IPVS 这个词比力目生的话,LVS 这个词只怕是咱们耳熟能详的。正在这个形式下,kube-proxy 会正在宿主机上创修一个名为 kube-ipvs0 的虚构网卡,而后分拨 Service VIP 动作其 IP 地方。最终 kube-proxy 利用内核的 IPVS 模块为这个地方扶植后端 POD 的地方(ipvsadm 号召可能检查)。原来 IPVS 正在内核中的完毕也是用了 Netfilter 的 NAT 机制。差异的是,IPVS 不会为每个地方扶植 NAT 法规,而是把这些法规的解决放到了内核态,包管了 iptables 法规的数目根本上恒定,比力好的治理了以前的成绩。

  

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