Kubernetes的網絡模型和網絡策略
1、Kubernetes網絡模型和CNI插件
在Kubernetes中設計了一種網絡模型，要求無論容器運行在集群中的哪個節點，所有容器都能通過一個扁平的網絡平面進行通信，即在同一IP網絡中。需要注意的是：在K8S集群中，IP地址分配是以Pod對象為單位，而非容器，同一Pod內的所有容器共享同一網絡名稱空間。
1.1、Docker網絡模型
了解Docker的友友們都應該清楚，Docker容器的原生網絡模型主要有3種：Bridge（橋接）、Host（主機）、none。
- Bridge：借助虛擬網橋設備為容器建立網絡連接。
- Host：設置容器直接共享當前節點主機的網絡名稱空間。
- none：多個容器共享同一個網絡名稱空間。
#使用以下命令查看docker原生的三種網絡
[root@localhost ~]# docker network ls
NETWORK ID NAME DRIVER SCOPE
0efec019c899 bridge bridge local
40add8bb5f07 host host local
ad94f0b1cca6 none null local
#none網絡，在該網絡下的容器僅有lo網卡，屬於封閉式網絡，通常用於對安全性要求較高並且不需要聯網的應用
[root@localhost ~]# docker run -it --network=none busybox
/ # ifconfig
lo Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
UP LOOPBACK RUNNING MTU:65536 Metric:1
RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000
RX bytes:0 (0.0 B) TX bytes:0 (0.0 B)
#host網絡，共享宿主機的網絡名稱空間，容器網絡配置和host一致，但是存在端口沖突的問題
[root@localhost ~]# docker run -it --network=host busybox
/ # ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast qlen 1000
link/ether 00:0c:29:69:a7:23 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.1.4/24 brd 192.168.1.255 scope global dynamic eth0
valid_lft 84129sec preferred_lft 84129sec
inet6 fe80::20c:29ff:fe69:a723/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue
link/ether 02:42:29:09:8f:dd 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
inet6 fe80::42:29ff:fe09:8fdd/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
/ # hostname
localhost
#bridge網絡，Docker安裝完成時會創建一個名為docker0的linux bridge，不指定網絡時，創建的網絡默認為橋接網絡，都會橋接到docker0上。
[root@localhost ~]# brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.024229098fdd no
[root@localhost ~]# docker run -d nginx #運行一個nginx容器
c760a1b6c9891c02c992972d10a99639d4816c4160d633f1c5076292855bbf2b
[root@localhost ~]# brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.024229098fdd no veth3f1b114
一個新的網絡接口veth3f1b114橋接到了docker0上，veth3f1b114就是新創建的容器的虛擬網卡。進入容器查看其網絡配置：
[root@localhost ~]# docker exec -it c760a1b6c98 bash
root@c760a1b6c989:/# apt-get update
root@c760a1b6c989:/# apt-get iproute
root@c760a1b6c989:/# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
38: eth0@if39: <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
從上可以看到容器內有一個網卡eth0@if39，實際上eth0@if39和veth3f1b114是一對veth pair。veth pair是一種成對出現的特殊網絡設備，可以想象它們由一根虛擬的網線進行連接的一對網卡，eth0@if39在容器中，veth3f1b114掛在網橋docker0上，最終的效果就是eth0@if39也掛在了docker0上。
橋接式網絡是目前較為流行和默認的解決方案。但是這種方案的弊端是無法跨主機通信的，僅能在宿主機本地進行，而解決該問題的方法就是NAT。所有接入到該橋接設備上的容器都會被NAT隱藏，它們發往Docker主機外部的所有流量都會經過源地址轉換后發出，並且默認是無法直接接受節點之外的其他主機發來的請求。當需要接入Docker主機外部流量，就需要進行目標地址轉換甚至端口轉換將其暴露在外部網絡當中。如下圖：
容器內的屬於私有地址，需要在左側的主機上的eth0上進行源地址轉換，而右側的地址需要被訪問，就需要將eth0的地址進行NAT轉換。SNAT---->DNAT
這樣的通信方式會比較麻煩，從而需要借助第三方的網絡插件實現這樣的跨主機通信的網絡策略。
1.2、Kubernetes網絡模型
我們知道的是，在K8S上的網絡通信包含以下幾類：
-
容器間的通信：同一個Pod內的多個容器間的通信，它們之間通過lo網卡進行通信。
-
Pod之間的通信：通過Pod IP地址進行通信。
-
Pod和Service之間的通信：Pod IP地址和Service IP進行通信，兩者並不屬於同一網絡，實現方式是通過IPVS或iptables規則轉發。
-
Service和集群外部客戶端的通信，實現方式：Ingress、NodePort、Loadbalance
K8S網絡的實現不是集群內部自己實現，而是依賴於第三方網絡插件----CNI（Container Network Interface）
flannel、calico、canel等是目前比較流行的第三方網絡插件。
這三種的網絡插件需要實現Pod網絡方案的方式通常有以下幾種：
虛擬網橋、多路復用（MacVLAN）、硬件交換（SR-IOV）
無論是上面的哪種方式在容器當中實現，都需要大量的操作步驟，而K8S支持CNI插件進行編排網絡，以實現Pod和集群網絡管理功能的自動化。每次Pod被初始化或刪除，kubelet都會調用默認的CNI插件去創建一個虛擬設備接口附加到相關的底層網絡，為Pod去配置IP地址、路由信息並映射到Pod對象的網絡名稱空間。
在配置Pod網絡時，kubelet會在默認的/etc/cni/net.d/目錄中去查找CNI JSON配置文件，然后通過type屬性到/opt/cni/bin中查找相關的插件二進制文件，如下面的"portmap"。然后CNI插件調用IPAM插件（IP地址管理插件）來配置每個接口的IP地址：
[root@k8s-master ~]# cat /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist
{
"name": "cbr0",
"plugins": [
{
"type": "flannel",
"delegate": {
"hairpinMode": true,
"isDefaultGateway": true
}
},
{
"type": "portmap",
"capabilities": {
"portMappings": true
}
}
]
}
kubelet調用第三方插件，進行網絡地址的分配
CNI主要是定義容器網絡模型規范，鏈接容器管理系統和網絡插件，兩者主要通過上面的JSON格式文件進行通信，實現容器的網絡功能。CNI的主要核心是：在創建容器時，先創建好網絡名稱空間（netns），然后調用CNI插件為這個netns配置網絡，最后在啟動容器內的進程。
常見的CNI網絡插件包含以下幾種：
- Flannel：為Kubernetes提供疊加網絡的網絡插件，基於TUN/TAP隧道技術，使用UDP封裝IP報文進行創建疊 加網絡，借助etcd維護網絡的分配情況，缺點：無法支持網絡策略訪問控制。
- Calico：基於BGP的三層網絡插件，也支持網絡策略進而實現網絡的訪問控制；它在每台主機上都運行一個虛擬路由，利用Linux內核轉發網絡數據包，並借助iptables實現防火牆功能。實際上Calico最后的實現就是將每台主機都變成了一台路由器，將各個網絡進行連接起來，實現跨主機通信的功能。
- Canal：由Flannel和Calico聯合發布的一個統一網絡插件，提供CNI網絡插件，並支持網絡策略實現。
- 其他的還包括Weave Net、Contiv、OpenContrail、Romana、NSX-T、kube-router等等。而Flannel和Calico是目前最流行的選擇方案。
1.3、Flannel網絡插件
在各節點上的Docker主機在docker0上默認使用同一個子網，不同節點的容器都有可能會獲取到相同的地址，那么在跨節點通信時就會出現地址沖突的問題。並且在多個節點上的docker0使用不同的子網，也會因為沒有准確的路由信息導致無法准確送達報文。
而為了解決這一問題，Flannel的解決辦法是，預留一個使用網絡，如10.244.0.0/16，然后自動為每個節點的Docker容器引擎分配一個子網，如10.244.1.0/24和10.244.2.0/24，並將分配信息保存在etcd持久存儲。
第二個問題的解決，Flannel是采用不同類型的后端網絡模型進行處理。其后端的類型有以下幾種：
- VxLAN：使用內核中的VxLAN模塊進行封裝報文。也是flannel推薦的方式，其報文格式如下：
- host-gw：即Host GateWay，通過在節點上創建目標容器地址的路由直接完成報文轉發，要求各節點必須在同一個2層網絡，對報文轉發性能要求較高的場景使用。
- UDP：使用普通的UDP報文封裝完成隧道轉發。
1.4、VxLAN后端和direct routing
VxLAN（Virtual extensible Local Area Network）虛擬可擴展局域網，采用MAC in UDP封裝方式，具體的實現方式為：
- 1、將虛擬網絡的數據幀添加到VxLAN首部，封裝在物理網絡的UDP報文中
- 2、以傳統網絡的通信方式傳送該UDP報文
- 3、到達目的主機后，去掉物理網絡報文的頭部信息以及VxLAN首部，並交付給目的終端
跨節點的Pod之間的通信就是以上的一個過程，整個過程中通信雙方對物理網絡是沒有感知的。如下網絡圖：
VxLAN的部署可以直接在官方上找到其YAML文件，如下：
[root@k8s-master:~# kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/bc79dd1505b0c8681ece4de4c0d86c5cd2643275/Documentation/kube-flannel.yml
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/flannel created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/flannel created
serviceaccount/flannel created
configmap/kube-flannel-cfg created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-amd64 created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-arm64 created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-arm created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-ppc64le created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-s390x created
#輸出如下結果表示flannel可以正常運行了
[root@k8s-master ~]# kubectl get daemonset -n kube-system
NAME DESIRED CURRENT READY UP-TO-DATE AVAILABLE NODE SELECTOR AGE
kube-flannel-ds 3 3 3 3 3 beta.kubernetes.io/arch=amd64 202d
kube-proxy 3 3 3 3 3 beta.kubernetes.io/arch=amd64 202d
運行正常后，flanneld會在宿主機的/etc/cni/net.d目錄下生成自已的配置文件，kubelet將會調用它。
網絡插件運行成功后，Node狀態才Ready。
[root@k8s-master ~]# kubectl get node
NAME STATUS ROLES AGE VERSION
k8s-master Ready master 202d v1.11.2
k8s-node01 Ready <none> 202d v1.11.2
k8s-node02 Ready <none> 201d v1.11.2
flannel運行后，在各Node宿主機多了一個網絡接口：
#master節點的flannel.1網絡接口，其網段為：10.244.0.0
[root@k8s-master ~]# ifconfig flannel.1
flannel.1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1450
inet 10.244.0.0 netmask 255.255.255.255 broadcast 0.0.0.0
inet6 fe80::31:5dff:fe01:4bc0 prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
ether 02:31:5d:01:4b:c0 txqueuelen 0 (Ethernet)
RX packets 1659239 bytes 151803796 (144.7 MiB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 2115439 bytes 6859187242 (6.3 GiB)
TX errors 0 dropped 10 overruns 0 carrier 0 collisions 0
#node1節點的flannel.1網絡接口，其網段為：10.244.1.0
[root@k8s-node01 ~]# ifconfig flannel.1
flannel.1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1450
inet 10.244.1.0 netmask 255.255.255.255 broadcast 0.0.0.0
inet6 fe80::2806:4ff:fe71:2253 prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
ether 2a:06:04:71:22:53 txqueuelen 0 (Ethernet)
RX packets 136904 bytes 16191144 (15.4 MiB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 180775 bytes 512637365 (488.8 MiB)
TX errors 0 dropped 8 overruns 0 carrier 0 collisions 0
#node2節點的flannel.1網絡接口，其網段為：10.244.2.0
[root@k8s-node02 ~]# ifconfig flannel.1
flannel.1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1450
inet 10.244.2.0 netmask 255.255.255.255 broadcast 0.0.0.0
inet6 fe80::58b7:7aff:fe8d:2d prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
ether 5a:b7:7a:8d:00:2d txqueuelen 0 (Ethernet)
RX packets 9847824 bytes 12463823121 (11.6 GiB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 2108796 bytes 185073173 (176.4 MiB)
TX errors 0 dropped 13 overruns 0 carrier 0 collisions 0
從上面的結果可以知道 ：
- flannel默認就是VXLAN模式，即Overlay Network。
- flanneld創建了一個flannel.1接口，它是專門用來封裝隧道協議的，默認分給集群的Pod網段為10.244.0.0/16。
- flannel給k8s-master節點配置的Pod網絡為10.244.0.0段，給k8s-node01節點配置的Pod網絡為10.244.1.0段，給k8s-node01節點配置的Pod網絡為10.244.2.0段，如果有更多的節點，以此類推。
舉個實際例子
#啟動一個nginx容器，副本為3
[root@k8s-master ~]# kubectl run nginx --image=nginx:1.14 --port=80 --replicas=3
deployment.apps/nginx created
#查看Pod
[root@k8s-master ~]# kubectl get pods -o wide |grep nginx
nginx-5bd76bcc4f-8s64s 1/1 Running 0 2m 10.244.2.85 k8s-node02
nginx-5bd76bcc4f-mr6k5 1/1 Running 0 2m 10.244.1.146 k8s-node01
nginx-5bd76bcc4f-pb257 1/1 Running 0 2m 10.244.0.17 k8s-master
可以看到，3個Pod都分別運行在各個節點之上，其中master上的Pod的ip為：10.244.0.17，在master節點上查看網絡接口可以發現在各個節點上多了一個虛擬接口cni0，其ip地址為10.244.0.1。它是由flanneld創建的一個虛擬網橋叫cni0，在Pod本地通信使用。 這里需要注意的是，cni0虛擬網橋，僅作用於本地通信！！！！
[root@k8s-master ~]# ifconfig cni0
cni0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1450
inet 10.244.0.1 netmask 255.255.255.0 broadcast 0.0.0.0
inet6 fe80::848a:beff:fe44:4959 prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
ether 0a:58:0a:f4:00:01 txqueuelen 1000 (Ethernet)
RX packets 2772994 bytes 300522237 (286.6 MiB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 3180562 bytes 928687288 (885.6 MiB)
TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
flanneld為每個Pod創建一對veth虛擬設備，一端放在容器接口上，一端放在cni0橋上。 使用brctl查看該網橋：
#可以看到有一veth的網絡接口橋接在cni0網橋上
[root@k8s-master ~]# brctl show cni0
bridge name bridge id STP enabled interfaces
cni0 8000.0a580af40001 no veth020fafae
#宿主機ping測試訪問Pod ip
[root@k8s-master ~]# ping 10.244.0.17
PING 10.244.0.17 (10.244.0.17) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.244.0.17: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.291 ms
64 bytes from 10.244.0.17: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.081 ms
^C
--- 10.244.0.17 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3000ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.055/0.129/0.291/0.094 ms
在現有的Flannel VxLAN網絡中，兩台主機上的Pod間通信，也是正常的，如master節點上的Pod訪問node01上的Pod：
[root@k8s-master ~]# kubectl exec -it nginx-5bd76bcc4f-pb257 -- /bin/bash
root@nginx-5bd76bcc4f-pb257:/# ping 10.244.1.146
PING 10.244.1.146 (10.244.1.146) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.244.1.146: icmp_seq=1 ttl=62 time=1.44 ms
64 bytes from 10.244.1.146: icmp_seq=2 ttl=62 time=0.713 ms
64 bytes from 10.244.1.146: icmp_seq=3 ttl=62 time=0.713 ms
64 bytes from 10.244.1.146: icmp_seq=4 ttl=62 time=0.558 ms
^C
--- 10.244.1.146 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3004ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.558/0.858/1.448/0.346 ms
可以看到容器跨主機是可以正常通信的，那么容器的跨主機通信是如何實現的呢？？？？？master上查看路由表信息：
[root@k8s-master ~]# ip route
......
10.244.1.0/24 via 10.244.1.0 dev flannel.1 onlink
10.244.2.0/24 via 10.244.2.0 dev flannel.1 onlink
......
發送到10.244.1.0/24和10.244.20/24網段的數據報文發給本機的flannel.1接口，即進入二層隧道，然后對數據報文進行封裝（封裝VxLAN首部-->UDP首部-->IP首部-->以太網首部），到達目標Node節點后，由目標Node上的flannel.1進行解封裝。使用tcpdump進行 抓一下包，如下：
#在宿主機和容器內都進行ping另外一台主機上的Pod ip並進行抓包
[root@k8s-master ~]# ping -c 10 10.244.1.146
[root@k8s-master ~]# kubectl exec -it nginx-5bd76bcc4f-pb257 -- /bin/bash
root@nginx-5bd76bcc4f-pb257:/# ping 10.244.1.146
[root@k8s-master ~]# tcpdump -i flannel.1 -nn host 10.244.1.146
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on flannel.1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
#宿主機ping后抓包情況如下：
22:22:35.737977 IP 10.244.0.0 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 29493, seq 1, length 64
22:22:35.738902 IP 10.244.1.146 > 10.244.0.0: ICMP echo reply, id 29493, seq 1, length 64
22:22:36.739042 IP 10.244.0.0 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 29493, seq 2, length 64
22:22:36.739789 IP 10.244.1.146 > 10.244.0.0: ICMP echo reply, id 29493, seq 2, length 64
#容器ping后抓包情況如下：
22:33:49.295137 IP 10.244.0.17 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 837, seq 1, length 64
22:33:49.295933 IP 10.244.1.146 > 10.244.0.17: ICMP echo reply, id 837, seq 1, length 64
22:33:50.296736 IP 10.244.0.17 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 837, seq 2, length 64
22:33:50.297222 IP 10.244.1.146 > 10.244.0.17: ICMP echo reply, id 837, seq 2, length 64
22:33:51.297556 IP 10.244.0.17 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 837, seq 3, length 64
22:33:51.298054 IP 10.244.1.146 > 10.244.0.17: ICMP echo reply, id 837, seq 3, length 64
可以看到報文都是經過flannel.1網絡接口進入2層隧道進而轉發
VXLAN是Linux內核本身支持的一種網絡虛擬化技術，是內核的一個模塊，在內核態實現封裝解封裝，構建出覆蓋網絡，其實就是一個由各宿主機上的Flannel.1設備組成的虛擬二層網絡。
由於VXLAN由於額外的封包解包，導致其性能較差，所以Flannel就有了host-gw模式，即把宿主機當作網關，除了本地路由之外沒有額外開銷，性能和calico差不多，由於沒有疊加來實現報文轉發，這樣會導致路由表龐大。因為一個節點對應一個網絡，也就對應一條路由條目。
host-gw雖然VXLAN網絡性能要強很多。，但是種方式有個缺陷：要求各物理節點必須在同一個二層網絡中。物理節點必須在同一網段中。這樣會使得一個網段中的主機量會非常多，萬一發一個廣播報文就會產生干擾。在私有雲場景下，宿主機不在同一網段是很常見的狀態，所以就不能使用host-gw了。
VXLAN還有另外一種功能，VXLAN也支持類似host-gw的玩法，如果兩個節點在同一網段時使用host-gw通信，如果不在同一網段中，即 當前pod所在節點與目標pod所在節點中間有路由器，就使用VXLAN這種方式，使用疊加網絡。 結合了Host-gw和VXLAN，這就是VXLAN的Direct routing模式
Flannel VxLAN的Direct routing模式配置
修改kube-flannel.yml文件，將flannel的configmap對象改為：
[root@k8s-master ~]# vim kube-flannel.yml
......
net-conf.json: |
{
"Network": "10.244.0.0/16", #默認網段
"Backend": {
"Type": "vxlan",
"Directrouting": true #增加
}
}
......
[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f kube-flannel.yml
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/flannel configured
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/flannel configured
serviceaccount/flannel unchanged
configmap/kube-flannel-cfg configured
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-amd64 created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-arm64 created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-arm created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-ppc64le created
daemonset.extensions/kube-flannel-ds-s390x created
#查看路由信息
[root@k8s-master ~]# ip route
......
10.244.1.0/24 via 192.168.56.12 dev eth0
10.244.2.0/24 via 192.168.56.13 dev eth0
......
從上面的結果可以看到，發往10.244.1.0/24和10.244.1.0/24的包都是直接經過eth0網絡接口直接發出去的，這就是Directrouting。如果兩個節點是跨網段的，則flannel自動降級為VxLAN模式。
此時，在各 個 集群節點上執行“iptables -nL”命令 可以 看到， iptables filter 表 的 FORWARD 鏈 上 由其 生成 了 如下 兩條 轉發 規則， 它 顯 式 放行 了 10. 244. 0. 0/ 16 網絡 進出 的 所有 報文， 用於 確保 由 物理 接口 接收 或 發送 的 目標 地址 或 源 地址 為10. 244. 0. 0/ 16網絡 的 所有 報文 均能 夠 正常 通行。 這些 是 Direct Routing 模式 得以 實現 的 必要條件：
target prot opt source destination
ACCEPT all -- 10. 244. 0. 0/ 16 0. 0. 0. 0/ 0
ACCEPT all -- 0. 0. 0. 0/ 0 10. 244. 0. 0/ 16
再在此之前創建的Pod和宿主機上進行ping測試，可以看到在flannel.1接口上已經抓不到包了，在eth0上可以用抓到ICMP的包，如下：
[root@k8s-master ~]# tcpdump -i flannel.1 -nn host 10.244.1.146
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on flannel.1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
^C
0 packets captured
0 packets received by filter
0 packets dropped by kernel
[root@k8s-master ~]# tcpdump -i eth0 -nn host 10.244.1.146
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
22:48:52.376393 IP 10.244.0.17 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 839, seq 1, length 64
22:48:52.376877 IP 10.244.1.146 > 10.244.0.17: ICMP echo reply, id 839, seq 1, length 64
22:48:53.377005 IP 10.244.0.17 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 839, seq 2, length 64
22:48:53.377621 IP 10.244.1.146 > 10.244.0.17: ICMP echo reply, id 839, seq 2, length 64
22:50:28.647490 IP 192.168.56.11 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 46141, seq 1, length 64
22:50:28.648320 IP 10.244.1.146 > 192.168.56.11: ICMP echo reply, id 46141, seq 1, length 64
22:50:29.648958 IP 192.168.56.11 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 46141, seq 2, length 64
22:50:29.649380 IP 10.244.1.146 > 192.168.56.11: ICMP echo reply, id 46141, seq 2, length 64
1.5、Host-gw后端
Flannel除了上面2種數據傳輸的方式以外，還有一種是host-gw的方式，host-gw后端是通過添加必要的路由信息使用節點的二層網絡直接發送Pod的通信報文。它的工作方式類似於Directrouting的功能，但是其並不具備VxLan的隧道轉發能力。
編輯kube-flannel的配置清單，將ConfigMap資源kube-flannel-cfg的data字段中網絡配置進行修改，如下：
[root@k8s-master ~]# vim kube-flannel.yml
......
net-conf.json: |
{
"Network": "10.244.0.0/16",
"Backend": {
"Type": "host-gw"
}
}
......
[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f kube-flannel.yml
配置完成后，各節點會生成類似directrouting一樣的 路由和iptables規則，用於實現二層轉發Pod網絡的通信報文，省去了隧道轉發模式的額外開銷。但是存在的問題點是，對於不在同一個二層網絡的報文轉發，host-gw是無法實現的。延續上面的例子，進行抓包查看：
master上的Pod：10.244.0.17向node01節點上的Pod：10.244.1.146發送ICMP報文
#查看路由表信息，可以看到其報文的發送方向都是和Directrouting是一樣的
[root@k8s-master ~]# ip route
......
10.244.1.0/24 via 192.168.56.12 dev eth0
10.244.2.0/24 via 192.168.56.13 dev eth0
.....
#進行ping包測試
[root@k8s-master ~]# ping -c 2 10.244.1.146
#在eth0上進行抓包
[root@k8s-master ~]# tcpdump -i eth0 -nn host 10.244.1.146
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
23:11:05.556972 IP 192.168.56.11 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 59528, seq 1, length 64
23:11:05.557794 IP 10.244.1.146 > 192.168.56.11: ICMP echo reply, id 59528, seq 1, length 64
23:11:06.558231 IP 192.168.56.11 > 10.244.1.146: ICMP echo request, id 59528, seq 2, length 64
23:11:06.558610 IP 10.244.1.146 > 192.168.56.11: ICMP echo reply, id 59528, seq 2, length 64
該模式下，報文轉發的相關流程如下：
-
1、Pod（10.244.0.17）向Pod（10.244.1.146）發送報文，查看到報文中的目的地址為：10.244.1.146，並非本地網段，會直接發送到網關（192.168.56.11）；
-
2、網關發現該目標地址為10.244.1.146，要到達10.244.1.0/24網段，需要送達到node2 的物理網卡，node2接收以后發現該報文的目標地址屬於本機上的另一個虛擬網卡，然后轉發到相對應的Pod（10.244.1.146）
工作模式流程圖如下：
以上就是Flannel網絡模型的三種工作模式，但是flannel自身並不具備為Pod網絡實現網絡策略和網絡通信隔離的功能，為此只能借助於Calico聯合統一的項目Calnal項目進行構建網絡策略的功能。
2、網絡策略
網絡策略（Network Policy ）是 Kubernetes 的一種資源。Network Policy 通過 Label 選擇 Pod，並指定其他 Pod 或外界如何與這些 Pod 通信。
Pod的網絡流量包含流入（Ingress）和流出（Egress）兩種方向。默認情況下，所有 Pod 是非隔離的，即任何來源的網絡流量都能夠訪問 Pod，沒有任何限制。當為 Pod 定義了 Network Policy，只有 Policy 允許的流量才能訪問 Pod。
Kubernetes的網絡策略功能也是由第三方的網絡插件實現的，因此，只有支持網絡策略功能的網絡插件才能進行配置網絡策略，比如Calico、Canal、kube-router等等。
PS：Kubernetes自1.8版本才支持Egress網絡策略，在該版本之前僅支持Ingress網絡策略。
2.1、部署Canal提供網絡策略功能
Calico可以獨立地為Kubernetes提供網絡解決方案和網絡策略，也可以和flannel相結合，由flannel提供網絡解決方案，Calico僅用於提供網絡策略，此時將Calico稱為Canal。結合flannel工作時，Calico提供的默認配置清單式以flannel默認使用的10.244.0.0/16為Pod網絡，因此在集群中kube-controller-manager啟動時就需要通過--cluster-cidr選項進行設置使用該網絡地址，並且---allocate-node-cidrs的值應設置為true。
#設置RBAC
[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/v3.2/getting-started/kubernetes/installation/hosted/canal/rbac.yaml
#部署Canal提供網絡策略
[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/v3.2/getting-started/kubernetes/installation/hosted/canal/canal.yaml
[root@k8s-master ~]# kubectl get ds canal -n kube-system
NAME DESIRED CURRENT READY UP-TO-DATE AVAILABLE NODE SELECTOR AGE
canal 3 3 0 3 0 beta.kubernetes.io/os=linux 2m
部署canal需要的鏡像，建議先拉取鏡像，避免耗死資源：
quay.io/calico/node:v3.2.6
quay.io/calico/cni:v3.2.6
quay.io/coreos/flannel:v0.9.1
[root@k8s-master ~]# kubectl get pods -n kube-system -o wide |grep canal
canal-2hqwt 3/3 Running 0 1h 192.168.56.11 k8s-master
canal-c5pxr 3/3 Running 0 1h 192.168.56.13 k8s-node02
canal-kr662 3/3 Running 6 1h 192.168.56.12 k8s-node01
Canal作為DaemonSet部署到每個節點，屬於kube-system這個名稱空間。需要注意的是，Canal只是直接使用了Calico和flannel項目，代碼本身沒有修改，Canal只是一種部署的模式，用於安裝和配置項目。
2.2、配置網絡策略
在Kubernetes系統中，報文的流入和流出的核心組件是Pod資源，它們也是網絡策略功能的主要應用對象。NetworkPolicy對象通過podSelector選擇 一組Pod資源作為控制對象。NetworkPolicy是定義在一組Pod資源之上用於管理入站流量，或出站流量的一組規則，有可以是出入站規則一起生效，規則的生效模式通常由spec.policyTypes進行 定義。如下圖：
默認情況下，Pod對象的流量控制是為空的，報文可以自由出入。在附加網絡策略之后，Pod對象會因為NetworkPolicy而被隔離，一旦名稱空間中有任何NetworkPolicy對象匹配了某特定的Pod對象，則該Pod將拒絕NetworkPolicy規則中不允許的所有連接請求，但是那些未被匹配到的Pod對象依舊可以接受所有流量。
就特定的Pod集合來說，入站和出站流量默認是放行狀態，除非有規則可以進行匹配。還有一點需要注意的是，在spec.policyTypes中指定了生效的規則類型，但是在networkpolicy.spec字段中嵌套定義了沒有任何規則的Ingress或Egress時，則表示拒絕入站或出站的一切流量。定義網絡策略的基本格式如下：
apiVersion: networking.k8s.io/v1 #定義API版本
kind: NetworkPolicy #定義資源類型
metadata:
name: allow-myapp-ingress #定義NetwokPolicy的名字
namespace: default
spec: #NetworkPolicy規則定義
podSelector: #匹配擁有標簽app:myapp的Pod資源
matchLabels:
app: myapp
policyTypes ["Ingress"] #NetworkPolicy類型，可以是Ingress，Egress，或者兩者共存
ingress: #定義入站規則
- from:
- ipBlock: #定義可以訪問的網段
cidr: 10.244.0.0/16
except: #排除的網段
- 10.244.3.0/24
- podSelector: #選定當前default名稱空間，標簽為app:myapp可以入站
matchLabels:
app: myapp
ports: #開放的協議和端口定義
- protocol: TCP
port: 80
該網絡策略就是將default名稱空間中擁有標簽"app=myapp"的Pod資源開放80/TCP端口給10.244.0.0/16網段，並排除10.244.3.0/24網段的訪問，並且也開放給標簽為app=myapp的所有Pod資源進行訪問。
為了看出Network Policy的效果，先部署一個httpd的應用。配置清單文件如下：
[root@k8s-master ~]# mkdir network-policy-demo
[root@k8s-master ~]# cd network-policy-demo/
[root@k8s-master network-policy-demo]# vim httpd.yaml
apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: httpd
spec:
replicas: 3
template:
metadata:
labels:
run: httpd
spec:
containers:
- name: httpd
image: httpd:latest
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: httpd-svc
spec:
type: NodePort
selector:
run: httpd
ports:
- protocol: TCP
nodePort: 30000
port: 8080
targetPort: 80
創建三個副本，通過NodePort類型的Service對外方服務，部署應用：
[root@k8s-master network-policy-demo]# kubectl apply -f httpd.yaml
deployment.apps/httpd unchanged
service/httpd-svc created
[root@k8s-master network-policy-demo]# kubectl get pods -o wide |grep httpd
httpd-75f655479d-882hz 1/1 Running 0 4m 10.244.0.2 k8s-master
httpd-75f655479d-h7lrr 1/1 Running 0 4m 10.244.2.2 k8s-node02
httpd-75f655479d-kzr5g 1/1 Running 0 4m 10.244.1.2 k8s-node01
[root@k8s-master network-policy-demo]# kubectl get svc httpd-svc
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
httpd-svc NodePort 10.99.222.179 <none> 8080:30000/TCP 4m
當前沒有定義任何Network Policy，驗證應用的訪問：
#啟動一個busybox Pod，可以訪問Service，也可以ping副本的Pod
[root@k8s-master ~]# kubectl run busybox --rm -it --image=busybox /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget httpd-svc:8080
Connecting to httpd-svc:8080 (10.99.222.179:8080)
index.html 100% |*********************************************************************************************| 45 0:00:00 ETA
/ # ping -c 2 10.244.1.2
PING 10.244.1.2 (10.244.1.2): 56 data bytes
64 bytes from 10.244.1.2: seq=0 ttl=63 time=0.507 ms
64 bytes from 10.244.1.2: seq=1 ttl=63 time=0.228 ms
--- 10.244.1.2 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.228/0.367/0.507 ms
#集群節點也可以訪問Sevice和ping通副本Pod
[root@k8s-node01 ~]# curl 10.99.222.179:8080
<html><body><h1>It works!</h1></body></html>
[root@k8s-node01 ~]# ping -c 2 10.244.2.2
PING 10.244.2.2 (10.244.2.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.244.2.2: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.931 ms
64 bytes from 10.244.2.2: icmp_seq=2 ttl=63 time=0.812 ms
--- 10.244.2.2 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1001ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.812/0.871/0.931/0.066 ms
#集群外部訪問192.168.56.11:30000也是通的
[root@localhost ~]# curl 192.168.56.11:30000
<html><body><h1>It works!</h1></body></html>
那么下面再去設置不同的Network Policy來管控Pod的訪問。
2.3、管控入站流量
NetworkPolicy資源屬於名稱空間級別，它的作用范圍為其所屬的名稱空間。
1、設置默認的Ingress策略
用戶可以創建一個NetworkPolicy來為名稱空間設置一個默認的隔離策略，該策略選擇所有的Pod對象，然后允許或拒絕任何到達這些Pod的入站流量，如下：
[root@k8s-master network-policy-demo]# vim policy-demo.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: deny-all-ingress
spec:
podSelector: {}
policyTypes: ["Ingress"]
#指明了Ingress生效規則，但不定義任何Ingress字段，因此不能匹配任何源端點，從而拒絕所有的入站流量
[root@k8s-master network-policy-demo]# kubectl apply -f policy-demo.yaml
networkpolicy.networking.k8s.io/deny-all-ingress created
[root@k8s-master network-policy-demo]# kubectl get networkpolicy
NAME POD-SELECTOR AGE
deny-all-ingress <none> 11s
#此時再去訪問測試，是無法ping通，無法訪問的
[root@k8s-master ~]# kubectl run busybox --rm -it --image=busybox /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget httpd-svc:8080
Connecting to httpd-svc:8080 (10.99.222.179:8080)
wget: can't connect to remote host (10.99.222.179): Connection timed out
如果要將默認策略設置為允許所有入站流量，只需要定義Ingress字段，並將這個字段設置為空，以匹配所有源端點，但本身不設定網絡策略，就已經是默認允許所有入站流量訪問的，下面給出一個定義的格式：
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: deny-all-ingress
spec:
podSelector: {}
policyTypes: ["Ingress"]
ingress:
- {}
實踐中，通常將默認的網絡策略設置為拒絕所有入站流量，然后再放行允許的源端點的入站流量。
2、放行特定的入站流量
[root@k8s-master network-policy-demo]# vim policy-demo.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: access-httpd
spec:
podSelector:
matchLabels:
run: httpd
policyTypes: ["Ingress"]
ingress:
- from:
- ipBlock:
cidr: 10.244.0.0/16
except:
- 10.244.2.0/24
- 10.244.1.0/24
- podSelector:
matchLabels:
access: "true"
ports:
- protocol: TCP
port: 80
[root@k8s-master network-policy-demo]# kubectl apply -f policy-demo.yaml
networkpolicy.networking.k8s.io/access-httpd created
[root@k8s-master network-policy-demo]# kubectl get networkpolicy
NAME POD-SELECTOR AGE
access-httpd run=httpd 6s
驗證NetworkPolicy的有效性：
#創建帶有標簽的busybox pod訪問，是可以正常訪問的，但是因為僅開放了TCP協議，所以PING是無法ping通的
[root@k8s-master ~]# kubectl run busybox --rm -it --labels="access=true" --image=busybox /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget httpd-svc:8080
Connecting to httpd-svc:8080 (10.99.222.179:8080)
index.html 100% |*********************************************************************************************| 45 0:00:00 ETA
/ # ping -c 3 10.244.0.2
PING 10.244.0.2 (10.244.0.2): 56 data bytes
--- 10.244.0.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 0 packets received, 100% packet loss
2.4、管控出站流量
通常，出站的流量默認策略應該是允許通過的，但是當有精細化需求，僅放行那些有對外請求需要的Pod對象的出站流量，也可以先為名稱空間設置“禁止所有”的默認策略，再細化制定准許的策略。networkpolicy.spec中嵌套的Egress字段用來定義出站流量規則。
1、設定默認Egress策略
和Igress一樣，只需要通過policyTypes字段指明生效的Egress類型規則，然后不去定義Egress字段，就不會去匹配到任何目標端點，從而拒絕所有的出站流量。
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: deny-all-egress
spec:
podSelector: {}
policyTypes: ["Egress"]
實踐中，需要進行嚴格隔離的環境通常將默認的策略設置為拒絕所有出站流量，再去細化配置允許到達的目標端點的出站流量。
2、放行特定的出站流量
下面舉個例子定義一個Egress規則，對標簽run=httpd的Pod對象，到達標簽為access=true的Pod對象的80端口的流量進行放行。
[root@k8s-master network-policy-demo]# vim egress-policy.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: httpd-egress
spec:
podSelector:
matchLabels:
run: httpd
policyTypes: ["Egress"]
egress:
- to:
- podSelector:
matchLabels:
access: "true"
ports:
- protocol: TCP
port: 80
#NetworkPolicy檢測，一個帶有access=true標簽，一個不帶
[root@k8s-master ~]# kubectl run busybox --rm -it --labels="access=true" --image=busybox /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget httpd-svc:8080
Connecting to httpd-svc:8080 (10.99.222.179:8080)
index.html 100% |*********************************************************************************************| 45 0:00:00 ETA
/ # exit
Session ended, resume using 'kubectl attach busybox-686cb649b6-6j4qx -c busybox -i -t' command when the pod is running
deployment.apps "busybox" deleted
[root@k8s-master ~]# kubectl run busybox2 --rm -it --image=busybox /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget httpd-svc:8080
Connecting to httpd-svc:8080 (10.99.222.179:8080)
wget: can't connect to remote host (10.99.222.179): Connection timed out
從上面的檢測結果可以看到，帶有標簽access=true的Pod才能訪問到httpd-svc，說明上面配置的Network Policy已經生效。
2.5、隔離名稱空間
實踐中，通常需要彼此隔離所有的名稱空間，但是又需要允許它們可以和kube-system名稱空間中的Pod資源進行流量交換，以實現監控和名稱解析等各種管理功能。下面的配置清單示例在default名稱空間定義相關規則，在出站和入站都默認均為拒絕的情況下，它用於放行名稱空間內部的各Pod對象之間的通信，以及和kube-system名稱空間內各Pod間的通信。
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: namespace-deny-all
namespace: default
spec:
policyTypes: ["Ingress","Egress"]
podSelector: {}
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: namespace-allow
namespace: default
spec:
policyTypes: ["Ingress","Egress"]
podSelector: {}
ingress:
- from:
- namespaceSelector:
matchExpressions:
- key: name
operator: In
values: ["default","kube-system"]
egress:
- to:
- namespaceSelector:
matchExpressions:
- key: name
operator: In
values: ["default","kube-system"]
需要注意的是，有一些額外的系統附件可能會單獨部署到獨有的名稱空間中，比如將prometheus監控系統部署到prom名稱空間等，這類具有管理功能的附件所在的名稱空間和每一個特定的名稱空間的出入流量也是需要被放行的。