Flannel的兩種模式解析（VXLAN、host-gw)

Flannel是為Kubernetes設計的一種簡單易用的容器網絡解決方案，將所有的Pod都組織在同一個子網的虛擬大二層網絡中。Flannel支持的后端轉發方式有許多種，本文將介紹其中兩種，VXLAN以及host-gw。

VXLAN 簡介

VXLAN (Virtual Extensible LAN)是一種網絡虛擬化技術，它使用一種隧道協議，將二層以太網幀封裝在四層UDP報文中，通過三層網絡傳輸，組成一個虛擬大二層網絡。VXLAN的報文格式如下：  VXLAN使用VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）來進行封包和解包，它是VXLAN隧道的起點或終點：

• 在發送端，源VTEP將原始報文封裝成VXLAN報文，通過UDP發送到對端VTEP。
• 在接收端，VTEP將解開VXLAN報文，將原始的2層數據幀轉發給目的的接收方。

VTEP可以是獨立的網絡設備，例如交換機，也可以是部署在服務器上的虛擬設備。例如使用置頂交換機（TOR）作為VTEP時，VXLAN的網絡模型如下圖：

圖例來源：support.huawei.com/enterprise/…

但顯然，在flannel中，VTEP的能力是通過linux的虛機網絡設備實現的。在VXLAN模式下，VTEP的角色由 flannel.1 虛擬網卡充當。

VXLAN模式

VXLAN是Flannel默認和推薦的模式。當我們使用默認配置安裝Flannel時，它會為每個節點分配一個24位子網，並在每個節點上創建兩張虛機網卡： cni0 和 flannel.1 。 cni0 是一個網橋設備，類似於 docker0 ，節點上所有的Pod都通過veth pair的形式與 cni0 相連。 flannel.1 則是一個VXLAN類型的設備，充當VTEP的角色，實現對VXLAN報文的封包解包。

從內核3.7版本開始，Linux就開始支持VXLAN，到3.12版本，支持已經完備。

節點內通信

顯然，節點內的容器間通信通過 cni0 網橋就能完成，不涉及任何VXLAN報文的封包解包。例如在下面的圖例中，Node1的子網為10.244.0.1/24， PodA 10.244.0.20 和 PodB 10.224.0.21通過 cni0 網橋實現互通。

跨節點通信

下面重點分析一下跨節點的容器通信過程。假設有兩個節點Node1和Node2，其中Node1的PodA要跟Node2的PodB通信，則它們之間的通信過程如下圖所示：

 大致概括一下整個過程：

• 發送端：在PodA中發起 ping 10.244.1.21 ，ICMP 報文經過 cni0 網橋后交由 flannel.1 設備處理。 flannel.1 設備是一個VXLAN類型的設備，負責VXLAN封包解包。 因此，在發送端，flannel.1 將原始L2報文封裝成VXLAN UDP報文，然后從 eth0 發送。
• 接收端：Node2收到UDP報文，發現是一個VXLAN類型報文，交由 flannel.1 進行解包。根據解包后得到的原始報文中的目的IP，將原始報文經由 cni0 網橋發送給PodB。

哪些IP要交由 flannel.1 處理

flanneld 從 etcd 中可以獲取所有節點的子網情況，以此為依據為各節點配置路由，將屬於非本節點的子網IP都路由到 flannel.1 處理，本節點的子網路由到 cni0 網橋處理。

[root@Node1 ~]# ip r ... 10.244.0.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.0.1 # Node1子網為10.224.0.0/24， 本機PodIP都交由cni0處理 10.244.1.0/24 via 10.244.1.0 dev flannel.1 onlink # Node2子網為10.224.1.0/24，Node2的PodID都交由flannel.1處理 ... 復制代碼

如果節點信息有變化， flanneld 也會同步的對路由信息做修改。

flannel.1 的封包過程

VXLAN的封包是將二層以太網幀封裝到四層UDP報文中的過程。

原始L2幀

要生成原始的L2幀， flannel.1 需要得知：

• 內層源/目的IP地址
• 內層源/目的MAC地址

內層的源/目的IP地址是已知的，即為PodA/PodB的PodIP，在圖例中，分別為10.224.0.20和10.224.1.20。 內層源/目的MAC地址要結合路由表和ARP表來獲取。根據路由表①得知：

1. 下一跳地址是10.224.1.0，關聯ARP表②，得到下一跳的MAC地址，也就是目的MAC地址：Node2_flannel.1_MAC；
2. 報文要從 flannel.1 虛擬網卡發出，因此源MAC地址為 flannel.1 的MAC地址。

要注意的是，這里ARP表的表項②並不是通過ARP學習得到的，而是 flanneld 預先為每個節點設置好的，由 flanneld負責維護，沒有過期時間。

# 查看ARP表 [root@Node1 ~]# ip n | grep flannel.1 10.244.1.0 dev flannel.1 lladdr ba:74:f9:db:69:c1 PERMANENT # PERMANENT 表示永不過期 復制代碼

有了上面的信息， flannel.1 就可以構造出內層的2層以太網幀： 

外層VXLAN UDP報文

要將原始L2幀封裝成VXLAN UDP報文， flannel.1 還需要填充源/目的IP地址。前面提到，VTEP是VXLAN隧道的起點或終點。因此，目的IP地址即為對端VTEP的IP地址，通過FDB表獲取。在FDB表③中，dst字段表示的即為VXLAN隧道目的端點（對端VTEP）的IP地址，也就是VXLAN DUP報文的目的IP地址。FDB表也是由 flanneld 在每個節點上預設並負責維護的。

FDB表（Forwarding database）用於保存二層設備中MAC地址和端口的關聯關系，就像交換機中的MAC地址表一樣。在二層設備轉發二層以太網幀時，根據FDB表項來找到對應的端口。例如cni0網橋上連接了很多veth pair網卡，當網橋要將以太網幀轉發給Pod時，FDB表根據Pod網卡的MAC地址查詢FDB表，就能找到其對應的veth網卡，從而實現聯通。

可以使用 bridge fdb show 查看FDB表：

[root@Node1 ~]# bridge fdb show | grep flannel.1 ba:74:f9:db:69:c1 dev flannel.1 dst 192.168.50.3 self permanent 復制代碼

源IP地址信息來自於 flannel.1 網卡設置本身，根據 local 192.168.50.2 可以得知源IP地址為192.168.50.2。

[root@Node1 ~]# ip -d a show flannel.1 6: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN group default link/ether 32:02:78:2f:02:cb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0 vxlan id 1 local 192.168.50.2 dev eth0 srcport 0 0 dstport 8472 nolearning ageing 300 noudpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535 inet 10.244.0.0/32 brd 10.244.0.0 scope global flannel.1 valid_lft forever preferred_lft forever inet6 fe80::3002:78ff:fe2f:2cb/64 scope link valid_lft forever preferred_lft forever 復制代碼

至此， flannel.1 已經得到了所有完成VXLAN封包所需的信息，最終通過 eth0 發送一個VXLAN UDP報文：  Flannel的VXLAN模式通過靜態配置路由表，ARP表和FDB表的信息，結合VXLAN虛擬網卡 flannel.1 ，實現了一個所有Pod同屬一個大二層網絡的VXLAN網絡模型。

host-gw模式

在上述的VXLAN的示例中，Node1和Node2其實是同一宿主機中的兩台使用橋接模式的虛機，也就是說它們在一個二層網絡中。在二層網絡互通的情況下，直接配置節點的三層路由即可互通，不需要使用VXLAN隧道。要使用host-gw模式，需要修改 ConfigMap kube-flannel-cfg ，將 Backend.Type 從vxlan改為host-gw，然后重啟所有kube-flannel Pod即可：

...
  net-conf.json: |
    {
      "Network": "10.244.0.0/16", "Backend": { "Type": "host-gw" // <- 改成host-gw } } ... 復制代碼

host-gw模式下的通信過程如下圖所示：

 在host-gw模式下，由於不涉及VXLAN的封包解包，不再需要flannel.1虛機網卡。 flanneld 負責為各節點設置路由 ，將對應節點Pod子網的下一跳地址指向對應的節點的IP，如圖中路由表①所示。

[root@Node1 ~]# ip r ... 10.244.0.0/24 dev cni0 proto kernel scope link src 10.244.0.1 10.244.1.0/24 via 192.168.50.3 dev eth0 # Node2子網的下一跳地址指向Node2的public ip。 ... 復制代碼

由於沒有封包解包帶來的消耗，host-gw是性能最好的。不過一般在雲環境下，都不支持使用host-gw的模式，在私有化部署的場景下，可以考慮。

參考

What is VXLAN
深入理解CNI
bridge man page
ip-route man page
ip-neighbour man page
flannel原理之vxlan模式