网络笔记(30) 容器网络之Flannel：每人一亩三分地

小鱼儿 2022-02-03 06:19 169阅读 0赞

上一节我们讲了容器网络的模型，以及如何通过 NAT 的方式与物理网络进行互通。

每一台物理机上面安装好了 Docker 以后，都会默认分配一个 172.17.0.0/16 的网段。一台机器上新创建的第一个容器，一般都会给 172.17.0.2 这个地址，当然一台机器这样玩玩倒也没啥问题。但是容器里面是要部署应用的，就像上一节讲过的一样，它既然是集装箱，里面就需要装载货物。

如果这个应用是比较传统的单体应用，自己就一个进程，所有的代码逻辑都在这个进程里面，上面的模式没有任何问题，只要通过 NAT 就能访问进来。

但是因为无法解决快速迭代和高并发的问题，单体应用越来越跟不上时代发展的需要了。

你可以回想一下，无论是各种网络直播平台，还是共享单车，是不是都是很短时间内就要积累大量用户，否则就会错过风口。所以应用需要在很短的时间内快速迭代，不断调整，满足用户体验；还要在很短的时间内，具有支撑高并发请求的能力。

单体应用作为个人英雄主义的时代已经过去了。如果所有的代码都在一个工程里面，开发的时候必然存在大量冲突，上线的时候，需要开大会进行协调，一个月上线一次就很不错了。而且所有的流量都让一个进程扛，怎么也扛不住啊！

没办法，一个字：拆！拆开了，每个子模块独自变化，减少相互影响。拆开了，原来一个进程扛流量，现在多个进程一起扛。所以，微服务就是从个人英雄主义，变成集团军作战。

容器作为集装箱，可以保证应用在不同的环境中快速迁移，提高迭代的效率。但是如果要形成容器集团军，还需要一个集团军作战的调度平台，这就是 Kubernetes。它可以灵活地将一个容器调度到任何一台机器上，并且当某个应用扛不住的时候，只要在 Kubernetes 上修改容器的副本数，一个应用马上就能变八个，而且都能提供服务。

然而集团军作战有个重要的问题，就是通信。这里面包含两个问题，第一个是集团军的 A 部队如何实时地知道 B 部队的位置变化，第二个是两个部队之间如何相互通信。

第一个问题位置变化，往往是通过一个称为注册中心的地方统一管理的，这个是应用自己做的。当一个应用启动的时候，将自己所在环境的 IP 地址和端口，注册到注册中心指挥部，这样其他的应用请求它的时候，到指挥部问一下它在哪里就好了。当某个应用发生了变化，例如一台机器挂了，容器要迁移到另一台机器，这个时候 IP 改变了，应用会重新注册，则其他的应用请求它的时候，还是能够从指挥部得到最新的位置。

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接下来是如何相互通信的问题。NAT 这种模式，在多个主机的场景下，是存在很大问题的。在物理机 A 上的应用 A 看到的 IP 地址是容器 A 的，是 172.17.0.2，在物理机 B 上的应用 B 看到的 IP 地址是容器 B 的，不巧也是 172.17.0.2，当它们都注册到注册中心的时候，注册中心就是这个图里这样子。

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这个时候，应用 A 要访问应用 B，当应用 A 从注册中心将应用 B 的 IP 地址读出来的时候，就彻底困惑了，这不是自己访问自己吗？

怎么解决这个问题呢？一种办法是不去注册容器内的 IP 地址，而是注册所在物理机的 IP 地址，端口也要是物理机上映射的端口。

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这样存在的问题是，应用是在容器里面的，它怎么知道物理机上的 IP 地址和端口呢？这明明是运维人员配置的，除非应用配合，读取容器平台的接口获得这个 IP 和端口。一方面，大部分分布式框架都是容器诞生之前就有了，它们不会适配这种场景；另一方面，让容器内的应用意识到容器外的环境，本来就是非常不好的设计。

说好的集装箱，说好的随意迁移呢？难道要让集装箱内的货物意识到自己传的信息？而且本来 Tomcat 都是监听 8080 端口的，结果到了物理机上，就不能大家都用这个端口了，否则端口就冲突了，因而就需要随机分配端口，于是在注册中心就出现了各种各样奇怪的端口。无论是注册中心，还是调用方都会觉得很奇怪，而且不是默认的端口，很多情况下也容易出错。

Kubernetes 作为集团军作战管理平台，提出指导意见，说网络模型要变平，但是没说怎么实现。于是业界就涌现了大量的方案，Flannel 就是其中之一。

对于 IP 冲突的问题，如果每一个物理机都是网段 172.17.0.0/16，肯定会冲突啊，但是这个网段实在太大了，一台物理机上根本启动不了这么多的容器，所以能不能每台物理机在这个大网段里面，抠出一个小的网段，每个物理机网段都不同，自己看好自己的一亩三分地，谁也不和谁冲突。

例如物理机 A 是网段 172.17.8.0/24，物理机 B 是网段 172.17.9.0/24，这样两台机器上启动的容器 IP 肯定不一样，而且就看 IP 地址，我们就一下子识别出，这个容器是本机的，还是远程的，如果是远程的，也能从网段一下子就识别出它归哪台物理机管，太方便了。

接下来的问题，就是**物理机 A 上的容器如何访问到物理机 B 上的容器呢？**

你是不是想到了熟悉的场景？虚拟机也需要跨物理机互通，往往通过 Overlay 的方式，容器是不是也可以这样做呢？

**这里我要说 Flannel 使用 UDP 实现 Overlay 网络的方案。**

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在物理机 A 上的容器 A 里面，能看到的容器的 IP 地址是 172.17.8.2/24，里面设置了默认的路由规则 default via 172.17.8.1 dev eth0。

如果容器 A 要访问 172.17.9.2，就会发往这个默认的网关 172.17.8.1。172.17.8.1 就是物理机上面 docker0 网桥的 IP 地址，这台物理机上的所有容器都是连接到这个网桥的。

在物理机上面，查看路由策略，会有这样一条 172.17.0.0/24 via 172.17.0.0 dev flannel.1，也就是说发往 172.17.9.2 的网络包会被转发到 flannel.1 这个网卡。

这个网卡是怎么出来的呢？在每台物理机上，都会跑一个 flanneld 进程，这个进程打开一个 /dev/net/tun 字符设备的时候，就出现了这个网卡。

你有没有想起 qemu-kvm，打开这个字符设备的时候，物理机上也会出现一个网卡，所有发到这个网卡上的网络包会被 qemu-kvm 接收进来，变成二进制串。只不过接下来 qemu-kvm 会模拟一个虚拟机里面的网卡，将二进制的串变成网络包，发给虚拟机里面的网卡。但是 flanneld 不用这样做，所有发到 flannel.1 这个网卡的包都会被 flanneld 进程读进去，接下来 flanneld 要对网络包进行处理。

物理机 A 上的 flanneld 会将网络包封装在 UDP 包里面，然后外层加上物理机 A 和物理机 B 的 IP 地址，发送给物理机 B 上的 flanneld。

为什么是 UDP 呢？因为不想在 flanneld 之间建立两两连接，而 UDP 没有连接的概念，任何一台机器都能发给另一台。

物理机 B 上的 flanneld 收到包之后，解开 UDP 的包，将里面的网络包拿出来，从物理机 B 的 flannel.1 网卡发出去。

在物理机 B 上，有路由规则 172.17.9.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 172.17.9.1。

将包发给 docker0，docker0 将包转给容器 B。通信成功。

上面的过程连通性没有问题，但是由于全部在用户态，所以性能差了一些。

跨物理机的连通性问题，在虚拟机那里有成熟的方案，就是 VXLAN，那**能不能 Flannel 也用 VXLAN 呢**？

当然可以了。如果使用 VXLAN，就不需要打开一个 TUN 设备了，而是要建立一个 VXLAN 的 VTEP。如何建立呢？可以通过 netlink 通知内核建立一个 VTEP 的网卡 flannel.1。在我们讲 OpenvSwitch 的时候提过，netlink 是一种用户态和内核态通信的机制。

当网络包从物理机 A 上的容器 A 发送给物理机 B 上的容器 B，在容器 A 里面通过默认路由到达物理机 A 上的 docker0 网卡，然后根据路由规则，在物理机 A 上，将包转发给 flannel.1。这个时候 flannel.1 就是一个 VXLAN 的 VTEP 了，它将网络包进行封装。

内部的 MAC 地址这样写：源为物理机 A 的 flannel.1 的 MAC 地址，目标为物理机 B 的 flannel.1 的 MAC 地址，在外面加上 VXLAN 的头。

外层的 IP 地址这样写：源为物理机 A 的 IP 地址，目标为物理机 B 的 IP 地址，外面加上物理机的 MAC 地址。

这样就能通过 VXLAN 将包转发到另一台机器，从物理机 B 的 flannel.1 上解包，变成内部的网络包，通过物理机 B 上的路由转发到 docker0，然后转发到容器 B 里面。通信成功。

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## 小结 ##

好了，今天的内容就到这里，我来总结一下。

*  基于 NAT 的容器网络模型在微服务架构下有两个问题，一个是 IP 重叠，一个是端口冲突，需要通过 Overlay 网络的机制保持跨节点的连通性。
 *  Flannel 是跨节点容器网络方案之一，它提供的 Overlay 方案主要有两种方式，一种是 UDP 在用户态封装，一种是 VXLAN 在内核态封装，而 VXLAN 的性能更好一些。

来源:

1.  刘超-趣谈网络协议系列课；

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