DockOne微信分享(一一五):基于Neutron的Kubernetes SDN实践经验之谈


【编者的话】本次分享将给大家介绍Kubernetes的网络通信原理,并介绍几种典型的Kubernetes网络实现方案。最后分享下我们公司ECP容器管理平台的在Neutron基础上为Kubernetes实现的SDN方案(Skynet)实践经验和演进。

【深圳站|3天烧脑式Kubernetes训练营】培训内容包括:Kubernetes概述和架构、部署和核心机制分析、进阶篇——Kubernetes调工作原理及源码分析等。

首先,向大家科普下Kubernetes所选择的CNI网络接口,简单介绍下网络实现的背景。

CNI即Container Network Interface,是一套容器网络的定义规范,包括方法规范、参数规范、响应规范等等。CNI只要求在容器创建时为容器分配网络资源、删除容器时释放网络资源。CNI与调用者之间的整个交互过程如下图所示:
cni.png

CNI实现与外界的交互都通过进程参数和环境变量传递,也只要求输出结果符合CNI规范即可,与实现语言也没什么特殊要求。比如Calico早期版本就使用Python实现了CNI规范,为Kubernetes提供了网络实现。常见的环境变量设置如下:
  • CNI_COMMAND:调用指定CNI动作,ADD表示增加网卡,DEL表示释放网卡
  • CNI_CONTAINERID:容器ID
  • CNI_NETNS:容器网络命名空间文件位置
  • CNI_ARGS:额外传递的参数
  • CNI_IFNAME:设置的容器网卡名称,如eth0


正因如此,CNI规范实现起来非常容易扩展,除了CNI自带的Bridge、Macvlan等基本实现以外,还有大量的第三方实现可供选择,包括Calico、Romana、Flannel等常用实现。同时CNI支持多种容器运行时,包括Docker、rkt、Mesos、Hyper等容器引擎都可以使用。这也是Kubernetes选择使用CNI的一大重要原因。

相对的,Docker提出的CNM(Cotainer Network Model)模型实现就比较复杂,但更为完善,比较接近传统的网络概念。如下图所示:
cnm.png

Sandbox就是容器的网络命名空间,Endpoint为容器连接到网络中的一张网卡,而网络则是一组相互通信的Endpoint的集合,比较接近Neutron中的网络定义。

在CNM中,docker engine通过HTTP REST API调用网络实现,为容器配置网络。这些API接口涵盖网络管理、容器管理、创建endpoint等十几个接口。同时CNM模型还隐含在docker自身附带的service机制、dns机制等附加约束,因此可以在一定程度上说,CNM模型只是专为docker容器实现的,对别的容器运行时并不友好。

由于上面这些技术上的原因以及一些商业上的原因,Kubernetes最终选择了CNI作为自己的网络接口。

当然,Kubernetes也提供一些取巧的方法,将CNI接口转化为对CNM模型的调用,从而实现两种模型的通用。例如to_docker,这个脚本就将Kubernetes对CNI的调用转换为Docker CNM网络的对应操作,从而实现CNI到CNM的转换。

接下来,给大家介绍下Kubernetes中网络概念和通信原理。

在Kubernetes的网络模型中,约定了三个基本约束:
  1. 所有容器之间都可以无须SNAT即可相互直接以IP通信。
  2. 所有主机与容器之间都可以无须SNAT即可相互直接以IP通信。
  3. 容器看到的自身IP与其他容器看到的容器IP相同。


在满足约束的基础上,Kubernetes不关心具体的网络通信原理,只以三个约束为既定事实,在此基础上,根据Kubernetes自身逻辑处理网络通信,从而避免Kubernetes功能纠结在纷繁复杂的网络实现中。

而在网络概念上,Kubernetes中有两种核心IP:

  • POD IP:有CNI实现提供,Kubernetes不管这个IP是否可达,只负责使用这个IP实现配置iptables、做健康检查等功能。默认情况下,这个IP在Kubernetes集群范围内都是可达的,并且可以进行ping等操作。

  • cluster IP:即服务IP,这个IP在Kubernetes中只是用于实现服务交互通信,本质上只是iptables上的几条DNAT规则。默认情况下,这个IP上只能提供服务端口的访问,且不可ping。


以集群的DNS服务为例,相关的核心iptables如下图所示:
service_iptables.png

这些iptables都是由kube-proxy生成的,而且kube-proxy并不实际负责进行转发,因此即使kube-proxy服务异常,已经产生的iptables依然可以使流量能够正确的在服务IP和POD IP之间流转。其网络流量路径可以参考下图:
pod_flow.png

当访问DNS服务的端口10.254.0.3时,kube-proxy生成的iptables DNAT规则,将流量转发到后端POD IP及对应端口上,将流量按后端POD的IP个数实行随机均等分配。

而kube-proxy可以从kube-apiserver获取服务和POD的状态更新,随时根据其状态更新iptables,从而实现服务的高可用与动态扩展。

在基础的IP通信机制上,Kubernetes还通过Network Policy和Ingress提高网络安全性和响应性能。

Network Policy提供了网络隔离能力,它基于SIG-Network group演进而来,Kubernetes只提供内置的labelSelector和label以及Network Policy API定义,本身并不负责实现如何隔离。在Kubernetes使用的CNI网络实现中,目前只有Calico、Romana、Contiv等少少几个实现了Network Policy集成。一个典型的Network Policy定义如下所示:
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: test-network-policy
namespace: default
spec:
podSelector:
matchLabels:
role: db
ingress:
- from:
 - podSelector:
    matchLabels:
     role: frontend
ports:
 - protocol: tcp
   port: 6379

它指定约束,具有role:db标签的POD只能被具有role:frontend标签的POD访问,除此之外拒绝所有流量。从功能上来讲,Network Policy可以等价于Neutron的安全组。

Ingress是负责对外提供服务的,通过Nginx对外提供一个单独接口,实现集群中的所有服务的对外提供,从而取代使用NodePort暴露每个服务的现有实现。目前,Kubernetes的Ingress提供了Nginx和GCE两种实现,感兴趣的同学可以直接参考官文档,https://github.com/kubernetes/ ... llers

Kubernetes社区中,比较常见的几种网络实现主要是以下两种:

  1. 基于Overlay网络:以Flannel、Weave为代表。Flannel是CoreOS为Kubernetes专门定制实现的Overlay网络方案,也是Kubernetes默认的网络实现。它基于VXLAN或者UDP整个集群的Overlay网络,从而实现容器在集群上的通信,满足Kubernetes网络模型的三大基本约束。由于在通信过程中存在数据包的封包解包等额外损耗,性能较差,但已经基本满足使用。

  2. 以L3路由为基础实现网络:以Calico、Romana为代表。其中,Calico是广泛流传的性能最好的Kubernetes网络实现,基于纯三层的路由实现网络通信,结合iptables实现的安全控制,可以满足大多数云的性能需求。但是由于它要求主机上必须打开BGP形成路由拓扑,在一些数据中心上可能不会被允许。同时,Calico还比较早地支持了Network Policy,并且可以将Calico自身的数据直接托管在Kubernetes中,从而实现与Kubernetes的深度集成。


从上面这些网络实现来看,目前Kubernetes的网络实现都还谈不上是比较成熟的SDN,因此我们公司在考察Kubernetes后,决定基于Neutron,为Kubernetes提供一个可用的SDN实现,这就是Skynet项目的由来。

下面我来跟大家分享下,Skynet在实践过程中的一些经验。

在实践中,首先要解决的就是Kubernetes中的网络概念,怎么翻译到Neutron中,才能比较合适地实现功能。

在第一个版本中,Kubernetes网络中概念翻译对应如下表所示:
  • POD ----> 虚拟机
  • Service -------> loadbalancer
  • Endpoints -------> pool
  • Service后端POD ----> member


但是,由于Kubernetes中支持同一服务上设置多个服务端口,而Neutron的每个Load Balancer仅支持一个对外端口。好在,去年OpenStack的Mitaka版本后,Neutron LBaaS V2正式发布,因此有了第二个版本的概念翻译。

POD ----> 虚拟机
Service -----> lbaasv2 loadbalancer
Service port ----->lbaasv2 listener
Endpoints -----> lbaasv2 pool
Service后端POD ------>lbaasv2 member
POD livenessProbe ----->health monitor

LBaaS V2的基本术语图解如下所示:
neutron_lbaasv2.png

  • Load Balancer:负载均衡器,对应一个HAProxy进程,占据一个子网IP。可以逻辑上映射为Kubernetes中的Service。
  • Listener:监听器,表示负载均衡器本身提供的一个前端监听端口。对应service定义中的ports中port。
  • pool:监听器后端的成员集合记录。
  • member:监听器后端的成员。对应service使用的Endpoints的addresses列表,每个地址可以对应service声明中的targetPort的映射。
  • health monitor:pool中的成员健康检查器,类似Kubernetes中的livenessProbe,目前不映射。


就资源数量的映射来说:Kubernetes的一个service,对应一个Load Balancer。service中的每个port对应监听这个Load Balancer的一个Listener。每个Listener后端都对接一个pool包含其后端资源。而Kubernetes中的每个Service都有一个对应的Endpoints来包含其后端POD。Endpoints中的每个IP+Service声明port的targetPort就对应pool中的一个member。

初步完成了概念的映射后,我们简单介绍下开发中的思路。

在整体结构上,Skynet居于Kubernetes和Neutron之间,实现了CNI规范,基于Neutron为容器配置网络。service-watcher负责监听Kubernetes的资源,对服务等概念翻译为Neutron实现,从而实现完整的网络功能。如下所示:
skynet_arch.png

kubelet是创建POD的直接操作者,在为POD设置网络时,通过CNI接口规范,调用Skynet实现。Skynet通过调用Neutron为容器分配IP,并通过在POD容器网络命令空间中操作,实现IP、路由等通信规则的设置。

而Neutron原生的DHCP、LBaaS v2等机制可以基本保持不变。从而实现完整的集成,可以使Kubernetes集群获得完整的Neutron SDN功能。而当容器内需要进行DNS时,则可以通过Neutron自带的DHCP Agent负责实现解析,在集群网络中正常工作。

如前文所述,Skynet实现了CNI规范,kubelet与Skynet之间的交互过程如下所示:
skynet.png

简要介绍下每个步骤:

kubelet通过CNI机制调用skynet,主要传递的参数如下:
  • CNI_COMMAND:调用指定CNI动作,ADD表示增加网卡,DEL表示释放网卡
  • CNI_CONTAINERID:容器ID
  • CNI_NETNS:容器网络命名空间文件位置
  • CNI_ARGS:额外传递的参数
  • CNI_IFNAME:设置的容器网卡名称,如eth0


执行ADD操作时,Skynet根据传入的参数和POD的配置,通过neutron-server为POD创建port。

执行ADD操作时,Skynet根据port和网络配置,为容器创建网络设备,并挂载到容器命名空间中。

neutron-linuxbridge-agent,根据容器的网络和安全组规则生成iptables。从而利用Neutron原生的安全组功能,同时也可以直接利用Neutron的一整套SDN实现,包括vRouter、FWaaS、VPNaaS等服务。

service-watcher将Kubernetes服务映射为Neutron LBaaS v2实现后,以VLAN网络为例,POD与服务之间的流量通信过程如下图:
vlan.png

当集群内容器访问服务时,Kubernetes默认都是通过服务名称访问,服务名通过Neutron的DHCP机制,可以由每个网络的Dnsmasq进程负责解析,获得service对应负载均衡的IP地址后,即可用于网络通信,由物理交换机负责流量的中转。

在实际实现中,以Kubernetes中一个服务的定义映射到Neutron的loadbalancer为例演示下。

例如对下面的service实现:
kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
name: neutron-service
namespace: default
labels:
app: neutron-service
annotations:
skynet/subnet_id: a980172e-638d-474a-89a2-52b967803d6c
spec:
ports:
- name: port1
protocol: TCP
port: 8888
targetPort: 8000
- name: port2
protocol: TCP
port: 9999
targetPort: 9000
selector:
app: neutron-service
type: NodePort

kind: Endpoints
apiVersion: v1
metadata:
name: neutron-service
namespace: default
labels:
app: neutron-service
subsets:
- addresses:
- ip: 192.168.119.187
targetRef:
  kind: Pod
  namespace: default
  name: neutron-service-puds0
  uid: eede8e24-85f5-11e6-ab34-000c29fad731
  resourceVersion: '2381789'
- ip: 192.168.119.188
targetRef:
  kind: Pod
  namespace: default
  name: neutron-service-u9nnw
  uid: eede9b70-85f5-11e6-ab34-000c29fad731
  resourceVersion: '2381787'
ports:
- name: port1
port: 8000
protocol: TCP
- name: port2
port: 9000
protocol: TCP

POD和Service通过特定注解来指定使用的Neutron网络、IP等配置,与Kubernetes尽量解耦。

上面的Service映射成Load Balancer后,其定义如下所示:
{
"statuses": {
"loadbalancer": {
  "name": "neutron-service",
  "provisioning_status": "ACTIVE",
  "listeners": [
    {
      "name": "neutron-service-8888",
      "provisioning_status": "ACTIVE",
      "pools": [
        {
          "name": "neutron-service-8888",
          "provisioning_status": "ACTIVE",
          "healthmonitor": {},
          "members": [
            {
              "name": "",
              "provisioning_status": "ACTIVE",
              "address": "192.168.119.188",
              "protocol_port": 8000,
              "id": "461a0856-5c97-417e-94b4-c3486d8e2160",
              "operating_status": "ONLINE"
            },
            {
              "name": "",
              "provisioning_status": "ACTIVE",
              "address": "192.168.119.187",
              "protocol_port": 8000,
              "id": "1d1b3da6-b1a1-485b-a25a-243e904fcedb",
              "operating_status": "ONLINE"
            }
          ],
          "id": "95f42465-0cab-477e-a7de-008621235d52",
          "operating_status": "ONLINE"
        }
      ],
      "l7policies": [],
      "id": "6cf0c3dd-3aec-4b35-b2a5-3c0a314834e8",
      "operating_status": "ONLINE"
    },
    {
      "name": "neutron-service-9999",
      "provisioning_status": "ACTIVE",
      "pools": [
        {
          "name": "neutron-service-9999",
          "provisioning_status": "ACTIVE",
          "healthmonitor": {},
          "members": [
            {
              "name": "",
              "provisioning_status": "ACTIVE",
              "address": "192.168.119.188",
              "protocol_port": 9000,
              "id": "2faa9f42-2734-416a-a6b2-ed922d01ca50",
              "operating_status": "ONLINE"
            },
            {
              "name": "",
              "provisioning_status": "ACTIVE",
              "address": "192.168.119.187",
              "protocol_port": 9000,
              "id": "81f777b1-d999-48b0-be79-6dbdedca5e97",
              "operating_status": "ONLINE"
            }
          ],
          "id": "476952ac-64a8-4594-8972-699e87ae5b9b",
          "operating_status": "ONLINE"
        }
      ],
      "l7policies": [],
      "id": "c6506b43-2453-4f04-ba87-f5ba4ee19b17",
      "operating_status": "ONLINE"
    }
  ],
  "pools": [
    {
      "name": "neutron-service-8888",
      "provisioning_status": "ACTIVE",
      "healthmonitor": {},
      "members": [
        {
          "name": "",
          "provisioning_status": "ACTIVE",
          "address": "192.168.119.188",
          "protocol_port": 8000,
          "id": "461a0856-5c97-417e-94b4-c3486d8e2160",
          "operating_status": "ONLINE"
        },
        {
          "name": "",
          "provisioning_status": "ACTIVE",
          "address": "192.168.119.187",
          "protocol_port": 8000,
          "id": "1d1b3da6-b1a1-485b-a25a-243e904fcedb",
          "operating_status": "ONLINE"
        }
      ],
      "id": "95f42465-0cab-477e-a7de-008621235d52",
      "operating_status": "ONLINE"
    },
    {
      "name": "neutron-service-9999",
      "provisioning_status": "ACTIVE",
      "healthmonitor": {},
      "members": [
        {
          "name": "",
          "provisioning_status": "ACTIVE",
          "address": "192.168.119.188",
          "protocol_port": 9000,
          "id": "2faa9f42-2734-416a-a6b2-ed922d01ca50",
          "operating_status": "ONLINE"
        },
        {
          "name": "",
          "provisioning_status": "ACTIVE",
          "address": "192.168.119.187",
          "protocol_port": 9000,
          "id": "81f777b1-d999-48b0-be79-6dbdedca5e97",
          "operating_status": "ONLINE"
        }
      ],
      "id": "476952ac-64a8-4594-8972-699e87ae5b9b",
      "operating_status": "ONLINE"
    }
  ],
  "id": "31b61658-4708-4a48-a3c4-0d61a127cd09",
  "operating_status": "ONLINE"
}
}
}  

其对应的HAProxy进程配置如下所示:
# Configuration for neutron-service
global
daemon
user nobody
group nogroup
log /dev/log local0
log /dev/log local1 notice
stats socket /var/lib/neutron/lbaas/v2/31b61658-4708-4a48-a3c4-0d61a127cd09/haproxy_stats.sock mode 0666 level user

defaults
log global
retries 3
option redispatch
timeout connect 5000
timeout client 50000
timeout server 50000

frontend 6cf0c3dd-3aec-4b35-b2a5-3c0a314834e8
option tcplog
bind 192.168.119.178:8888
mode tcp
default_backend 95f42465-0cab-477e-a7de-008621235d52

frontend c6506b43-2453-4f04-ba87-f5ba4ee19b17
option tcplog
bind 192.168.119.178:9999
mode tcp
default_backend 476952ac-64a8-4594-8972-699e87ae5b9b

backend 476952ac-64a8-4594-8972-699e87ae5b9b
mode tcp
balance roundrobin
server 81f777b1-d999-48b0-be79-6dbdedca5e97 192.168.119.187:9000 weight 1
server 2faa9f42-2734-416a-a6b2-ed922d01ca50 192.168.119.188:9000 weight 1

backend 95f42465-0cab-477e-a7de-008621235d52
mode tcp
balance roundrobin
server 1d1b3da6-b1a1-485b-a25a-243e904fcedb 192.168.119.187:8000 weight 1
server 461a0856-5c97-417e-94b4-c3486d8e2160 192.168.119.188:8000 weight 1

综上所述,通过基于Neutron的Skynet,我们为Kubernetes初步实现了SDN的功能,同时提供了如下网络功能增强:
  1. POD的IP、Mac、主机名等网络配置的保持;
  2. 基于Neutron安全组,实现了POD之间的网络隔离功能,更加通用;
  3. 支持通过HAProxy直接对外提供服务,性能上会比原生的iptables好很多。


当然,目前有一些Kubernetes特性在Skynet网络方案中还不支持,需要在后面进行增强或实现:
  1. Headless services这一类没有集群IP的Service无法处理。
  2. 由于neutron-server与neutron-plugin之间的消息都是通过RabbitMQ进行,不是特别适合容器环境下网络快速变更的现状,会是整个方案的一大瓶颈。


Q&A

Q:请问Skynet用到的neutron-linux-agent需要部署到所有kubelet节点上吗?另外有没有开源的demo版本学习下呢?

A:需要部署,这个Agent不只是安全组,对VXLAN类型的网络,它还可以编写FDB规则实现VXLAN网络。代码开源正在筹划中,再测试一波,就会发布。
Q:感谢分享,请问你们有没有在在一个虚机内的pod需要挂到不同网络的场景?如果有的话,pod之间跨二层网络的互通你们是怎么做到的?

A:目前来看,单个POD挂接到不同网络里的场景还比较少,但逻辑上来说,跟设置单网络的方式区别不大,只是默认路由走哪张网卡的问题值得商榷。POD之间跨二层网络互通可以通过物理交换机配置两个VLAN互通或者直接通过Neutron的vRouter做网关。
Q:还有个问题,当一个Docker物理机down了,上面的容器会自动迁移到另一个节点还是Kubernetes自动启动相关的容器!能否实现特定容器在不同的Kubernetes节点上自动迁移而且保持ip不变!

A:除非POD指定的调度需求无法满足,Kubernetes会自动尝试迁移POD到其他主机上启动。POD IP的保持还支持通过注解的方式设置POD的IP,当然需要限制RC的副本数只能是1或者运行的是单POD,否则会出现IP冲突。
Q:容器的port支持Neutron的一些QoS特性吗?例如限速。

A:据我对OpenStack的调研,Neutron的网络限速使用的是tc规则定义的,在使用Linux bridge+VLAN网络的情况下,Skynet可以保证POD的网络配置与VM的配置一致,从而使QoS规则能够正常运作,实现限速。其他特性暂时还没有研究过,后期会继续调研。
Q:Skynet目前支持Overlay的网络吗?如何解决内网和外部网络相互访问呢?

A:目前Skynet支持使用Neutron的VXLAN网络实现Overlay,结合Neutron vRouter的外网网关功能,通过设置路由为vRouter的外网网关,使内外网能够互通。
Q:请问Veth设备另一端连接的是什么设备?

A:Veth pair是Linux网络的基础技术,Veth总是成对出现的,所以Veth的另一端还是一个Veth,可以连接到bridge上或者直接暴露在主机上。
Q:目前OpenStack社区也有一个类似的项目Kuryr,你能简单介绍下你们的方案和Kuryr的差异吗?

A:Kuryr是社区项目,考虑的不像我们Skynet这么简单,可以短平快地以实现功能为首要目标,而Kuryr需要考虑的就比较多,需要同时支持Docker的CNM和Kubernetes的CNI。我们的Skynet从去年11月份开始调研实现,当时Kuryr的Kubernetes支持还只是个空壳子。现在,根据Kuryr在的BP,我们的实现思路差别不大,只是Kuryr更多的考虑了租户对接等等问题。
Q:pod的IP保持是怎么做到的能详细介绍一下吗?如果pod名字发生变化了,可以保持吗?

A:如前面两个类似问题,POD的IP保持通过两种方式:如果POD名称不变(比如StatefulSet中的POD),则对应的port就不会变,因此根据port设置的POD IP、MAC、主机名都不会变。如果POD名称变化,在一定的约束下,通过注解保留POD的IP地址信息,强制使POD保持IP不变。
以上内容根据2017年04月18日晚微信群分享内容整理。分享人冯建建,天云软件ECP开发工程师,主要负责ECP容器管理平台的网络、存储等方面的功能实现。熟悉CloudStack、OpenStack等开源IaaS平台软件。最近专注于容器集群管理平台的技术实践,包括Kubernetes、Swarm,对它们的网络实现、存储实现都有比较深入的了解。 DockOne每周都会组织定向的技术分享,欢迎感兴趣的同学加微信:liyingjiesz,进群参与,您有想听的话题或者想分享的话题都可以给我们留言。

0 个评论

要回复文章请先登录注册