kubernetes flannel代码解析

flannel是coreos贡献给社区的一个kubernetes网络插件。overlay。

1 VXLAN

1.1 VXLAN协议

二层数据中心网络的一个关键特征就是它们的使用虚拟局域网（VLAN）提供广播隔离，从而更好的为多租户提供隔离。但随着租户数量越来越多，VLAN由于上限容量4096，越来越捉襟见肘。

vxlan(Virtual eXtensible Local Area Network)是一种隧道协议，用来解决IEEE 802.1q VLAN ID只能最多4096的限制。VXLAN网络中的子网标识符扩展到了24位(成为VNI，VXLAN Network Identifier)，其最大容量也达到了16777216。

vlan协议在IETF RFC 7348中定义，有多种实现，如linux kernel的vxlan模块，OpenVswitch等。vxlan协议跑在UDP上，UDP连接的端口固定，如linux kernel vxlan的端口号为8472。

跟其他隧道不同，VXLAN并不是一个点到点的网络，而是1 to N。VXLAN设备可以动态的学习IP地址，也可以从静态配置的转发表中学习。

VXLAN的配置管理使用iproute2包，这个工具是和VXLAN一起合入到内核的。

1.2 VXLAN配置

先来看看如何管理VXLAN接口。

1 创建VXLAN接口

ip link add vxlan0 type vxlan id 42 group 239.1.1.1 dev eth1 dstport 4789

这条命令会创建一个叫做vxlan0的新接口，它使用在eth1上的组播组239.1.1.1来通信。初始化时没有转发表。目的端口号是IANA规定的4789。在VXLAN中，一般将vxlan接口叫做VTEP(Vxlan tunnel endpoint)，VXLAN子网的报文，都需要从VTEP出去。

多播组主要用来泛洪学习arp：vxlan子网内广播ARP请求，对应VM响应。但并不是必须的。

如果网络不复杂，可以认为某一Hypervisor上所有的子网IP的MAC，和Hypervisor上的VTEP的MAC一致，可以直接用VTEP MAC封装报文；而VTEP的MAC，可以用bridge命令手工配置。

2 配置错了可以删除vxlan

ip link delete vxlan0

3 查看vxlan的信息

ip -d link show vxlan0

可以用bridge命令查看，删除，查看VXLAN的转发表。

1 创建一条转发表项。MAC即对端VTEP的MAc，地址即对端VTEP的地址

bridge fdb add to 00:17:42:8a:b4:05 dst 192.19.0.2 dev vxlan0

2 删除一条转发表项

bridge fdb delete 00:17:42:8a:b4:05 dev vxlan0

3 查看VXLAN接口的转发表

bridge fdb show dev vxlan0

一个典型的数据中心vxlan网络：

一个典型的vxlan报文：

2 vxlan flannel

flannel的vxlan相对数据中心来说，是比较简单的，因为其在Layer 3上只有1个Vxlan网络，只有1个vxlan接口(flannel.[VNI]，默认为flannel.1)。VTEP的MAC地址不是通过组播学习的，而是通过从apiserver的node接口watch到并静态下发的。

2.1 flannel.1接口是怎么创建的？

一、main.go查找ExtIface(Hypervisor L3出接口，所有vxlan报文都要封装后走ExtIface出去overlay)。flannel的出接口允许用户按以下方式来选择(LookupExtIface)：

• 指定具体接口
• 指定接口的正则表达式来匹配查找
• 啥也不指定，由flannel根据默认网关找出接口

1.5.4版本默认kubeadm不会指定flannel的出接口，所以出接口选的是默认网关的接口。如果机器上网络比较复杂，可能需要手工指定出接口。

二、确定subnet

flannel网络中，以我们的集群为例，整个flannel网络是10.244.0.0/16，每个node都是一个子网(subnet)，如10.244.0.0/24, 10.244.1.0/24。

subnet的网段、长度是怎么确定的呢？k8s创建时会生成net-conf.json，其设置了Network和Backend的信息(configmap kube-flannel-cfg，以volume形式挂到flanneld容器里去)。

# flanneld容器中
cat /etc/kube-flannel/net-conf.json
{
  "Network": "10.244.0.0/16",
  "Backend": {
    "Type": "vxlan"
  }
}

ParseConfig中会确定subnet的配置项：SubnetMin, SubnetMax, SubnetLen, BackendType。如果net-conf.json没有指定Backend，则默认使用udp。我这里使用了vxlan。注意，由于udp方式下，报文是通过tun从内核上送到用户态的flanneld进程，在用户态进程做udp封装、解封装，性能不佳，所以生产环境最好选用vxlan。

三、根据backend类型创建backend，然后调用be.RegisterNetwork函数去初始化flannel接口。步骤如下。

1 创建flannel接口。netlink下内核创建flannel.1接口，需要指定vni，出接口，源地址，目的端口，nolearning(netlink.Vxlan)，并设置app_solicit为3。相当于如下命令：

ip link add $DEVNAME type vxlan id $VNI dev eth0 local $IP dstport $PORT nolearning
echo '3' > /proc/sys/net/ipv4/neigh/$DEVNAME/app_solicit

2 调用kube subnet manager获取租约。ksm会去调用apiserver的node api，查询node的PodCIDR，即该节点的pod overlay网络，如10.244.1.0/24(kubeSubnetManager.AcquireLease, subnet/kube/kube.go:213)

3 如果从apiserver查询node的backend Annotations跟实际node的信息不一致(例如VTEP MAC不同)，则向node打patch，更新Anootations。此更新会被其他node watch到，从而更新其本地的fdb table(下面会提到)。

4 设置flannel.1接口地址，激活接口，并增加网段路由(vxlanDevice.Configure, backend/vxlan/device.go:125)

ip address add $VXSUBNET dev $DEVNAME
ip link set $DEVNAME up
ip route add $SUBNET dev $DEVNAME scope global

一个典型的flannel.1接口信息如下。

ip -d link show flannel.1                       
8: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT 
    link/ether 12:c0:e6:d3:0d:df brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0 
    vxlan id 1 local 192.168.136.31 dev bond0 srcport 0 0 dstport 8472 nolearning ageing 300 addrgenmode eui64 

至此，flannel.1接口配置完毕，接下来就是配置fdb静态表项了。

2.2 fdb 转发数据库

flannel接口配置完毕后，接下来就是在集群中配置fdb表了。要做的其实也就是完成下面这条命令的下发，只是由flannel自动完成，用户不需要手动操作。

bridge fdb add/append $mac-of-vtep-on-node-2 dev $DEVNAME dst $DESTIP

跟数据中心的vxlan不一样，flannel网络中的VTEP的MAC并不是通过组播学习的，而是通过apiserver去做的同步(或者是etcd)。前面在创建flannel.1接口时有提到，各个节点会将自己的VTEP信息上报给apiserver，而apiserver会再同步给各节点上正在watch node api的listener(flanneld)，flanneld拿到了更新消息后，再通过netlink下发到内核，更新fdb表项，从而达到了整个集群的同步。

2.3 newKubeSubnetManager

flanneld会在启动的时候，创建一个针对apiserver node api的informer(newKubeSubnetManager)。

flannel的子网管理器SubnetManager有2种：基于etcd、基于k8s的apiserver。我这里使用的是基于k8s的kubeSubnetManager(subnet/kube/kube.go， 下面简称ksm)，它会去listWatch k8s apiserver的node api，通过ksm.events与backend通信。ksm.events是一个长度为5000的subnet.Event chan，ksm作为生产者，会将从k8s那里watch到的信息封装(nodeToLease，节点信息转为租约信息)后写到ksm.events里去。

ksm.events的消费者是backend。backend/vxlan_network.go在run时，会拉起一个goroutine，调用subnet/watch/WatchLeases()，在这个函数里批量读取ksm.events chan，并将批量事件推入backend的接收chan；backend会在其goroutine中处理这些事件：根据事件中带的nodes信息，如IP，VtepMAC，下发到本机内核fdb table。

subnet/watch/WatchLeases()做了个优化：node比较活跃时，ksm.events里可能会有比较多的events；读取ksm.events的时候，可以一次性读出一组events，并且在处理这些events时，可以将同一SUBNET的lease合并，不过事件的总数不会减少。

第一批事件的处理函数是handleInitialSubnetEvents，进行初始化+事件处理。其获取内核的fdbtable，之后会根据获取的上面WatchLeases丢过来的event，对比fdbtable刷新内核fdb table：删除内核多余的表项，增加内核缺少的表项，保持跟flannel网络一致。这里有个疑问，initial的时候，怎么保证event都是Added的呢？如果是删除的，刷新内核arp table的流程是有问题的。

后续事件的处理函数是handleSubnetEvents，它比较纯粹，根据event.Type是Added还是Removed，修改内核fdb表现 和 flannel维护的routes(后面arp解析时会用到)

fdb更新下发内核相当于调用了如下命令：

bridge fdb add $mac-of-vtep-on-node dev $DEVNAME dst $DESTIP

一个典型的fdb表项如下。

bridge fdb show dev flannel.1
76:bc:c1:37:14:32 dst 192.168.136.35 self permanent
ca:07:82:ff:d1:6a dst 192.168.136.34 self permanent
0e:c4:9f:71:f3:56 dst 192.168.136.32 self permanent
66:73:1c:ea:76:58 dst 192.168.136.33 self permanent

至此，fdb静态表项配置完成，并且可以达到与集群同步更新。

2.4 arp table

fdb完成后，报文转发没问题了，但在L2封装时，还需要对端ip的arp表项。linux ARP解析是这样的：

When there is no forward progress, ARP tries to reprobe. It first
tries to ask a local arp daemon app_solicit times for an updated MAC
address. If that fails and an old MAC address is known, a unicast
probe is sent ucast_solicit times. If that fails too, it will
broadcast a new ARP request to the network. Requests are sent only
when there is data queued for sending.

即：

1. 向用户态arp daemon请求app_solicit次；
2. 如果还有旧的MAC地址记录，单播一下试试；
3. 绝望了，怒而广播之

(说起来好像跟某些事件有点类似)

所以，明白为啥前面创建flannel.1接口时，需要设置app_solicit为3了吗？

在flannel网络中，flanneld会在启动时监听RTM_GETNEIGH(vxlanDevice.MonitorMisses)，flanneld相当于arp daemon；arp请求会在内核中通过netlink发送请求到用户态的flanneld，由flanneld根据该arp请求ip所属网段(该node上所有ip的MAC也就是VTEP的MAC)，查询其记录的routes信息，然后netlink下发内核。

func (nw *network) handleL3Miss(miss *netlink.Neigh) {
    route := nw.routes.findByNetwork(ip.FromIP(miss.IP))
    err := nw.dev.AddL3(neighbor{IP: ip.FromIP(miss.IP), MAC: route.vtepMAC})
}

所以如果你先arp -d x.x.x.x -i flannel.1删掉arp缓存，然后再ping想触发一个arp请求，抓包是抓不到arp报文的。

arp table更新下发内核相当于调用了如下命令：

ip neighbor add/replace $ip-on-node-2 lladdr $mac-of-vtep-on-node-2 dev flannel.1

至此，vxlan的流程就走通了。

3 udp flannel

vxlan要求内核版本3.7+，最好3.9+，所以在一些旧版本的linux上就无法使用基于vxlan的flannel了，只能使用基于udp的flannel。

udp flannel原理与vxlan类似，都是package in udp，只是一个在内核做报文封装，一个在用户态做(通过tun， pkg/ip/tun.go)。可想而知，udp flannel的性能不会太好，所以除非是内核版本太低，一般还是用vxlan flannel性能会比较好。

ref:

• Virtual eXtensible Local Area Networking documentation
• vxlan在Flannel中的Overlay网络的实现
• Difference of VXLAN L3MISS between flannel and docker overlay implementation

---