基于Neutron的Kubernetes SDN实践经验之谈

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：

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：

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：

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/ingress/tree/master/controllers。

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：

• 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：

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：

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：

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。