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1、VXLAN 簡介 

VXLAN (Virtual Extensible LAN)是一種網(wǎng)絡虛擬化技術，它使用一種隧道協(xié)議，將二層以太網(wǎng)幀封裝在四層UDP報文中，通過三層網(wǎng)絡傳輸，組成一個虛擬的二層網(wǎng)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(fā)送端，源VTEP將原始報文封裝成VXLAN報文，通過UDP發(fā)送到對端VTEP。

    在接收端，VTEP將解開VXLAN報文，將原始的2層數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給目的的接收方。

VTEP可以是獨立的網(wǎng)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(wǎng)絡模型如下圖：

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

2、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(jié)點分配一個24位子網(wǎng)，并在每個節(jié)點上創(chuàng)建兩張?zhí)摍C網(wǎng)卡：cni0 和 flannel.1 。cni0 是一個網(wǎng)橋設備，類似于 docker0 ，節(jié)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(xiàn)對VXLAN報文的封包解包。

從內(nèi)核3.7版本開始，Linux就開始支持VXLAN，到3.12版本，支持已經(jīng)完備。

節(jié)點內(nèi)通信

顯然，節(jié)點內(nèi)的容器間通信通過 cni0 網(wǎng)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(wǎng)為10.244.0.1/24， PodA 10.244.0.20 和 PodB 10.224.0.21通過 cni0 網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)互通。

跨節(jié)點通信

下面重點分析一下跨節(jié)點的容器通信過程。假設有兩個節(jié)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(fā)送端：在PodA中發(fā)起 ping 10.244.1.21 ，ICMP 報文經(jīng)過 cni0 網(wǎng)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(fā)送端，flannel.1 將原始L2報文封裝成VXLAN UDP報文，然后從 eth0 發(fā)送。
•  接收端：Node2收到UDP報文，發(fā)現(xiàn)是一個VXLAN類型報文，交由 flannel.1 進行解包。根據(jù)解包后得到的原始報文中的目的IP，將原始報文經(jīng)由 cni0 網(wǎng)橋發(fā)送給PodB。

哪些IP要交由 flannel.1 處理

flanneld 從 etcd 中可以獲取所有節(jié)點的子網(wǎng)情況，以此為依據(jù)為各節(jié)點配置路由，將屬于非本節(jié)點的子網(wǎng)IP都路由到 flannel.1 處理，本節(jié)點的子網(wǎng)路由到 cni0 網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)為10.224.1.0/24，Node2的PodID都交由flannel.1處理 
... 

如果節(jié)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(wǎng)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(nèi)層源/目的IP地址
•  內(nèi)層源/目的MAC地址

內(nèi)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(nèi)層源/目的MAC地址要結合路由表和ARP表來獲取。根據(jù)路由表①得知：

•  下一跳地址是10.224.1.0，關聯(lián)ARP表②，得到下一跳的MAC地址，也就是目的MAC地址：Node2_flannel.1_MAC；
•  報文要從 flannel.1 虛擬網(wǎng)卡發(fā)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并不是通過ARP學習得到的，而是 flanneld 預先為每個節(jié)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  

有了上面的信息， flannel.1 就可以構造出內(nèi)層的2層以太網(wǎng)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(jié)點上預設并負責維護的。

FDB表（Forwarding database）用于保存二層設備中MAC地址和端口的關聯(lián)關系，就像交換機中的MAC地址表一樣。在二層設備轉(zhuǎn)發(fā)二層以太網(wǎng)幀時，根據(jù)FDB表項來找到對應的端口。例如cni0網(wǎng)橋上連接了很多veth pair網(wǎng)卡，當網(wǎng)橋要將以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)給Pod時，F(xiàn)DB表根據(jù)Pod網(wǎng)卡的MAC地址查詢FDB表，就能找到其對應的veth網(wǎng)卡，從而實現(xiàn)聯(lián)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 

源IP地址信息來自于 flannel.1 網(wǎng)卡設置本身，根據(jù) 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 

至此， flannel.1 已經(jīng)得到了所有完成VXLAN封包所需的信息，最終通過 eth0 發(fā)送一個VXLAN UDP報文：

Flannel的VXLAN模式通過靜態(tài)配置路由表，ARP表和FDB表的信息，結合VXLAN虛擬網(wǎng)卡 flannel.1 ，實現(xiàn)了一個所有Pod同屬一個大二層網(wǎng)絡的VXLAN網(wǎng)絡模型。

3、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臺使用橋接模式的虛機，也就是說它們在一個二層網(wǎng)絡中。在二層網(wǎng)絡互通的情況下，直接配置節(jié)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  
      }  
    }  
 ... 

host-gw模式下的通信過程如下圖所示：

在host-gw模式下，由于不涉及VXLAN的封包解包，不再需要flannel.1虛機網(wǎng)卡。flanneld 負責為各節(jié)點設置路由 ，將對應節(jié)點Pod子網(wǎng)的下一跳地址指向?qū)墓?jié)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(wǎng)的下一跳地址指向Node2的public ip。  
... 

由于沒有封包解包帶來的消耗，host-gw是性能最好的。不過一般在云環(huán)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。