第一次采用kube-up.sh脚本方式安装的Kubernetes cluster目前运行良好，master node上的组件状态也始终是“没毛病”：

# kubectl get cs
NAME                 STATUS    MESSAGE              ERROR
controller-manager   Healthy   ok
scheduler            Healthy   ok
etcd-0               Healthy   {"health": "true"}

不过在第二次尝试用kubeadm安装和初始化Kubernetes cluster时遇到的各种网络问题还是让我“心有余悸”。于是趁上个周末，对Kubernetes的网络原理进行了一些针对性的学习。这里把对Kubernetes网络的理解记录一下和大家一起分享。

Kubernetes支持Flannel、Calico、Weave network等多种cni网络Drivers，但由于学习过程使用的是第一个cluster的Flannel网络，这里的网络原理只针对k8s+Flannel网络。

一、环境+提示

凡涉及到Docker、Kubernetes这类正在active dev的开源项目的文章，我都不得不提一嘴，那就是随着K8s以及flannel的演化，本文中的一些说法可能不再正确。提醒大家：阅读此类技术文章务必结合“环境”。

这里我们使用的环境就是我第一次建立k8s cluster的环境：

# kube-apiserver --version
Kubernetes v1.3.7

# /opt/bin/flanneld -version
0.5.5

# /opt/bin/etcd -version
etcd Version: 3.0.12
Git SHA: 2d1e2e8
Go Version: go1.6.3
Go OS/Arch: linux/amd64

另外整个集群搭建在阿里云上，每个ECS上的OS及kernel版本：Ubuntu 14.04.4 LTS，3.19.0-70-generic。

在我的测试环境，有两个node：master node和一个minion node。master node参与workload的调度。所以你基本可以认为有两个minion node即可。

二、Kubernetes Cluster中的几个“网络”

之前的k8s cluster采用的是默认安装，即直接使用了配置脚本中(kubernetes/cluster/ubuntu/config-default.sh)自带的一些参数，比如：

//摘自kubernetes/cluster/ubuntu/config-default.sh

export nodes=${nodes:-"root@master_node_ip root@minion_node_ip"}
export SERVICE_CLUSTER_IP_RANGE=${SERVICE_CLUSTER_IP_RANGE:-192.168.3.0/24}
export FLANNEL_NET=${FLANNEL_NET:-172.16.0.0/16}

从这里我们能够识别出三个“网络”：

• node network：承载kubernetes集群中各个“物理”Node(master和minion)通信的网络；
• service network：由kubernetes集群中的Services所组成的“网络”；
• flannel network： 即Pod网络，集群中承载各个Pod相互通信的网络。

node network自不必多说，node间通过你的本地局域网（无论是物理的还是虚拟的）通信。

service network比较特殊，每个新创建的service会被分配一个service IP，在当前集群中，这个IP的分配范围是192.168.3.0/24。不过这个IP并不“真实”，更像一个“占位符”并且只有入口流量，所谓的“network”也是“名不符实”的，后续我们会详尽说明。

flannel network是我们要理解的重点，cluster中各个Pod要实现相互通信，必须走这个网络，无论是在同一node上的Pod还是跨node的Pod。我们的cluster中，flannel net的分配范围是：172.16.0.0/16。

在进一步挖掘“原理”之前，我们先来直观认知一下service network和flannel network：

Service network(看cluster-ip一列)：

# kubectl get services
NAME           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)     AGE
index-api      192.168.3.168   <none>        30080/TCP   18d
kubernetes     192.168.3.1     <none>        443/TCP     94d
my-nginx       192.168.3.179   <nodes>       80/TCP      90d
nginx-kit      192.168.3.196   <nodes>       80/TCP      12d
rbd-rest-api   192.168.3.22    <none>        8080/TCP    60d

Flannel network（看IP那列）:

# kubectl get pod -o wide
NAME                           READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP            NODE
my-nginx-2395715568-gpljv      1/1       Running   6          91d       172.16.99.3   {master node ip}
nginx-kit-3872865736-rc8hr     2/2       Running   0          12d       172.16.57.7   {minion node ip}
... ...

三、平坦的Flannel网络

1、Kubenetes安装后的网络状态

首先让我们来看看：kube-up.sh在安装k8s集群时对各个K8s Node都动了什么手脚！

a) 修改docker default配置

在ubuntu 14.04下，docker的配置都在/etc/default/docker文件中。如果你曾经修改过该文件，那么kube-up.sh脚本方式安装完kubernetes后，你会发现/etc/default/docker已经变样了，只剩下了一行：

master node:
DOCKER_OPTS=" -H tcp://127.0.0.1:4243 -H unix:///var/run/docker.sock --bip=172.16.99.1/24 --mtu=1450"

minion node:
DOCKER_OPTS=" -H tcp://127.0.0.1:4243 -H unix:///var/run/docker.sock --bip=172.16.57.1/24 --mtu=1450"

可以看出kube-up.sh修改了Docker daemon的–bip选项，使得该node上docker daemon在该node的fannel subnet范围以内为启动的Docker container分配IP地址。

b) 在etcd中初始化flannel网络数据

多个node上的Flanneld依赖一个etcd cluster来做集中配置服务，etcd保证了所有node上flanned所看到的配置是一致的。同时每个node上的flanned监听etcd上的数据变化，实时感知集群中node的变化。

我们可以通过etcdctl查询到这些配置数据：

master node:

//flannel network配置
# etcdctl --endpoints http://127.0.0.1:{etcd listen port} get  /coreos.com/network/config
{"Network":"172.16.0.0/16", "Backend": {"Type": "vxlan"}}

# etcdctl --endpoints http://127.0.0.1:{etcd listen port} ls  /coreos.com/network/subnets
/coreos.com/network/subnets/172.16.99.0-24
/coreos.com/network/subnets/172.16.57.0-24

//某一node上的flanne subnet和vtep配置
# etcdctl --endpoints http://127.0.0.1:{etcd listen port} get  /coreos.com/network/subnets/172.16.99.0-24
{"PublicIP":"{master node ip}","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"b6:bf:4c:81:cf:3b"}}

minion node:
# etcdctl --endpoints http://127.0.0.1:{etcd listen port} get  /coreos.com/network/subnets/172.16.57.0-24
{"PublicIP":"{minion node ip}","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"d6:51:2e:80:5c:69"}}

或用etcd 提供的rest api：

# curl -L http://127.0.0.1:{etcd listen port}/v2/keys/coreos.com/network/config
{"action":"get","node":{"key":"/coreos.com/network/config","value":"{\"Network\":\"172.16.0.0/16\", \"Backend\": {\"Type\": \"vxlan\"}}","modifiedIndex":5,"createdIndex":5}}

c) 启动flanneld

kube-up.sh在每个Kubernetes node上启动了一个flanneld的程序：

# ps -ef|grep flanneld

master node:
root      1151     1  0  2016 ?        00:02:34 /opt/bin/flanneld --etcd-endpoints=http://127.0.0.1:{etcd listen port} --ip-masq --iface={master node ip}

minion node:
root     11940     1  0  2016 ?        00:07:05 /opt/bin/flanneld --etcd-endpoints=http://{master node ip}:{etcd listen port} --ip-masq --iface={minion node ip}

一旦flanneld启动，它将从etcd中读取配置，并请求获取一个subnet lease(租约)，有效期目前是24hrs，并且监视etcd的数据更新。flanneld一旦获取subnet租约、配置完backend，它会将一些信息写入/run/flannel/subnet.env文件。

master node：
# cat /run/flannel/subnet.env
FLANNEL_NETWORK=172.16.0.0/16
FLANNEL_SUBNET=172.16.99.1/24
FLANNEL_MTU=1450
FLANNEL_IPMASQ=true

minion node:
# cat /run/flannel/subnet.env
FLANNEL_NETWORK=172.16.0.0/16
FLANNEL_SUBNET=172.16.57.1/24
FLANNEL_MTU=1450
FLANNEL_IPMASQ=true

当然flanneld的最大意义在于根据etcd中存储的全cluster的subnet信息，跨node传输flannel network中的数据包，这个后面会详细说明。

d) 创建flannel.1 网络设备、更新路由信息

各个node上的网络设备列表新增一个名为flannel.1的类型为vxlan的网络设备：

master node:

# ip -d link show
4: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/ether b6:bf:4c:81:cf:3b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    vxlan id 1 local {master node local ip} dev eth0 port 0 0 nolearning ageing 300

minion node:

349: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/ether d6:51:2e:80:5c:69 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    vxlan id 1 local  {minion node local ip} dev eth0 port 0 0 nolearning ageing 300

从flannel.1的设备信息来看，它似乎与eth0存在着某种bind关系。这是在其他bridge、veth设备描述信息中所没有的。

flannel.1设备的ip：

master node:

flannel.1 Link encap:Ethernet  HWaddr b6:bf:4c:81:cf:3b
          inet addr:172.16.99.0  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.0.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1450  Metric:1
          RX packets:5993274 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:5829044 errors:0 dropped:292 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:1689890445 (1.6 GB)  TX bytes:1144725704 (1.1 GB)

minion node:

flannel.1 Link encap:Ethernet  HWaddr d6:51:2e:80:5c:69
          inet addr:172.16.57.0  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.0.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1450  Metric:1
          RX packets:6294640 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:5755599 errors:0 dropped:25 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:989362527 (989.3 MB)  TX bytes:1861492847 (1.8 GB)

可以看到两个node上的flannel.1的ip与k8s cluster为两个node上分配subnet的ip范围是对应的。

下面是两个node上的当前路由表：

master node:

# ip route
... ...
172.16.0.0/16 dev flannel.1  proto kernel  scope link  src 172.16.99.0
172.16.99.0/24 dev docker0  proto kernel  scope link  src 172.16.99.1
... ...

minion node:

# ip route
... ...
172.16.0.0/16 dev flannel.1
172.16.57.0/24 dev docker0  proto kernel  scope link  src 172.16.57.1
... ...

以上信息将为后续数据包传输分析打下基础。

e) 平坦的flannel network

从以上kubernetes和flannel network安装之后获得的网络信息，我们能看出flannel network是一个flat network。在flannel：172.16.0.0/16这个大网下，每个kubernetes node从中分配一个子网片段(/24)：

master node：
  --bip=172.16.99.1/24

minion node：
  --bip=172.16.57.1/24

root@node1:~# etcdctl --endpoints http://127.0.0.1:{etcd listen port} ls  /coreos.com/network/subnets
/coreos.com/network/subnets/172.16.99.0-24
/coreos.com/network/subnets/172.16.57.0-24

用一张图来诠释可能更为直观：

这个是不是有些像x86-64的虚拟内存寻址空间啊（同样是平坦内存地址访问模型）！

在平坦的flannel network中，每个pod都会被分配唯一的ip地址，且每个k8s node的subnet各不重叠，没有交集。不过这样的subnet分配模型也有一定弊端，那就是可能存在ip浪费：一个node上有200多个flannel ip地址(xxx.xxx.xxx.xxx/24)，如果仅仅启动了几个Pod，那么其余ip就处于闲置状态。

2、Flannel网络通信原理

这里我们模仿flannel官方的那幅原理图，画了一幅与我们的实验环境匹配的图，作为后续讨论flannel网络通信流程的基础：

如上图所示，我们来看看从pod1：172.16.99.8发出的数据包是如何到达pod3：172.16.57.15的（比如：在pod1的某个container中ping -c 3 172.16.57.15）。

a) 从Pod出发

由于k8s更改了docker的DOCKER_OPTS，显式指定了–bip，这个值与分配给该node上的subnet的范围是一致的。这样一来，docker引擎每次创建一个Docker container，该container被分配到的ip都在flannel subnet范围内。

当我们在Pod1下的某个容器内执行ping -c 3 172.16.57.15，数据包便开始了它在flannel network中的旅程。

Pod是Kubernetes调度的基本unit。Pod内的多个container共享一个network namespace。kubernetes在创建Pod时，首先先创建pause容器，然后再以pause的network namespace为基础，创建pod内的其他容器（–net=container:xxx），这样Pod内的所有容器便共享一个network namespace，这些容器间的访问直接通过localhost即可。比如Pod下A容器启动了一个服务，监听8080端口，那么同一个Pod下面的另外一个B容器通过访问localhost:8080即可访问到A容器下面的那个服务。

在之前的《理解Docker容器网络之Linux Network Namespace》一文中，我相信我已经讲清楚了单机下Docker容器数据传输的路径。在这个环节中，数据包的传输路径也并无不同。

我们看一下Pod1中某Container内的路由信息：

# docker exec ba75f81455c7 ip route
default via 172.16.99.1 dev eth0
172.16.99.0/24 dev eth0  proto kernel  scope link  src 172.16.99.8

目的地址172.16.57.15并不在直连网络中，因此数据包通过default路由出去。default路由的路由器地址是172.16.99.1，也就是上面的docker0 bridge的IP地址。相当于docker0 bridge以“三层的工作模式”直接接收到来自容器的数据包(而并非从bridge的二层端口接收)。

b) docker0与flannel.1之间的包转发

数据包到达docker0后，docker0的内核栈处理程序发现这个数据包的目的地址是172.16.57.15，并不是真的要送给自己，于是开始为该数据包找下一hop。根据master node上的路由表：

master node：

# ip route
... ...
172.16.0.0/16 dev flannel.1  proto kernel  scope link  src 172.16.99.0
172.16.99.0/24 dev docker0  proto kernel  scope link  src 172.16.99.1
... ...

我们匹配到“172.16.0.0/16”这条路由！这是一条直连路由，数据包被直接送到flannel.1设备上。

c) flannel.1设备以及flanneld的功用

flannel.1是否会重复docker0的套路呢：包不是发给自己，转发数据包？会，也不会。

“会”是指flannel.1肯定要将包转发出去，因为毕竟包不是给自己的（包目的ip是172.16.57.15, vxlan设备ip是172.16.99.0）。
“不会”是指flannel.1不会走寻常套路去转发包，因为它是一个vxlan类型的设备，也称为vtep，virtual tunnel end point。

那么它到底是怎么处理数据包的呢？这里涉及一些Linux内核对vxlan处理的内容，详细内容可参见本文末尾的参考资料。

flannel.1收到数据包后，由于自己不是目的地，也要尝试将数据包重新发送出去。数据包沿着网络协议栈向下流动，在二层时需要封二层以太包，填写目的mac地址，这时一般应该发出arp：”who is 172.16.57.15″。但vxlan设备的特殊性就在于它并没有真正在二层发出这个arp包，因为下面的这个内核参数设置：

master node:

# cat /proc/sys/net/ipv4/neigh/flannel.1/app_solicit
3

而是由linux kernel引发一个”L3 MISS”事件并将arp请求发到用户空间的flanned程序。

flanned程序收到”L3 MISS”内核事件以及arp请求(who is 172.16.57.15)后，并不会向外网发送arp request，而是尝试从etcd查找该地址匹配的子网的vtep信息。在前面章节我们曾经展示过etcd中Flannel network的配置信息：

master node:

# etcdctl --endpoints http://127.0.0.1:{etcd listen port} ls  /coreos.com/network/subnets
/coreos.com/network/subnets/172.16.99.0-24
/coreos.com/network/subnets/172.16.57.0-24

# curl -L http://127.0.0.1:{etcd listen port}/v2/keys/coreos.com/network/subnets/172.16.57.0-24
{"action":"get","node":{"key":"/coreos.com/network/subnets/172.16.57.0-24","value":"{\"PublicIP\":\"{minion node local ip}\",\"BackendType\":\"vxlan\",\"BackendData\":{\"VtepMAC\":\"d6:51:2e:80:5c:69\"}}","expiration":"2017-01-17T09:46:20.607339725Z","ttl":21496,"modifiedIndex":2275460,"createdIndex":2275460}}

flanneld从etcd中找到了答案：

subnet: 172.16.57.0/24
public ip: {minion node local ip}
VtepMAC: d6:51:2e:80:5c:69

我们查看minion node上的信息，发现minion node上的flannel.1 设备mac就是d6:51:2e:80:5c:69：

minion node:

#ip -d link show

349: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/ether d6:51:2e:80:5c:69 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    vxlan id 1 local 10.46.181.146 dev eth0 port 0 0 nolearning ageing 300

接下来，flanned将查询到的信息放入master node host的arp cache表中：

master node:

#ip n |grep 172.16.57.15
172.16.57.15 dev flannel.1 lladdr d6:51:2e:80:5c:69 REACHABLE

flanneld完成这项工作后，linux kernel就可以在arp table中找到 172.16.57.15对应的mac地址并封装二层以太包了。

到目前为止，已经呈现在大家眼前的封包如下图：

不过这个封包还不能在物理网络上传输，因为它实际上只是vxlan tunnel上的packet。

d) kernel的vxlan封包

我们需要将上述的packet从master node传输到minion node，需要将上述packet再次封包。这个任务在backend为vxlan的flannel network中由linux kernel来完成。

flannel.1为vxlan设备，linux kernel可以自动识别，并将上面的packet进行vxlan封包处理。在这个封包过程中，kernel需要知道该数据包究竟发到哪个node上去。kernel需要查看node上的fdb(forwarding database)以获得上面对端vtep设备（已经从arp table中查到其mac地址：d6:51:2e:80:5c:69）所在的node地址。如果fdb中没有这个信息，那么kernel会向用户空间的flanned程序发起”L2 MISS”事件。flanneld收到该事件后，会查询etcd，获取该vtep设备对应的node的”Public IP“，并将信息注册到fdb中。

这样Kernel就可以顺利查询到该信息并封包了：

master node:

# bridge fdb show dev flannel.1|grep d6:51:2e:80:5c:69
d6:51:2e:80:5c:69 dst {minion node local ip} self permanent

由于目标ip是minion node，查找路由表，包应该从master node的eth0发出，这样src ip和src mac地址也就确定了。封好的包示意图如下：

e) kernel的vxlan拆包

minion node上的eth0接收到上述vxlan包，kernel将识别出这是一个vxlan包，于是拆包后将flannel.1 packet转给minion node上的vtep（flannel.1）。minion node上的flannel.1再将这个数据包转到minion node上的docker0，继而由docker0传输到Pod3的某个容器里。

3、Pod内到外部网络

我们在Pod中除了可以与pod network中的其他pod通信外，还可以访问外部网络，比如：

master node:
# docker exec ba75f81455c7 ping -c 3 baidu.com
PING baidu.com (180.149.132.47): 56 data bytes
64 bytes from 180.149.132.47: icmp_seq=0 ttl=54 time=3.586 ms
64 bytes from 180.149.132.47: icmp_seq=1 ttl=54 time=3.752 ms
64 bytes from 180.149.132.47: icmp_seq=2 ttl=54 time=3.722 ms
--- baidu.com ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 3.586/3.687/3.752/0.072 ms

这个通信与vxlan就没有什么关系了，主要是通过docker引擎在iptables的POSTROUTING chain中设置的MASQUERADE规则：

mastre node:

#iptables -t nat -nL
... ...
Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
MASQUERADE  all  --  172.16.99.0/24       0.0.0.0/0
... ...

docker将容器的pod network地址伪装为node ip出去，包回来时再snat回容器的pod network地址，这样网络就通了。

四、”不真实”的Service网络

每当我们在k8s cluster中创建一个service，k8s cluster就会在–service-cluster-ip-range的范围内为service分配一个cluster-ip，比如本文开始时提到的：

# kubectl get services
NAME           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)     AGE
index-api      192.168.3.168   <none>        30080/TCP   18d
kubernetes     192.168.3.1     <none>        443/TCP     94d
my-nginx       192.168.3.179   <nodes>       80/TCP      90d
nginx-kit      192.168.3.196   <nodes>       80/TCP      12d
rbd-rest-api   192.168.3.22    <none>        8080/TCP    60d

这个cluster-ip只是一个虚拟的ip，并不真实绑定某个物理网络设备或虚拟网络设备，仅仅存在于iptables的规则中：

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

# iptables -t nat -nL|grep 192.168.3
Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-SVC-XGLOHA7QRQ3V22RZ  tcp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.182        /* kube-system/kubernetes-dashboard: cluster IP */ tcp dpt:80
KUBE-SVC-NPX46M4PTMTKRN6Y  tcp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.1          /* default/kubernetes:https cluster IP */ tcp dpt:443
KUBE-SVC-AU252PRZZQGOERSG  tcp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.22         /* default/rbd-rest-api: cluster IP */ tcp dpt:8080
KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU  udp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.10         /* kube-system/kube-dns:dns cluster IP */ udp dpt:53
KUBE-SVC-BEPXDJBUHFCSYIC3  tcp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.179        /* default/my-nginx: cluster IP */ tcp dpt:80
KUBE-SVC-UQG6736T32JE3S7H  tcp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.196        /* default/nginx-kit: cluster IP */ tcp dpt:80
KUBE-SVC-ERIFXISQEP7F7OF4  tcp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.10         /* kube-system/kube-dns:dns-tcp cluster IP */ tcp dpt:53
... ...

可以看到在PREROUTING环节，k8s设置了一个target: KUBE-SERVICES。而KUBE-SERVICES下面又设置了许多target，一旦destination和dstport匹配，就会沿着chain进行处理。

比如：当我们在pod网络curl 192.168.3.22 8080时，匹配到下面的KUBE-SVC-AU252PRZZQGOERSG target：

KUBE-SVC-AU252PRZZQGOERSG  tcp  --  0.0.0.0/0            192.168.3.22         /* default/rbd-rest-api: cluster IP */ tcp dpt:8080

沿着target，我们看到”KUBE-SVC-AU252PRZZQGOERSG”对应的内容如下：

Chain KUBE-SVC-AU252PRZZQGOERSG (1 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-SEP-I6L4LR53UYF7FORX  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/rbd-rest-api: */ statistic mode random probability 0.50000000000
KUBE-SEP-LBWOKUH4CUTN7XKH  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/rbd-rest-api: */

Chain KUBE-SEP-I6L4LR53UYF7FORX (1 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-MARK-MASQ  all  --  172.16.99.6          0.0.0.0/0            /* default/rbd-rest-api: */
DNAT       tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/rbd-rest-api: */ tcp to:172.16.99.6:8080

Chain KUBE-SEP-LBWOKUH4CUTN7XKH (1 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-MARK-MASQ  all  --  172.16.99.7          0.0.0.0/0            /* default/rbd-rest-api: */
DNAT       tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/rbd-rest-api: */ tcp to:172.16.99.7:8080

Chain KUBE-MARK-MASQ (17 references)
target     prot opt source               destination
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

请求被按5：5开的比例分发（起到负载均衡的作用）到KUBE-SEP-I6L4LR53UYF7FORX 和KUBE-SEP-LBWOKUH4CUTN7XKH，而这两个chain的处理方式都是一样的，那就是先做mark，然后做dnat，将service ip改为pod network中的Pod IP，进而请求被实际传输到某个service下面的pod中处理了。

五、参考资料

• How VXLAN works on Linux&VTEP implementation with Flannel
• Virtual switching technologies and Linux bridge
• How Flannel’s VXLAN backend works 建议用google翻译将网页从日文翻译成英文再看^0^。
• Software Defined Networking using VXLAN

Nginx已经是互联网IT业界一个无敌的存在，作为反向代理、负载均衡、Web服务器等多种角色的扮演者，Nginx在全球各个互联网公司落地、开花和结果，Ngnix已经成为了支撑全球互联网应用的一个不可获取的组成部分。

在我们的平台中，Nginx同样被拿来作为服务接入的最前端的反向代理，并且我们的Nginx也是作为一个Service跑在我们的Kubernetes集群中的。Ngnix背后的服务众多，服务的生生死死都要在Nginx上这些服务路由的配置中有所体现，这就要求部署在Kubernetes集群中的Nginx需要有一个合理的配置热更新方案。

Nginx自身是支持配置热更新的，通过nginx -s reload命令可以实现这一点：

# sudo nginx -s reload

# sudo tail -100f /var/log/nginx/error.log
2016/11/18 08:21:03 [notice] 31516#31516: signal process started

这也是诸多nginx热更新方案的基础。

随着Docker容器以及容器集群/云的出现，Nginx也被Dockerize了，Docker中Nginx的配置热更新方案在Jason Wilder的这篇文章中有体现，在该方案中，你可以直接使用Jason Wilder开源的Nginx-proxy实现容器中Nginx的配置的热更新。但这个方案并不能直接适用于Kubernetes，而且作者也并没有Plan support k8s。

在Kubernetes集群中部署的Nginx，我其实也找到了一个配置热更新的方案，这是普元的一份技术资料《微服务动态路由实现：OpenResty与kubernetes》中提供的，这个方案通过OpenResty与K8s的结合实现了配置热更新。由于我对OpenResty并不熟悉，并且我个人更希望通过Kubernetes自身的一些Feature来实现这个方案，于是我开始了我自己的探索。

一、需求场景和方案原理

我们要实现的就是：当Kubernetes集群中的Service发生变化时，比如新创建一个Service或删除了一个Service，这些Service在Nginx反向代理中的路由配置需要同步更新并生效。因此，这个过程的场景大致如下：

• 管理员通过命令或程序通过API操作K8s集群创建或删除Service；
• 监听API Server Event的某个程序获取该Event，并从API Server读取最新Service数据，重新生成/etc/nginx/conf.d/default.conf；
• /etc/nginx/conf.d/default.conf文件的变动触发文件变更事件，监听该事件的脚本调用“nginx -s reload”命令实现Nginx的配置热更新。

针对这一需求场景，我这里给出一个实现方案，先上图：

简答说明一下：

• Nginx作为一个Service部署在Kubernetes集群中，可以有多个Pod副本；
• 以一个nginx pod为例，该Pod中包含三个Container，分别是init container、nginx container和config-nginx-generator container；
• 三个Container共同挂载且共享一个Pod volume，emptyDir类型即可，无需持久化的存储卷，三个Container的挂载路径均为/etc/nginx/conf.d；
• Pod启动时，init container首先启动并访问API Server，获取Service列表，按照一定条件过滤后(比如通过label的key和Value值)，初始创建/etc/nginx/conf.d/default.conf。创建成功后，Container退出；
• nginx container启动，加载配置，开始提供反向代理服务，并通过inotify工具监视/etc/nginx/conf.d/default.conf文件状态变化，一般变化，就执行nginx -s reload热加载最新配置。
• config-nginx-generator container同时也启动起来，监听API Server的service变更Event，一旦有Event出现，就重新读取API Server中的Service list，并重新生成一份新的default.conf，覆盖old版本 default.conf。

二、环境

由于Kubernetes和Docker都在Active Develop的过程中，两个项目的变动都很快，因此，特定的Feature（比如k8s的init container）、操作和说明在某些版本是好用的，但对另外一些版本却是不灵光的。这里先把环境确定清楚，避免误导。

OS：
Ubuntu 14.04.4 LTS Kernel：3.19.0-70-generic #78~14.04.1-Ubuntu SMP Fri Sep 23 17:39:18 UTC 2016 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

Docker：
# docker version
Client:
 Version:      1.12.2
 API version:  1.24
 Go version:   go1.6.3
 Git commit:   bb80604
 Built:        Tue Oct 11 17:00:50 2016
 OS/Arch:      linux/amd64

Server:
 Version:      1.12.2
 API version:  1.24
 Go version:   go1.6.3
 Git commit:   bb80604
 Built:        Tue Oct 11 17:00:50 2016
 OS/Arch:      linux/amd64

Kubernetes集群：1.3.7

私有镜像仓库：阿里云镜像仓库

三、实现

1、nginx image的创建

nginx image实现了两个功能，一个自然是nginx自身了，另外一个就是监听/etc/nginx/conf.d/default.conf文件的变化，并适时调用nginx -s reload更新nginx配置。在kubernetes的源码目录kubernetes/examples下有一个例子：https-nginx，这里面已经为我们实现了一个基于auto-reload-nginx.sh的Nginx image Dockerfile，我们稍作改造就可以直接使用了：

//Dockerfile

FROM nginx
MAINTAINER Tony Bai <bigwhite.cn@aliyun.com>

COPY auto-reload-nginx.sh /home/auto-reload-nginx.sh
RUN chmod +x /home/auto-reload-nginx.sh

# install inotify
RUN apt-get update && apt-get install -y inotify-tools

基于该Dockefile构建image：

# docker build -t xxxx/nginx

# docker images
REPOSITORY                                             TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
xxxx/nginx                                            latest              a1503b1c2b70        42 seconds ago      191.9 MB

官方nginx image基于debian jessie版本构建，apt-get update & install时需要耐心等待一下。

打标签并推送到我们的阿里云私有镜像库：

# docker tag a1503b1c2b70 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/xxxx/nginx

# docker images
REPOSITORY                                             TAG                 IMAGE ID            CREATED             SIZE
xxxx/nginx                                            latest              a1503b1c2b70        12 minutes ago      191.9 MB
registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/xxxx/nginx          latest              a1503b1c2b70        12 minutes ago      191.9 MB

# docker push registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/xxxx/nginx

2、编写Pod yaml

由于init container和config-nginx-generator container在真实场景中都是要与Kubernetes的API Server交互，并生成/etc/nginx/conf.d/default.conf，这需要一个实现过程，在这里我们暂不给出两个Container的具体Dockerfile以及实现功能的实际程序，而是用两个通用docker image，并通过“手动”方式实现它们各自的功能。因此，我们在这一节中就可以给出Nginx Pod的yaml描述文件了：

//nginx-reload-on-k8s.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-reload-on-k8s
  annotations:
    pod.beta.kubernetes.io/init-containers: '[
      {
           "name": "nginx-reload-on-k8s-init-1",
           "image": "busybox",
           "command": ["wget", "-O", "/etc/nginx/conf.d/index1.html", "http://www.baidu.com"],
           "volumeMounts": [
               {
                  "name": "conf-volume",
                  "mountPath": "/etc/nginx/conf.d"
               }
           ]
      },
      {
           "name": "nginx-reload-on-k8s-init-2",
           "image": "busybox",
           "command": ["wget", "-O", "/etc/nginx/conf.d/index2.html", "http://dict.cn"],
           "volumeMounts": [
               {
                  "name": "conf-volume",
                  "mountPath": "/etc/nginx/conf.d"
               }
           ]
      }
    ]'
spec:
  containers:
  - name: nginx-config-generator
    volumeMounts:
    - mountPath: /etc/nginx/conf.d
      name: conf-volume
    image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/xxxx/test:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
       - "tail"
       - "-f"
       - "/var/log/bootstrap.log"
  - name: nginx-origin
    volumeMounts:
    - mountPath: /etc/nginx/conf.d
      name: conf-volume
    image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/xxxx/nginx:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command: ["/home/auto-reload-nginx.sh"]
    ports:
    - containerPort: 80
  volumes:
  - name: conf-volume
    emptyDir: {}

Yaml中，我们创建了两个init container，分别用于从baidu.com和dict.cn抓取主页，并存储于/etc/nginx/conf.d的下面备用。nginx-config-generator我们使用image xxxx/test，这就是一个基于ubuntu且安装了诸多网络工具的镜像，用于做目标镜像调试的；nginx container用的就是上面push到私有镜像仓库的那个镜像，command则是执行/home/auto-reload-nginx.sh这个脚本，从而启动nginx和通过inotify监控/etc/nginx/conf.d/default.conf文件。

我们来创建这个Pod(注意：只有用kubectl apply命令时，init container才会被创建和执行，如果用kubectl create -f ，那么将忽略init container)：

# kubectl apply -f nginx-reload-on-k8s.yaml
pod "nginx-reload-on-k8s" created

# kubectl get pod
NAME                           READY     STATUS             RESTARTS   AGE
nginx-reload-on-k8s            2/2       Running            0          41s

通过describe pod/nginx-reload-on-k8s，我们能看到一些Container创建的详细信息：

# kubectl describe pod/nginx-reload-on-k8s
Name:        nginx-reload-on-k8s
Namespace:    default
Node:        10.46.181.146/10.46.181.146
Start Time:    Thu, 17 Nov 2016 21:39:55 +0800
Labels:        <none>
Status:        Running
IP:        172.16.57.9
... ...

Events:
  FirstSeen    LastSeen    Count    From            SubobjectPath                    Type        Reason        Message
  ---------    --------    -----    ----            -------------                    --------    ------        -------
  57s        57s        1    {default-scheduler }                            Normal        Scheduled    Successfully assigned nginx-reload-on-k8s to 10.46.181.146
  39s        39s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.initContainers{nginx-reload-on-k8s-init-1}    Normal        Created        Created container with docker id 0e21afb58eee
  39s        39s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.initContainers{nginx-reload-on-k8s-init-1}    Normal        Started        Started container with docker id 0e21afb58eee
  56s        38s        2    {kubelet 10.46.181.146}    spec.initContainers{nginx-reload-on-k8s-init-1}    Normal        Pulling        pulling image "busybox"
  39s        26s        2    {kubelet 10.46.181.146}    spec.initContainers{nginx-reload-on-k8s-init-1}    Normal        Pulled        Successfully pulled image "busybox"
  26s        26s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.initContainers{nginx-reload-on-k8s-init-2}    Normal        Created        Created container with docker id 85632ff73ea8
  26s        26s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.initContainers{nginx-reload-on-k8s-init-2}    Normal        Started        Started container with docker id 85632ff73ea8
  25s        25s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.containers{nginx-config-generator}        Normal        Pulled        Container image "registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/xxxx/test:latest" already present on machine
  25s        25s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.containers{nginx-config-generator}        Normal        Created        Created container with docker id 1ce8c6d8a8af
  25s        25s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.containers{nginx-config-generator}        Normal        Started        Started container with docker id 1ce8c6d8a8af
  25s        25s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.containers{nginx-origin}            Normal        Pulled        Container image "registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/xxxx/nginx:latest" already present on machine
  25s        25s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.containers{nginx-origin}            Normal        Created        Created container with docker id 0c692ec28acd
  25s        25s        1    {kubelet 10.46.181.146}    spec.containers{nginx-origin}            Normal        Started        Started container with docker id 0c692ec28acd

... ...

可以看到四个container依次被pull and create。

四、测试

现在我们就来测试一下nginx的reload。

之前的两个init container分别在/etc/nginx/conf.d下创建了index1.html和index2.html，我们就用这两个文件分别作为配置变更前和变更后的首页。

注意：这时我们还没有/etc/nginx/conf.d/default.conf文件，我们在Pod内访问localhost:80将会得到失败结果：

# curl localhost:80
curl: (7) Failed to connect to localhost port 80: Connection refused

我们进入nginx-config-generator，创建/etc/nginx/conf.d/default.conf文件，与此同时，通过docker logs -f 监控nginx-origin容器的日志：

//default.conf

server {
    listen       80;
    server_name  localhost;

    #charset koi8-r;
    #access_log  /var/log/nginx/log/host.access.log  main;

    location / {
        root   /etc/nginx/conf.d;
        index  index1.html index1.htm;
    }

    #error_page  404              /404.html;

    # redirect server error pages to the static page /50x.html
    #
    error_page   500 502 503 504  /50x.html;
    location = /50x.html {
        root   /usr/share/nginx/html;
    }
}

我们把/etc/nginx/conf.d/index1.html作为服务站点的首页了。文件创建完毕后，我们同时就可以从nginx-origin容器的日志能看到如下内容：

At 14:07 on 17/11/16, config file update detected.
2016/11/17 14:07:25 [notice] 20#20: signal process started

我们再从Pod中访问localhost:80（注意：Pod中的多个container共享network namespace，通过localhost就可以进行互访）：

root@nginx-reload-on-k8s:/etc/nginx# curl localhost:80
<!DOCTYPE html>
<!--STATUS OK--><html> <head><meta http-equiv=content-type content=text/html;charset=utf-8><meta http-equiv=X-UA-Compatible content=IE=Edge><meta content=always name=referrer><link rel=stylesheet type=text/css href=http://s1.bdstatic.com/r/www/cache/bdorz/baidu.min.css><title>百度一下，你就知道</title></head> .... </html>

我们顺利得到index1.html的内容，这说明配置实时生效了。

我们再来“触发”一次配置变更。我们将default.conf中的：

location / {
        root   /etc/nginx/conf.d;
        index  index1.html index1.htm;
    }

改为：

location / {
        root   /etc/nginx/conf.d;
        index  index2.html index2.htm;
    }

保存！

从nginx-origin容器日志可以看到如下输出：

At 14:17 on 17/11/16, config file update detected.
2016/11/17 14:17:46 [notice] 32#32: signal process started

在Pod中再次访问站点首页：

# curl localhost:80
<!DOCTYPE HTML>
<html>
    <head>
        <meta name="renderer" content="webkit"/>
                <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=EmulateIE7" />
                <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8" />
        <title>海词词典_在线词典_在线翻译_海量正版权威词典官方网站</title>
... ...

可以看到配置更新成功，首页换成了dict.cn的首页。

五、测试

通过上述这些“手动”的触发和测试，可以看出这个方案是可行的。并且我们可以看出，这个方案是有一些好处的：

• 不需要依赖外部持久化存储卷；
• 通过k8s api server获取当前所有 service列表，通过service label来过滤，无需依赖额外的redis server或etcd服务；

剩下的就是具体init container以及config-generator的实现了。这个留给我以及大家后续去完成^_^。