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手写一个Kubernetes CNI网络插件

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手写一个Kubernetes CNI网络插件CNI(Container Network Interface) 即容器的网络API接口，在Kubernetes中通过CNI来扩展网络功能，今天我们从零开始实现一个自己的CNI网络插件。

CNI(Container Network Interface) 即容器的网络API接口，在Kubernetes中通过CNI来扩展网络功能，今天我们从零开始实现一个自己的CNI网络插件。

本文所有代码见:

github.com/qingwave/my…

CNI简介

Kubernetes提供了很多扩展点，通过CNI网络插件可以支持不同的网络设施，大大提供了系统的灵活性，目前也已成为容器网络领域的标准。

Kubernetes与CNI的交互逻辑如下：

image.png

Kubelet监听到Pod调度到当前节点后，通过rpc调用CRI(containerd, cri-o等)，CRI创建Sandbox容器，初始化Cgroup与Namespace，然后再调用CNI插件分配IP，最后完成容器创建与启动。

不同于CRI、CSI通过rpc通信，CNI是通过二进制接口调用的，通过环境变量和标准输入传递具体网络配置，下图为Flannel CNI插件的工作流程，通过链式调用CNI插件实现对Pod的IP分配、网络配置：

k8s-cni-conf.png

实现CNI

实现一个完整的K8s CNI插件需要满足以下几点要求：

  1. Pod IP分配，即IPAM功能
  2. 节点与其上所有Pod网络互通，以实现健康检查
  3. 集群内所有Pod可通信，包括同节点与不同节点
  4. 其他功能的支持，比如hostPort、兼容kube-proxy的iptables规则等

我们主要实现前三点需求，通过Linux Bridge、Veth Pair以及路由来实现K8s网络方案。

网络架构如下：

image.png

包括两个组件：

  1. mycni: CNI插件，实现IPAM，为Pod分配IP配置路由，通过网桥实现同节点上不同Pod的通信
  2. mycnid: 节点上守护进程，监听K8s Node，获取各个节点CIDR写入路由

Mycni

CNI官方已经提供了工具包，我们只需要实现cmdAdd, cmdCheck, cmdDel接口即可实现一个CNI插件。

func PluginMainWithError(cmdAdd, cmdCheck, cmdDel func(_ *CmdArgs) error,
        versionInfo version.PluginInfo, about string) *types.Error {
	return (&dispatcher{
		Getenv: os.Getenv,
		Stdin:  os.Stdin,
		Stdout: os.Stdout,
		Stderr: os.Stderr,
	}).pluginMain(cmdAdd, cmdCheck, cmdDel, versionInfo, about)
}

我们主要关注网络创建过程，实现IP分配与网桥配置：

func cmdAdd(args *skel.CmdArgs) error {
    // 加载配置
	conf, err := config.LoadCNIConfig(args.StdinData)

    // 存储本机IP分配列表
	s, err := store.NewStore(conf.DataDir, conf.Name)
	defer s.Close()

    // ipam服务，分配ip
	ipam, err := ipam.NewIPAM(conf, s)
	gateway := ipam.Gateway()
	ip, err := ipam.AllocateIP(args.ContainerID, args.IfName)

	// 创建网桥，虚拟设备，并绑定到网桥
	br, err := bridge.CreateBridge(conf.Bridge, mtu, ipam.IPNet(gateway))
	bridge.SetupVeth(netns, br, mtu, args.IfName, ipam.IPNet(ip), gateway)

    // 返回网络配置信息
	result := &current.Result{
		CNIVersion: current.ImplementedSpecVersion,
		IPs: []*current.IPConfig{
			{
				Address: net.IPNet{IP: ip, Mask: ipam.Mask()},
				Gateway: gateway,
			},
		},
	}

	return types.PrintResult(result, conf.CNIVersion)
}

IPAM

IPAM服务需要保证为Pod分配唯一的IP，K8s会为每个节点分配PodCIDR，只需要保证节点上所有Pod IP不冲突即可。

通过本地文件来存储已分配的IP，当新Pod创建时只需要检查已分配IP，通过CIDR取一个未使用的IP。通常做法是将IP信息存储在数据库中(etcd)，简单期间本文只使用文件存储。

首先需要保证并发请求时，IP分配不会冲突，可通过文件锁实现，存储实现如下：

type data struct {
	IPs  map[string]containerNetINfo `json:"ips"` // 存储IP信息
	Last string                      `json:"last"`// 上一个分配IP
}

type Store struct {
	*filemutex.FileMutex // 文件锁
	dir      string
	data     *data
	dataFile string
}

分配IP代码：

func (im *IPAM) AllocateIP(id, ifName string) (net.IP, error) {
	im.store.Lock() // 上锁，防止冲突
	defer im.store.Unlock()

	im.store.LoadData(); // 加载存储中IP数据

    // 根据容器id查询ip是否已分配
	ip, _ := im.store.GetIPByID(id)
	if len(ip) > 0 {
		return ip, nil
	}

    // 从上次已分配IP开始，依次检查，如果IP未使用则添加到文件中
	start := make(net.IP, len(last))
	for {
		next, err := im.NextIP(start)
		if err == IPOverflowError && !last.Equal(im.gateway) {
			start = im.gateway
			continue
		} else if err != nil {
			return nil, err
		}

        // 分配IP
		if !im.store.Contain(next) {
			err := im.store.Add(next, id, ifName)
			return next, err
		}

		start = next
		if start.Equal(last) {
			break
		}

		fmt.Printf("ip: %s", next)
	}

	return nil, fmt.Errorf("no available ip")
}

IP分配过程如下：

  1. 加文件锁，读取已分配IP
  2. 从上一个分配IP开始，遍历判断是否未分配
  3. 如果IP未使用，存储到文件中并返回

节点内通信

节点内通信通过网桥实现，创建一个虚拟设备对，分别绑定到Pod所在Namespace与网桥上，绑定IPAM分配的IP, 并设置默认路由。从而实现同一个节点上，Node->Pod与Pod之间的通信。

首先，如果网桥不存在则通过netlink库创建

func CreateBridge(bridge string, mtu int, gateway *net.IPNet) (netlink.Link, error) {
	if l, _ := netlink.LinkByName(bridge); l != nil {
		return l, nil
	}

	br := &netlink.Bridge{
		LinkAttrs: netlink.LinkAttrs{
			Name:   bridge,
			MTU:    mtu,
			TxQLen: -1,
		},
	}
	if err := netlink.LinkAdd(br); err != nil && err != syscall.EEXIST {
		return nil, err
	}

	dev, err := netlink.LinkByName(bridge)
	if err != nil {
		return nil, err
	}

    // 添加地址，即Pod默认网关地址
	if err := netlink.AddrAdd(dev, &netlink.Addr{IPNet: gateway}); err != nil {
		return nil, err
	}
    // 启动网桥
	if err := netlink.LinkSetUp(dev); err != nil {
		return nil, err
	}

	return dev, nil
}

为容器创建虚拟网卡

func SetupVeth(netns ns.NetNS, br netlink.Link, mtu int, ifName string, podIP *net.IPNet, gateway net.IP) error {
	hostIface := &current.Interface{}
	err := netns.Do(func(hostNS ns.NetNS) error {
		// 在容器网络空间创建虚拟网卡
		hostVeth, containerVeth, err := ip.SetupVeth(ifName, mtu, "", hostNS)
		if err != nil {
			return err
		}
		hostIface.Name = hostVeth.Name

		// set ip for container veth
		conLink, err := netlink.LinkByName(containerVeth.Name)
		if err != nil {
			return err
		}
        // 绑定Pod IP
		if err := netlink.AddrAdd(conLink, &netlink.Addr{IPNet: podIP}); err != nil {
			return err
		}

		// 启动网卡
		if err := netlink.LinkSetUp(conLink); err != nil {
			return err
		}

		// 添加默认路径，网关即网桥的地址
		if err := ip.AddDefaultRoute(gateway, conLink); err != nil {
			return err
		}

		return nil
	})

	// need to lookup hostVeth again as its index has changed during ns move
	hostVeth, err := netlink.LinkByName(hostIface.Name)
	if err != nil {
		return fmt.Errorf("failed to lookup %q: %v", hostIface.Name, err)
	}

	// 将虚拟网卡另一端绑定到网桥上
	if err := netlink.LinkSetMaster(hostVeth, br); err != nil {
		return fmt.Errorf("failed to connect %q to bridge %v: %v", hostVeth.Attrs().Name, br.Attrs().Name, err)
	}

	return nil
}

至此，CNI插件的功能实现完成。

Mycnid

mycnid为节点上的守护进程，实现不同节点的Pod通信，主要功能包括：

  1. 监听K8s Nodes, 获取本节点的PodCIDR写入配置文件(默认位置在/run/mycni/subnet.json)
  2. 为其他节点添加路由(ip route add podCIDR via nodeip)
  3. 一些初始化配置，写入默认的Iptables规则，初始化网桥

节点间通信

通过Controller监听Node资源，当前有节点Add/Delete时，调用Reconcile同步路由

func (r *Reconciler) Reconcile(ctx context.Context, req reconcile.Request) (reconcile.Result, error) {
	result := reconcile.Result{}
	nodes := &corev1.NodeList{}
    // 获取所有节点
	if err := r.client.List(ctx, nodes); err != nil {
		return result, err
	}
    // 获取节点的CIDR，生成路由
	cidrs := make(map[string]netlink.Route)
	for _, node := range nodes.Items {
		if node.Name == r.config.nodeName { // 跳过当前节点
			continue
		}
        // 生成期望路由
		_, cidr, err := net.ParseCIDR(node.Spec.PodCIDR)
		nodeip, err := getNodeInternalIP(&node)
		route := netlink.Route{
			Dst:        cidr,
			Gw:         nodeip,
			ILinkIndex: r.hostLink.Attrs().Index,
		}
		cidrs[cidr.String()] = route
        // 与本地的路由对比，不存在则创建
		if currentRoute, ok := r.routes[cidr.String()]; ok {
			if isRouteEqual(route, currentRoute) {
				continue
			}
			if err := r.ReplaceRoute(currentRoute); err != nil {
				return result, err
			}
		} else {
			if err := r.addRoute(route); err != nil {
				return result, err
			}
		}
	}
    // 删除多余的路由
	for cidr, route := range r.routes {
		if _, ok := cidrs[cidr]; !ok {
			if err := r.delRoute(route); err != nil {
				return result, err
			}
		}
	}

	return result, nil
}

// 创建路由
func (r *Reconciler) addRoute(route netlink.Route) (err error) {
	defer func() {
		if err == nil {
			r.routes[route.Dst.String()] = route
		}
	}()

	log.Info(fmt.Sprintf("add route: %s", route.String()))
	err = netlink.RouteAdd(&route)
	if err != nil {
		log.Error(err, "failed to add route", "route", route.String())
	}
	return
}

主要步骤包括：

  1. 当前Node变化时获取集群中所有Node网络信息（PodCIDR、IP等）
  2. 与节点上路由进行比对，若缺少则添加，若宿主机上存在多余的路由则删除

为什么不是直接对变化的Node修改对应的路由？

通过获取所有节点网络信息与宿主机进行路由比对，符合Kubernetes编程规范，声明式编程而不是过程式，这种方式不会丢事件。即使手动误删了路由，下次同步也会将其恢复。

其他配置

如果使用Docker的话，Docker会禁止非Docker网桥的流量转发，需要配置iptables

iptables -A FORWARD -i ${bridge} -j ACCEPT

大部分集群允许Pod访问外部网络，需要配置SNAT：

sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s $cidr -j MASQUERADE
# 另外允许主机网卡转发
iptables -A FORWARD -i $hostNetWork -j ACCEPT

代码如下，通过github.com/coreos/go-iptables/iptables可以配置iptables：

func addIptables(bridgeName, hostDeviceName, nodeCIDR string) error {
	ipt, err := iptables.NewWithProtocol(iptables.ProtocolIPv4)
	if err != nil {
		return err
	}

	if err := ipt.AppendUnique("filter", "FORWARD", "-i", bridgeName, "-j", "ACCEPT"); err != nil {
		return err
	}

	if err := ipt.AppendUnique("filter", "FORWARD", "-i", hostDeviceName, "-j", "ACCEPT"); err != nil {
		return err
	}

	if err := ipt.AppendUnique("nat", "POSTROUTING", "-s", nodeCIDR, "-j", "MASQUERADE"); err != nil {
		return err
	}

	return nil
}

演示

通过kind模拟创建多节点k8s集群kind create cluster --config deploy/kind.yaml

# cat deploy/kind.yaml
kind: Cluster
apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4
networking:
  # 禁止默认的CNI
  disableDefaultCNI: true
nodes:
# 包括一个master节点，三个worker
- role: control-plane
- role: worker
- role: worker
- role: worker

创建完成后，可以看到所有节点都是NotReady，这是因为我们没有装CNI

mycni kubectl get no
NAME                 STATUS     ROLES                  AGE   VERSION
kind-control-plane   NotReady   control-plane,master   37s   v1.23.4
kind-worker          NotReady   <none>                 18s   v1.23.4
kind-worker2         NotReady   <none>                 18s   v1.23.4
kind-worker3         NotReady   <none>                 18s   v1.23.4

接下编译我们的mycni镜像，通过kind load docker-image加载到集群中。

部署CNI插件，这里参考了Flannel的部署，主要是通过Daemonset在每个节点上部署一个Pod，初始化容器将mycni检查二进制文件拷贝到/opt/cni/bin，将配置文件拷贝到/etc/cni/net.d，再启动mycnid容器。

kubectl apply -f deploy/mycni.yaml

部署完成后，可以看到所有节点状态变为Ready。

最后测试Pod的网络配置情况，部署一个多副本Alpine Deployment

kubectl create deployment cni-test --image=alpine --replicas=6 -- top

kubectl get po -owide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
cni-test-5df744744c-5wthb   1/1     Running   0          12s   10.244.2.3   kind-worker2   <none>           <none>
cni-test-5df744744c-7cdll   1/1     Running   0          12s   10.244.1.2   kind-worker    <none>           <none>
cni-test-5df744744c-jssjk   1/1     Running   0          12s   10.244.3.2   kind-worker3   <none>           <none>
cni-test-5df744744c-jw6xv   1/1     Running   0          12s   10.244.1.3   kind-worker    <none>           <none>
cni-test-5df744744c-klbr4   1/1     Running   0          12s   10.244.3.3   kind-worker3   <none>           <none>
cni-test-5df744744c-w7q9t   1/1     Running   0          12s   10.244.2.2   kind-worker2   <none>           <none>

所有Pod可以正常启动，首先测试Node与Pod的通信, 结果如下

root@kind-worker:/# ping 10.244.1.2
PING 10.244.1.2 (10.244.1.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.244.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.101 ms
64 bytes from 10.244.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.049 ms
--- 10.244.1.2 ping statistics ---

同节点上的Pod通信：

~ kubectl exec cni-test-5df744744c-7cdll -- ping 10.244.1.3 -c 4
PING 10.244.1.3 (10.244.1.3): 56 data bytes
64 bytes from 10.244.1.3: seq=0 ttl=64 time=0.118 ms
64 bytes from 10.244.1.3: seq=1 ttl=64 time=0.077 ms
64 bytes from 10.244.1.3: seq=2 ttl=64 time=0.082 ms
64 bytes from 10.244.1.3: seq=3 ttl=64 time=0.085 ms

--- 10.244.1.3 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.077/0.090/0.118 ms

不同节点的Pod通信

 ~ kubectl exec cni-test-5df744744c-7cdll -- ping 10.244.2.2 -c 4
PING 10.244.2.2 (10.244.2.2): 56 data bytes
64 bytes from 10.244.2.2: seq=0 ttl=62 time=0.298 ms
64 bytes from 10.244.2.2: seq=1 ttl=62 time=0.234 ms
64 bytes from 10.244.2.2: seq=2 ttl=62 time=0.180 ms
64 bytes from 10.244.2.2: seq=3 ttl=62 time=0.234 ms

--- 10.244.2.2 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.180/0.236/0.298 ms

Pod访问外网

~ kubectl exec cni-test-5df744744c-7cdll -- ping www.baidu.com -c 4
PING www.baidu.com (103.235.46.39): 56 data bytes
64 bytes from 103.235.46.39: seq=0 ttl=47 time=312.115 ms
64 bytes from 103.235.46.39: seq=1 ttl=47 time=311.126 ms
64 bytes from 103.235.46.39: seq=2 ttl=47 time=311.653 ms
64 bytes from 103.235.46.39: seq=3 ttl=47 time=311.250 ms

--- www.baidu.com ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 311.126/311.536/312.115 ms

通过测试验证，我们实现的mycni满足k8s的CNI网络插件的要求，可以实现集群内所有Pod的通信，以及Node与Pod的通信，Pod也可以正常访问外网。

总结

本文首先介绍了CNI的架构，通过手动实现一个CNI网络插件，可以更加深入的了解CNI的工作原理以及Linux相关网络知识。

欢迎指正，所有代码见：

github.com/qingwave/my…

引用

Explore more in qingwave.github.io

今天的文章手写一个Kubernetes CNI网络插件分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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