[云原生] 二进制安装K8S（中）部署网络插件和DNS

书接上文，我们继续部署剩余的插件

一、K8s的CNI网络插件模式

2.1 k8s的三种网络模式 

K8S 中 Pod 网络通信：

（1）Pod 内容器与容器之间的通信

在同一个 Pod 内的容器（Pod 内的容器是不会跨宿主机的）共享同一个网络命令空间，相当于它们在同一台机器上一样，可以用 localhost 地址访问彼此的端口。

（2）同一个 Node 内 Pod 之间的通信

每个 Pod 都有一个真实的全局 IP 地址，同一个 Node 内的不同 Pod 之间可以直接采用对方 Pod 的 IP 地址进行通信，Pod1 与 Pod2 都是通过 Veth 连接到同一个 docker0 网桥，网段相同，所以它们之间可以直接通信。

（3）不同 Node 上 Pod 之间的通信

Pod 地址与 docker0 在同一网段，docker0 网段与宿主机网卡是两个不同的网段，且不同 Node 之间的通信只能通过宿主机的物理网卡进行。

要想实现不同 Node 上 Pod 之间的通信，就必须想办法通过主机的物理网卡 IP 地址进行寻址和通信。因此要满足两个条件：Pod 的 IP 不能冲突；将 Pod 的 IP 和所在的 Node 的 IP 关联起来，通过这个关联让不同 Node 上 Pod 之间直接通过内网 IP 地址通信。

Overlay Network：

叠加网络，在二层或者三层基础网络上叠加的一种虚拟网络技术模式，该网络中的主机通过虚拟链路隧道连接起来（类似于VPN）。

VXLAN：

将源数据包封装到UDP中，并使用基础网络的IP/MAC作为外层报文头进行封装，然后在以太网上传输，到达目的地后由隧道端点解封装并将数据发送给目标地址。

2.2  Flannel 插件 

Flannel 的功能是让集群中的不同节点主机创建的 Docker 容器都具有全集群唯一的虚拟 IP 地址。

Flannel 是 Overlay 网络的一种，也是将 TCP 源数据包封装在另一种网络包里面进行路由转发和通信，目前支持 udp、vxlan、 host-GW 3种数据转发方式。

• UDP（默认方式，基于应用转发，配置简单，性能最差）
• VXLAN（基于内核转发）
• Host-gw（性能最好、配置麻烦）

  （1）Flannel UDP 模式（端口8285） 

  udp模式的工作原理：（基于应用进行转发，Flannel提供路由表，Flannel封装、解封装）

  数据从 node01 上 Pod 的源容器中发出后，经由所在主机的 docker0 虚拟网卡转发到 flannel0 虚拟网卡，flanneld 服务监听在 flannel0 虚拟网卡的另外一端。

  Flannel 通过 Etcd 服务维护了一张节点间的路由表。源主机 node01 的 flanneld 服务将原本的数据内容封装到 UDP 中后根据自己的路由表通过物理网卡投递给目的节点 node02 的 flanneld 服务，数据到达以后被解包，然后直接进入目的节点的 flannel0 虚拟网卡，之后被转发到目的主机的 docker0 虚拟网卡，最后就像本机容器通信一样由 docker0 转发到目标容器。

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  ETCD 之 Flannel 提供说明：

  • 存储管理Flannel可分配的IP地址段资源
  • 监控 ETCD 中每个 Pod 的实际地址，并在内存中建立维护 Pod 节点路由表

    （2） vxlan 模式（端口8472）

    vxlan 是一种overlay（虚拟隧道通信）技术，通过三层网络搭建虚拟的二层网络，跟 udp 模式具体实现不太一样：

    1）udp模式是在用户态实现的，数据会先经过tun网卡，到应用程序，应用程序再做隧道封装，再进一次内核协议栈，而vxlan是在内核当中实现的，只经过一次协议栈，在协议栈内就把vxlan包组装好。

    2）udp模式的tun网卡是三层转发，使用tun是在物理网络之上构建三层网络，属于ip in udp，vxlan模式是二层实现， overlay是二层帧，属于mac in udp。

    3）vxlan由于采用mac in udp的方式，所以实现起来会涉及mac地址学习，arp广播等二层知识，udp模式主要关注路由

    Flannel VXLAN模式跨主机的工作原理：（Flannel提供路由表，由内核封装、解封装）

    1、数据帧从主机A上Pod的源容器中发出后，经由所在主机的docker0/cni0 网络接口转发到flannel.1 接口

    2、flannel.1 收到数据帧后添加VXLAN 头部，封装在UDP报文中

    3、主机A通过物理网卡发送封包到主机B的物理网卡中

    4、主机B的物理网卡再通过VXLAN 默认端口8472转发到flannel.1 接口进行解封装

    （官方给出的预设接口为4789，而实际运用的其实为8472端口）

    5、解封装以后，内核将数据帧发送到Cni0， 最后由Cni0 发送到桥接到此接口的容器B中。

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    (3) UDP和VXLAN的区别 

    由于UDP模式是在用户态做转发（即基于应用进行转发，由应用程序进行封装和解封装），会多一次报文隧道封装，因此性能上会比在内核态做转发的VXLAN模式差。

    UDP和VXLAN的区别：

    • UDP基于应用程序进行转发，由应用程序进行封装和解封装；VXLAN由内核进行封装和解封装，内核效率比应用程序要高，所以VXLAN比UDP要快。
    • UDP是数据包，VXLAN是数据帧。
    • UDP的网卡Flannel0，VXLAN的网卡Flannel.1。

      （4）知识延申：vlan和vxlan的区别 

      1）vxlan支持更多的二层网络

      vlan使用12位bit表示vlan ID，因此最多支持2^12=4096个vlan（可用数量为4094）

      vxlan使用的ID使用24位bit，最多可以支持2^24个

      2）vxlan对已有的网络路径利用效率更高

      vlan使用STP（spanning tree protocol）避免环路，会将一半的网络路径阻塞。

      vxlan的数据包封装成UDP通过网络层传输，可以使用所有的网络路径。

      3）vxlan可以防止物理交换机Mac表耗尽

      vlan需要在交换机的Mac表中记录Mac物理地址。

      vxlan采用隧道机制，Mac物理地址不需记录在交换机。

      4）VXLAN在一定程度上可以实现逻辑网络拓扑和物理网络拓扑的解耦

      VXLAN技术通过隧道技术在物理的三层网络中虚拟二层网络，处于VXL AN网络的终端无法察觉到VXL AN的通信过程，这样也就使得逻辑网络拓扑和物理网络拓扑实现了一定程度的解耦，网络拓扑的配置对于物理设备的配置的依赖程度有所降低，配置更灵活更方便。

      5）VXLAN技术还具有多租户支持的特性

      VLAN技术仅仅解决了二层网络广播域分割的问题，而VXL AN技术还具有多租户支持的特性，通过VXLAN分割，各个租户可以独立组网、通信，地址分配方面和多个租户之间地址冲突的问题也得到了解决。

      三、部署网络组件

      3.1 部署 flannel

      //在node1节点上操作
      #上传 cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz 和 flannel.tar 到 /opt 目录中
      cd /opt/
      docker load -i flannel.tar
       
      mkdir /opt/cni/bin -p
      tar zxvf cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz -C /opt/cni/bin
       
      //在node2节点上操作
      #上传 cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz 和 flannel.tar 到 /opt 目录中
      cd /opt/
      docker load -i flannel.tar
       
      mkdir /opt/cni/bin -p
      tar zxvf cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz -C /opt/cni/bin
       
       
      //在 master01 节点上操作
      #上传 kube-flannel.yml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
      cd /opt/k8s
      kubectl apply -f kube-flannel.yml 
       
      kubectl get pods -n kube-system
       
       
      kubectl get nodes

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      3.2   部署 Calico  

       该网络插件和flannel插件  选择其一部署即可（由于yaml文件过于复杂，本次就不再展示）

      //在 master01 节点上操作
      #上传 calico.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
      cd /opt/k8s
      vim calico.yaml
      #修改里面定义Pod网络（CALICO_IPV4POOL_CIDR），与前面kube-controller-manager配置文件指定的cluster-cidr网段一样
          - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
            value: "192.168.0.0/16"
        
      kubectl apply -f calico.yaml
       
      kubectl get pods -n kube-system
      NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
      calico-kube-controllers-659bd7879c-4h8vk   1/1     Running   0          58s
      calico-node-nsm6b                          1/1     Running   0          58s
      calico-node-tdt8v                          1/1     Running   0          58s
       
       
      #等 Calico Pod 都 Running，节点也会准备就绪
      kubectl get nodes

      四、部署 CoreDNS 

       CoreDNS：可以为集群中的 service 资源创建一个域名与 IP 的对应关系解析。

      service发现是k8s中的一个重要机制，其基本功能为：在集群内通过服务名对服务进行访问，即需要完成从服务名到ClusterIP的解析。

      k8s主要有两种service发现机制：环境变量和DNS。没有DNS服务的时候，k8s会采用环境变量的形式，但一旦有多个service，环境变量会变复杂，为解决该问题，我们使用DNS服务。

      //在所有 node 节点上操作
      #上传 coredns.tar 到 /opt 目录中
      cd /opt
      docker load -i coredns.tar

      

      

      //在 master01 节点上操作
      #上传 coredns.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CoreDNS 
      cd /opt/k8s
      kubectl apply -f coredns.yaml
       
      kubectl get pods -n kube-system 
       
      #DNS 解析测试
      kubectl run -it --rm dns-test --image=busybox:1.28.4 sh
       
      / # nslookup kubernetes