Kubernetes网络分析-Container间通信-低调大师

Kubernetes网络分析-Container间通信

2017-06-05 777

本文假设你已经搭建好了Kubernetes集群，那么请求是如何到达POD，然后被Container处理的。都是干货。
如果没听说过Kubernetes，不知道POD是什么，请先参考： http://www.infoq.com/cn/articles/Kubernetes-system-architecture-introduction
如何进行基本的Kubernetes管理请见我的这篇博客 http://my.oschina.net/xue777hua/blog/514816

1. 引言

上图显示了Kubernetes的基本结构图。

Master管理多个Slave节点
Slave节点上面可以运行多个Pod
Pod可以部署多个副本，多个副本可以运行在不同的Node上
一个Pod可以包含多个Container，一个Pod内的Container共享同样的网络地址空间

最重要的是最后一句话：一个Pod内的Container共享同样的网络地址空间。这是通过Mapped Container做到的。

2. Mapped Container

基本描述为下：

容器 A 的网络模式为正常docker的网络模式
容器 B 的网络模式为应用容器A的网络模式

2.1 共享网络模式

下面是一个例子来验证，我这里创建了一个busybox的Pod。

[root@centos7-node-221 ~]$ kubectl get po
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
busybox   1/1       Running   224        9d
[root@centos7-node-221 ~]$ kubectl describe po busybox
Name:                busybox
Namespace:            default
Image(s):            busybox
Node:                centos7-node-226/192.168.1.226
Labels:                <none>
Status:                Running
Reason:                
Message:            
IP:                172.16.58.6
Replication Controllers:    <none>
Containers:
  busybox:
    Image:            busybox
    State:            Running
      Started:            Thu, 08 Oct 2015 08:20:30 -0400
    Last Termination State:    Terminated
      Exit Code:        0
      Started:            Thu, 08 Oct 2015 07:20:26 -0400
      Finished:            Thu, 08 Oct 2015 08:20:26 -0400
    Ready:            True
    Restart Count:        224
    Variables:
Conditions:
  Type        Status
  Ready     True 
Volumes:
  default-token-lv94w:
    Type:    Secret (a secret that should populate this volume)
    SecretName:    default-token-lv94w
Events:
  FirstSeen    LastSeen    Count    From                SubobjectPath            Reason    Message
  9d        37m        225    {kubelet centos7-node-226}    spec.containers{busybox}    pulled    Container image "busybox" already present on machine
  37m        37m        1    {kubelet centos7-node-226}    spec.containers{busybox}    Created    Created with docker id fc8580292210
  37m        37m        1    {kubelet centos7-node-226}    spec.containers{busybox}    Started    Started with docker id fc8580292210

我们去192.168.1.226看下这个Pod和其Container.

[root@centos7-node-226 ~]$ docker ps | grep busybox
fc8580292210        busybox                                               "sleep 3600"        37 minutes ago      Up 37 minutes                           k8s_busybox.62fa0587_busybox_default_86e98e8c-665f-11e5-af98-525400d7abb6_7f734c4d                                                
02d259dc8ab5        gcr.io/google_containers/pause:0.8.0                  "/pause"            9 days ago          Up 9 days                               k8s_POD.7be6d81d_busybox_default_86e98e8c-665f-11e5-af98-525400d7abb6_ff9224f5

发现有两个容器，一个是pause容器，一个是busybox容器。其中pause容器为主网络容器，其他容器都共享pause容器的网络模式。我们分别看下其网络模式。下面是两个容器的网络模式。

[root@centos7-node-226 ~]$ docker inspect 02d259dc8ab5  | grep NetworkMode
        "NetworkMode": "bridge",
[root@centos7-node-226 ~]$ docker inspect fc8580292210 | grep NetworkMode
        "NetworkMode": "container:02d259dc8ab59c1746d54d2df24d8733b2b9379a9fdfbfdc2066429b4a934a04", # 这个container的id号码就是上一个container的id的long形式

所以可以看到fc8580292210(busybox)使用的是pause容器的网络空间。

让我们进一步验证。

2.2 IP地址和hostname、网络IO

下面我在 192.168.1.224 搭建了一个dns的pod，里面有4个容器，共享一个网络空间，我们采用查看其ip地址、hostname和网络IO的方式来鉴定。下面是容器的id号

[root@centos7-node-224 ~]$ docker ps | grep dns
b00a08d078d6        dockerimages.yinnut.com:15043/skydns:2015-03-11-001   "/skydns -machines=h   8 hours ago         Up 8 hours                              k8s_skydns.c878079e_kube-dns-v9-y05vd_kube-system_12725077-64c0-11e5-9309-525400d7abb6_46f95e60                                   
4e843585b938        dockerimages.yinnut.com:15043/exechealthz:1.0         "/exechealthz '-cmd=   11 days ago         Up 11 days                              k8s_healthz.8ab20f84_kube-dns-v9-y05vd_kube-system_12725077-64c0-11e5-9309-525400d7abb6_f7c469e5                                  
296ff779abb2        dockerimages.yinnut.com:15043/kube2sky:1.11           "/kube2sky -domain=c   11 days ago         Up 11 days                              k8s_kube2sky.2a46d768_kube-dns-v9-y05vd_kube-system_12725077-64c0-11e5-9309-525400d7abb6_349c7246                                 
f0118fac6952        dockerimages.yinnut.com:15043/etcd:2.0.9              "/usr/local/bin/etcd   11 days ago         Up 11 days                              k8s_etcd.64e02c2f_kube-dns-v9-y05vd_kube-system_12725077-64c0-11e5-9309-525400d7abb6_9235054b                                     
f281dbf1ec41        gcr.io/google_containers/pause:0.8.0                  "/pause"               11 days ago         Up 11 days                              k8s_POD.6e934112_kube-dns-v9-y05vd_kube-system_12725077-64c0-11e5-9309-525400d7abb6_a8ea96d0

我们查看前三个 b00a08d078d6 4e843585b938 296ff779abb2的上述属性。

2.2.1 dns设置和hostname

[root@centos7-node-224 ~]$ for id in b00a08d078d6 4e843585b938 296ff779abb2 ; do echo $id; docker exec $id cat /etc/hosts ; docker exec $id cat /etc/resolv.conf ; echo  "" ; done
b00a08d078d6
172.16.60.4    kube-dns-v9-y05vd
127.0.0.1    localhost
::1    localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0    ip6-localnet
ff00::0    ip6-mcastprefix
ff02::1    ip6-allnodes
ff02::2    ip6-allrouters
nameserver 192.168.1.208
search 8.8.8.8
options ndots:5

4e843585b938
172.16.60.4    kube-dns-v9-y05vd
127.0.0.1    localhost
::1    localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0    ip6-localnet
ff00::0    ip6-mcastprefix
ff02::1    ip6-allnodes
ff02::2    ip6-allrouters
nameserver 192.168.1.208
search 8.8.8.8
options ndots:5

296ff779abb2
172.16.60.4    kube-dns-v9-y05vd
127.0.0.1    localhost
::1    localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0    ip6-localnet
ff00::0    ip6-mcastprefix
ff02::1    ip6-allnodes
ff02::2    ip6-allrouters
nameserver 192.168.1.208
search 8.8.8.8
options ndots:5

2.2.2 IP地址

[root@centos7-node-224 ~]$ for id in b00a08d078d6 4e843585b938 296ff779abb2 ; do echo $id; docker exec $id ip a  ; echo  "" ; done
b00a08d078d6
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever

4e843585b938
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever

296ff779abb2
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever

2.2.3 网络连接IO

[root@centos7-node-224 ~]$ for id in b00a08d078d6 4e843585b938 296ff779abb2 ; do echo $id; docker exec $id netstat -lan  ; echo  "" ; done
b00a08d078d6
Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:2379          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:2380          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:7001          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 172.16.60.4:48582       10.254.0.1:443          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:35394         ESTABLISHED 
tcp        0      0 172.16.60.4:48584       10.254.0.1:443          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:60161         127.0.0.1:2379          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:51445         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:51445         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:35550         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:35394         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:2379          127.0.0.1:60161         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:51433         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:51433         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:35550         ESTABLISHED 
Active UNIX domain sockets (servers and established)
Proto RefCnt Flags       Type       State         I-Node Path

4e843585b938
Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:2379          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:2380          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:7001          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 172.16.60.4:48582       10.254.0.1:443          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:35394         ESTABLISHED 
tcp        0      0 172.16.60.4:48584       10.254.0.1:443          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:60161         127.0.0.1:2379          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:51445         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:51445         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:35550         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:35394         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:2379          127.0.0.1:60161         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:51433         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:51433         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:35550         ESTABLISHED 
Active UNIX domain sockets (servers and established)
Proto RefCnt Flags       Type       State         I-Node Path

296ff779abb2
Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:2379          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:2380          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 127.0.0.1:7001          0.0.0.0:*               LISTEN      
tcp        0      0 172.16.60.4:48582       10.254.0.1:443          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:35394         ESTABLISHED 
tcp        0      0 172.16.60.4:48584       10.254.0.1:443          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:60161         127.0.0.1:2379          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:51445         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:51445         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:35550         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:35394         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:2379          127.0.0.1:60161         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:51433         ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:51433         127.0.0.1:4001          ESTABLISHED 
tcp        0      0 127.0.0.1:4001          127.0.0.1:35550         ESTABLISHED 
Active UNIX domain sockets (servers and established)
Proto RefCnt Flags       Type       State         I-Node Path

3. Container 之通信

下面分析下最复杂的Container之间的通信。

3.1 Pod 之内 Container 通信

先说最简单的, Pod内的Container通信，由于共享网络地址空间，直接访问127.0.0.1即可。

3.2 跨机器之间Contianer通信

3.2.1 背景引导

例子： 192.168.1.224的fluentd-elasticsearch容器要连接192.168.1.223的elasticsearch-logging容器。

192.168.1.223的elasticsearch-logging容器及其IP地址:

    [root@centos7-node-223 ~]$ docker ps |grep elasticsearch-logging
    667cfd84c979        dockerimages.yinnut.com:15043/elasticsearch:1.7       "/run.sh"              12 days ago          Up 12 days                              k8s_elasticsearch-logging.89fda9f_elasticsearch-logging-v1-i8x6q_kube-system_8b558d2c-62a3-11e5-9d7b-525400d7abb6_2a02a2c8        
    5201c8cbdebd        gcr.io/google_containers/pause:0.8.0                  "/pause"               12 days ago          Up 12 days                              k8s_POD.8ecd2043_elasticsearch-logging-v1-i8x6q_kube-system_8b558d2c-62a3-11e5-9d7b-525400d7abb6_4022db35                         
    [root@centos7-node-223 ~]$ docker inspect 5201c8cbdebd |grep IPAddress
          "IPAddress": "172.16.77.4", #IP地址
          "SecondaryIPAddresses": null,

可以看到elasticsearch-logging的容器的Pod的IP地址为172.16.77.4

192.168.1.223的fluentd-elasticsearch容器及其IP地址:

    [root@centos7-node-224 ~]$ docker ps |grep fluentd-elasticsearch
    d326d81468b5        gcr.io/google_containers/fluentd-elasticsearch:1.11   "td-agent -q"          12 days ago         Up 12 days                              k8s_fluentd-elasticsearch.27a08aa3_fluentd-elasticsearch-centos7-node-224_kube-system_7dcc6ce562f3742190a876fda85e2359_58c54ef3   
    f9b76639d241        gcr.io/google_containers/pause:0.8.0                  "/pause"               12 days ago         Up 12 days                              k8s_POD.7be6d81d_fluentd-elasticsearch-centos7-node-224_kube-system_7dcc6ce562f3742190a876fda85e2359_333e52c0                     
    [root@centos7-node-224 ~]$ docker inspect f9b76639d241 | grep IPAddress
          "IPAddress": "172.16.60.2",
          "SecondaryIPAddresses": null,

可以看到fluentd-elasticsearch的容器的Pod的IP地址为172.16.60.2

我们看下 fluentd-elasticsearch 的网络连接情况

    [root@centos7-node-224 ~]$ docker exec d326d81468b5 netstat -nla | grep 172.16.77.4
    tcp        0      0 172.16.60.2:56354       172.16.77.4:9200        TIME_WAIT  
    tcp        0      0 172.16.60.2:56350       172.16.77.4:9200        TIME_WAIT  
    tcp        0      0 172.16.60.2:56347       172.16.77.4:9200        TIME_WAIT  
    tcp        0      0 172.16.60.2:56357       172.16.77.4:9200        TIME_WAIT  
    tcp        0      0 172.16.60.2:56344       172.16.77.4:9200        TIME_WAIT  
    tcp        0      0 172.16.60.2:56352       172.16.77.4:9200        TIME_WAIT

可以看到其的确是连接了 172.16.77.4 的9200端口。 而对方 elasticsearch-logging 容器的确开启了9200端口

    [root@centos7-node-223 ~]$ docker exec  667cfd84c979  ss -l|grep LISTEN
    tcp    LISTEN     0      50                  :::9200                 :::*       
    tcp    LISTEN     0      50                  :::9300                 :::*

那么这个过程是如何完成的呢？？？

3.2.2 Container间通信流程

192.168.1.224/fluentd-elasticsearch -> 192.168.1.223/elasticsearch-logging

192.168.1.224/fluentd-elasticsearch 需要连接到elasticsearch-logging容器.

域名到IP对应。 elasticsearch-logging -> 解析为10.254.24.205

root@fluentd-elasticsearch-centos7-node-224:/$ dig elasticsearch-logging

; <<>> DiG 9.9.5-3ubuntu0.5-Ubuntu <<>> elasticsearch-logging
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: SERVFAIL, id: 39181
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 0, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 0

;; QUESTION SECTION:
;elasticsearch-logging.        IN    A

;; Query time: 1 msec
;; SERVER: 10.254.0.10#53(10.254.0.10)
;; WHEN: Fri Oct 09 06:04:35 UTC 2015
;; MSG SIZE  rcvd: 39

访问该IP地址10.254.24.205:9200端口。根据路由，请求将会到达网关172.16.60.1,也就是这个docker的宿主机的docker0网卡地址。

# 容器内
root@fluentd-elasticsearch-centos7-node-224:/$ ip route
default via 172.16.60.1 dev eth0 
172.16.60.0/24 dev eth0  proto kernel  scope link  src 172.16.60.2 
# 物理机
[root@centos7-node-224 ~]$ ifconfig docker0
docker0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1450
        inet 172.16.60.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::5484:7aff:fefe:9799  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 56:84:7a:fe:97:99  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 10182154  bytes 1777103288 (1.6 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 11195534  bytes 2271907616 (2.1 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

iptables负责转发请求到192.168.1.224:36967，而这个端口上kube-proxy进程在监听。

[root@centos7-node-224 ~]$ iptables-save  | grep 10.254.24.205 |grep 9200
-A KUBE-PORTALS-CONTAINER -d 10.254.24.205/32 -p tcp -m comment --comment "kube-system/elasticsearch-logging:" -m tcp --dport 9200 -j REDIRECT --to-ports 36967
-A KUBE-PORTALS-HOST -d 10.254.24.205/32 -p tcp -m comment --comment "kube-system/elasticsearch-logging:" -m tcp --dport 9200 -j DNAT --to-destination 192.168.1.224:36967
[root@centos7-node-224 ~]$ netstat -nlp|grep 36967
tcp6       0      0 :::36967                :::*                    LISTEN      930/kube-proxy

谁负责响应10.254.24.205:9200的请求？由上述分析，看起来是kube-proxy，那么kube-proxy进程看起来是个proxy，那么被转发给谁处理？当然给Pod啦。可以到这个服务的Selector是k8s-app=elasticsearch-logging

[root@centos7-node-224 ~]$ kubectl get svc --all-namespaces  | grep 10.254.24.205
kube-system   elasticsearch-logging   10.254.24.205    <none>        9200/TCP            k8s-app=elasticsearch-logging   14d

    找到其对应的Pod为elasticsearch-logging-v1-gph4i和elasticsearch-logging-v1-i8x6q

[root@centos7-node-224 ~]$ kubectl get po -l k8s-app=elasticsearch-logging --all-namespaces
NAMESPACE     NAME                             READY     STATUS    RESTARTS   AGE
kube-system   elasticsearch-logging-v1-gph4i   1/1       Running   6          14d
kube-system   elasticsearch-logging-v1-i8x6q   1/1       Running   5          14d

我们查看其中的elasticsearch-logging-v1-i8x6q容器的IP地址，发现为172.16.77.4

[root@centos7-node-224 ~]$ kubectl describe po elasticsearch-logging-v1-i8x6q --namespace=kube-system | grep IP
IP:                172.16.77.4

故而很明显kube-proxy 会把部分请求转发给 其中的一个Pod来处理，而这个Pod的IP地址是172.16.77.4 . 而 172.16.77.4 这个Pod 在 192.168.1.223 机器上.

[root@centos7-node-223 ~]$ docker inspect 5201c8cbdebd | grep IPAddress
        "IPAddress": "172.16.77.4",
        "SecondaryIPAddresses": null,

那如何与172.16.77.4进行通信呢？跨机器之间通信则采用flannel等诸如此类的overlay网络或者ovs等L2网络。
关于Flannel用于跨机器的docker容器间通信分析：请见我之前的博文： docker下基于flannel的overlay网络分析

4. 总结

Kubernetes的Container之间的通信最为复杂。下面是一个小结：

首先需要一个可用的跨机器的容器间网络请求，我这里是Flannel，最终的Container间通信是通过Flannel达成的。
Kubernetes让在一个Pod的一组Container共享一个网络空间，从而让关联密切的Container之间的通信变得十分容易。
如果要访问Kubernetes集群的其他服务，则需要经过宿主机的iptables的NAT规则，请求会发给kube-proxy，kube-proxy知道所有的服务的endpoints，并且知道服务请求是由哪些Pod来处理(而这通过Label Selector完成)。
kube-proxy选择出相应的Pod，并且把请求发送给他们处理，而这个Pod的地址是 172.16.x.x 也就是docker0网桥桥接的地址，也就是说这时候交给Flannel这一层进行处理(如果跨机器的话)或者直接交给本机处理(不跨机器)。

参考

https://github.com/skynetservices/skydns
https://github.com/kubernetes/kubernetes
http://kubernetes.io/
https://www.docker.com/

文章转载自开源中国社区[https://www.oschina.net]

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