openshift pod对外访问网络解析

k8s 2020-11-30

openshift封装了k8s，在网络上结合ovs实现了多租户隔离，对外提供服务时报文需要经过ovs的tun0接口。下面就如何通过tun0访问pod(172.30.0.0/16)进行解析(下图来自理解OpenShift（3）：网络之 SDN，删除了原图的IP)

openshift版本如下：

# openshift version
openshift v3.6.173.0.5
kubernetes v1.6.1+5115d708d7
etcd 3.2.1

 首先在查看openshift上pod(该pod为elasticsearch)的路由，默认网关为10.131.2.1，出接口为eth0(IP:10.131.2.45)

sh-4.2$ ip route
default via 10.131.2.1 dev eth0
10.128.0.0/14 dev eth0
10.131.2.0/23 dev eth0 proto kernel scope link src 10.131.2.45
224.0.0.0/4 dev eth0

其次查看node节点的路由，到达pod service的cluster ip(172.30.229.30)的网段(172.30.0.0)出接口为tun0，因此外部流量首先会达到tun0，然后通过tun0转发到pod

[root@dt-infra1 home]# ip route
default via 10.122.70.1 dev eth0 proto static metric 100
10.122.70.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.122.70.72 metric 100
10.128.0.0/14 dev tun0 proto kernel scope link
172.17.0.0/16 dev docker0 proto kernel scope link src 172.17.0.1
172.30.0.0/16 dev tun0 scope link

查看node节点的接口信息如下(已删减无关接口信息)，可以看到vethd0d3571b就是pod中eth0接口的对端，tun0 IP地址也为pod中的默认网关，

[root@dt-infra1 home]# ip a
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP qlen 1000
    link/ether 50:6b:8d:d4:25:db brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.122.70.72/24 brd 10.122.70.255 scope global dynamic eth0
       valid_lft 2137631556sec preferred_lft 2137631556sec
    inet6 fe80::748f:487f:6bf1:685c/64 scope link tentative dadfailed
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8fab:527e:43dd:f1b1/64 scope link tentative dadfailed
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f2d6:994f:f43:cce5/64 scope link tentative dadfailed
       valid_lft forever preferred_lft forever
5: br0: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1450 qdisc noop state DOWN qlen 1000
    link/ether 8e:13:86:1d:ab:43 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
9: vxlan_sys_4789: <BROADCAST,LOWER_UP> mtu 65470 qdisc noqueue master ovs-system state UNKNOWN qlen 1000
    link/ether d6:48:30:3a:bb:d0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet6 fe80::d448:30ff:fe3a:bbd0/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
10: tun0: <BROADCAST,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN qlen 1000
    link/ether a6:02:fb:84:24:d0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.131.2.1/23 scope global tun0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::a402:fbff:fe84:24d0/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
53: vethd0d3571b@if3: <BROADCAST,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master ovs-system state UP
    link/ether 0e:7d:3a:9f:ff:6e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 3
    inet6 fe80::c7d:3aff:fe9f:ff6e/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

查看该pod的接口信息，可以看出eth0为一对veth pair，对应所在node节点编号为if53的veth

sh-4.2$ ip link
1: lo: <LOOPBACK,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT qlen 1
    link/loopback 00:00 brd 00
3: eth0@if53: <BROADCAST,1)">1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT
    link/ether 0a:58:0a:83:02:2d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

从上图中可以看到tun0和pod的veth pair是连接到了一个bridge上，该bridge使用ovs创建的(ip link show type bridge 不可见)，使用如下命令可以查看位于br0的ports信息，上面连接了tun0和pod veth的对端

[root@dt-infra1 home]# ovs-vsctl show
b9e6f9ba-efb4-4d5f-97f0-e53191ccf174
    Bridge "br0"
        fail_mode: secure
        Port vxlan0
            Interface 
                type: vxlan
                options: {key=flow,remote_ip=flow}
        Port 
                type: internal
        Port vethd0d3571btun0
    ovs_version: 2.7.2"

使用如下命令可以查看该环境上的ovs bridge，当前环境只有一个br0

[root@dt-infra1 home]# ovs-vsctl list-br
br0

使用如下命令查看当前环境的port编号，该编号在openflow处理时用于指定接口

[root@dt-infra1 home]# ovs-ofctl -O OpenFlow13 dump-ports-desc br0
OFPST_PORT_DESC reply (OF1.3) (xid=0x2):
 1(vxlan0): addr:aa:fd:ab:96:85:ed
     config:     0
     state:      
     speed: 0 Mbps now, Mbps max
 2(tun0): addr:a6:02:fb:84:24:d0
     config:     10(vetha739667c): addr:9e:14:13:9c:6e:73
     config:     
     current:    10GB-FD COPPER
     speed: 10000 Mbps now,1)">37(veth6c630c72): addr:2e:f7:70:40:b6:fb
     config:     45(vethd0d3571b): addr:0e:7d:3a:9f:ff:6e
     config:      Mbps max
 LOCAL(br0): addr:8e:13:86:1d:ab:43
     config:     PORT_DOWN
     state:      LINK_DOWN
     speed: 0 Mbps max

与上述pod相关的iptables如下，在进入tun0之前会将ip DNAT为10.131.2.45:9200，即Container IP:ContainerPort

-A KUBE-SERVICES -d 172.30.229.30/32 -p tcp -m comment --comment logging/logging-es: cluster IP" -m tcp --dport 9200 -j KUBE-SVC-BWSQUABZDDFLJOKN
-A KUBE-SVC-BWSQUABZDDFLJOKN -m comment --comment logging/logging-es:" -j KUBE-SEP-H2SZLG7QT6WVYISM
-A KUBE-SEP-H2SZLG7QT6WVYISM -s 10.131.2.45/32 -m comment --comment " -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-H2SZLG7QT6WVYISM -p tcp -m comment --comment " -m tcp -j DNAT --to-destination 2.45:9200

从pod中出来的报文会传输到br0进行流表处理，然后选择出接口tun0。ovs流表在处理时有如下规则：

table 0: 根据输入端口（in_port）做入口分流，来自VXLAN隧道的流量转到表10并将其VXLAN VNI 保存到 OVS 中供后续使用，从tun0过阿里的（来自本节点或进本节点来做转发的）流量分流到表30，将剩下的即本节点的容器（来自veth***）发出的流量转到表20；
table 10: 做入口合法性检查，如果隧道的远端IP（tun_src）是某集群节点的IP，就认为是合法，继续转到table 30去处理;
table 20: 做入口合法性检查，如果数据包的源IP（nw_src）与来源端口（in_port）相符，就认为是合法的，设置源项目标记，继续转到table 30去处理；如果不一致，即可能存在ARP/IP欺诈，则认为这样的的数据包是非法的;
table 30: 数据包的目的（目的IP或ARP请求的IP）做转发分流，分别转到table 40~70 去处理;
table : 本地ARP的转发处理，根据ARP请求的IP地址，从对应的端口（veth）发出;
table 50: 远端ARP的转发处理，根据ARP请求的IP地址，设置VXLAN隧道远端IP，并从隧道发出;
table 60: Service的转发处理，根据目标Service，设置目标项目标记和转发出口标记，转发到table 80去处理;
table : 对访问本地容器的包，做本地IP的转发处理，根据目标IP，设置目标项目标记和转发出口标记，转发到table 80去处理;
table 80: 做本地的IP包转出合法性检查，检查源项目标记和目标项目标记是否匹配，或者目标项目是否是公开的，如果满足则转发;（这里实现了 OpenShift 网络层面的多租户隔离机制，实际上是根据项目/project 进行隔离，因为每个项目都会被分配一个 VXLAN VNI，table 80 只有在网络包的VNI和端口的VNI tag 相同才会对网络包进行转发）
table 90: 对访问远端容器的包，做远端IP包转发“寻址”，根据目标IP，设置VXLAN隧道远端IP，并从隧道发出;
table 100: 做出外网的转出处理，将数据包从tun0发出。

该pod对应有如下两条规则，对应arp和ip协议的处理。第一条为arp处理，直接转发到port 45，即pod的veth0对端；后两条为ip处理，第二条首先对目的地址进行判断，然后将0x2d加载到NXM_NX_REG2中，第三条接着处理，对源地址10.131.2.1(即tun0)的报文转发到NXM_NX_REG2[](即0x2d，十进制值为45，为pod的veth对端)

1 cookie=0x0,duration=1876880.378s,table=40,n_packets=30185,n_bytes=1267770,priority=100,arp,arp_tpa=2.45 actions=output:
2 cookie=1876880.373s,1)">70,1)">743139978,1)">738498091589,ip,nw_dst=2.45 actions=load:0->NXM_NX_REG1[],load:0x2d->NXM_NX_REG2[],goto_table:
3 cookie=9851088.683s,1)">80,1)">29879646,1)">113936915873,1)">300,nw_src=2.1 actions=output:NXM_NX_REG2[]

 

总结：

报文从外部到pod的整个流程为：node route->iptables->ovs流表->pod。需要注意的是pod内部通信走的是vxlan。全流程参见SDN Flows Inside a Node

TIPS：

  •  pod间通信是通过vxlan进行的，ovs网桥中会进行vxlan的封包，到达pod的报文转发到vxlan端口中，将目的node IP作为报文外部目的地址（tun_dst表示outer ip dst），参见OpenShift SDN
  • 外部访问pod是通过router接受流量转换为内部pod之间的通信，即vxlan方式
  • 本机访问本机的pod根据路由转发到tun0

参考：

https://cloud.tencent.com/developer/article/1070415

https://blog.51cto.com/c2014/1829179

http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/10064450.html

http://www.openvswitch.org/support/dist-docs-2.5/ovs-ofctl.8.html

http://www.openvswitch.org/support/dist-docs/ovs-fields.7.txt

https://www.ibm.com/developerworks/cn/cloud/library/1401_zhaoyi_openswitch/index.html

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-tuntap/

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