Preface
除了自行架設 Kubernetes 之外，愈來愈多的公有雲提供商也都提供了 Kubernetes 的服務，從 Google 的 GKE(Google Kubernetes Engine), Amazon 的 AKS(Amazon Kubernetes Service) 到 Azure 的 AKS(Azure Kubernetes Service)，使用者都可以很簡易的透過其提供的操控介面創造一個全新的 kubernetes 集群來使用。
對我來說，這些公有雲集群與自建集群有非常多的差異，由於這些公有雲所提供的 kubernetes 都基於這些公有雲的基本架構上，所以有特別多的資源可以進行整合，譬如 Load-Balancer/Ingress 就可以搭配自家的 LoadBalancer 來使用，同時 Ingress 所使用的 hostname 也能夠跟相關的 DNS 整合。此外還有一個很明顯的差異就是 IP 的分配及使用。 不論是 AKS 或是 EKS 都提供了讓 Node 與 Pod 使用相同的 IP/Subnet 的機制，而這部分則是牽扯到 Container Network Interface 的設計，因此如 AKS/EKS 都有開源使用到的 CNI.
Amazon-VPC-CNI-K8S
Azure-Container-Networking
透過研究這些 CNI 的設計原理，可以學習到滿多的設計想法，同時若今天也有相同的需求，也可以作為一個參考對象去學習。
接下來會針對 AKS 的部分去探討其 CNI 的運作，並且分成兩篇文章來研究。第一篇文章主要會針對 IP 的管理，包含了分配與設定，以及相關的檔案資訊，第二篇文章則會針對 Routing 的設定，這種網路設定下，實際上封包再傳輸的時候有哪些不同於 Flannel/Calico/Bridge 的設定與用法。
Introduction
正式探討 Azure-Container-Networking CNI 的運作之前，有一些基本的概念要先瞭解，當你透過 Azure Portal 創立一個三個節點的 AKS 服務後，Azure 會幫你創建不少相關的資源, 其中跟本文關係較重要的幾個分別是
- Nodes (Virtual Machines)
- VNet (Virtual Networks)
- Kubernetes
Nodes 的數量就是 AKS 的節點數量，而節點上能夠擁有的 IP/Subnet 則都是在 VNet 該資源中管理。 該 Vnet 所管理的 IP/Subnet 不但跟節點有關，也跟運行在該節點上的 Pod 有關，因為 Pod 最終使用的 IP/Subnet 都是在 VNet 這邊去設定與控管。
而這些 Nodes 之間的網路連線則是 Azure 本身幫忙處理的，實際上是透過 Azure SDN Fabric 的概念來幫忙處理這些節點間的網路傳輸，包含相關的 Virtual Networks 的處理。
最後則是基於這些架構下於節點上安裝 kubernetes 相關的元件並提供一個可操作的 kubernetes 叢集。
本文的所有環境都基於下列的 AKS 架構圖，如下圖。
此外可以參考這篇官方文章學習如何透過 SSH 連線到 AKS 的節點中來進行本文的研究
Azure-Container-Networking(CNI)
Container Network Interface CNI 是一套規範，用來處理容器本身的網路設定，至於要提供什麼樣的網路能力本身並沒有定義，而是根據不同的 CNI 實現自行決定，根據不同的情境與設定來提供不同的功能與效果。
CNI 本身的運作原理是以機器為單位，不以叢集為單位，因此每台機器都要安裝欲使用的 CNI 執行檔以及對應的設定檔案。
以本文的範例為例，三個節點就意味三個節點上都會安裝對應的 CNI 執行檔，也就是 Azure-Container-Networking 專案的產物，同時也會有對應的設定檔案。
我們可以於 AKS 的節點上面的 /opt/cni/bin 中觀察到目前系統中安裝的 CNI 執行檔
1 | [email protected]:~$ ls /opt/cni/bin/ |
其中 azure-vnet, azure-vnet-ipam 兩個則是 Azure-Container-Networking 這個專案所產生的，一個用來處理網路連接，一個用來處理 IP/Subnet 的取得與設定
1 | [email protected]:~$ ls /etc/cni/net.d/ |
這個設定檔案的內容我們先暫時不去解讀，只要知道每一台 AKS 節點上都會有一個獨立的檔案來負責該節點的 CNI 即可。
CNI 的運作流程簡單來說可以分成多個步驟，分別是
- Kubelet 收到通知要創建對應的 Pod
- Kubelet 透過
CRI創建Pause Container - Kubelet 呼叫
CNI並且將Pause Container的部份資訊當作參數傳給CNI CNI根據自己的實現為Pause Container提供網路能力- Kubelet 相信
CNI已經完成所需任務，接下來創建使用者需要的Containers，這些Containers的網路空間都直接掛載到Pause Container上
而本文主要探討的 Azure-Vnet CNI 主要負責的部分就是 4 所描述的工作，為 Pause Container 提供網路能力。
此外對於 CNI 這個議題有興趣的人可以參閱下列系列文章來學習更多 CNI 相關的資訊
- 常見 CNI (Container Network Interface) Plugin 介紹
- [Container Network Interface] CNI Introduction
- [Container Network Interface] Bridge Network In Docker
- [Container Network Interface] Write a CNI Plugin By Golang
- CNI 常見問題整理
Azure-VNET
Azure-VNET CNI 的詳細原始碼都在 Github-Azure-Container-Networking, 有興趣的讀者可以自行閱讀來學習。
基本上 Azure-VNET 跟常見的 L2 Linux Bridge 非常相似，其運作流程如下
- 創建一個 Linux Bridge
Azure0(若存在就不創造) - 創造一條
Veth的Linux Logical Link - 將該
Veth的一端放到Pause Container內，並且命名為eth0. - 將該
Veth的另一端綁到Azure0上，該Veth的名稱都是會azvxxxxxxx - 呼叫
Azure-VNET-IPAM去取得可用的IP/Subnet並且設定到Pause Container內的eth0介面- 這部分會在下個章節解釋其運作
有興趣的讀者也可以參閱 AKS SSH to Node 這篇文章的方式連接到 AKS 內部的節點來實際看看這些資訊
我們可以使用 brctl 這個工具來觀察 Linux Bridge 的關係
1 | [email protected]:~$ brctl show |
基本上整個節點中的狀況如下圖，每個 Pod 都會透過 Veth 與 Azure0 這個 Linux Bridge相連
基本上該節點上面有多少個沒有設定 HostNetwork=true 的 Pod, 就會有多少條對應的 azvxxxx veth link.
此外，我個人對於 Azure-VNET CNI 覺得很好也喜愛的地方就是留有大量地資訊在節點上，這部分不論是對於研究或是除錯都非常的好用。
該資訊被放置於 /var/run/azure-vnet.json, 當 azure-vnet CNI 每次被呼叫來執行對應工作的時候，都會詳細的紀錄這次的資訊，包含 ContainerID, PodName, IP, Route等各式各樣的設定資訊。
1 | { |
上述 Endpoints 裡面的每個物件都會描述到一個 Pause Container 的網路環境與設定，不過對於 CNI 來說本身不在意是不是 Pause Container. 這部分是 Kubelet 自行實現的邏輯，所以基本上不會再 CNI 這邊看到 Pause Container 相關的文字。
Azure-VNET-IPAM
接下來要探討的是要如何分配 IP/Subnet 這件事情，基本上任意兩個 Pod 都不應該使用相同的 IP/Subnet。但是對於 CNI 這種非中央極權管理的執行程式來說，要做到不衝突就必須要有一些機制了。
各式各樣的 CNI 都有自己的機制來處理，不論是透過 ectd 或是自行實現集中式管理機制，只要能夠避免分配重複 IP/Subnet 即可
前面有提過，三大公有雲的 Kubernetes Service 相較於自建來說有更多的優勢與特色就是因為可以將 KUbernetes 與公有雲內的設施與狀態結合來提供更多的功能
Azure-VNET-IPAM 這個 IP/Subnet 管理機制基本上就是與 Azure 的環境有高度整合，接下來我們來看一下其運作的原理。
每台機器上的 Azure-VNET-IPAM 這個 CNI 都會執行相同的運作原理，最後卻要取得不同的 IP/Subnet, 這整個運作原理如下
- 每個
Azure-VNET-IPAM CNI都會透過HTTP去詢問叢集 API, 來確認當前節點在VNET內可以擁有的IP數量 - 從可用的
IP數量內隨機挑選一個IP並返回 - 最後
Azure-VNET就會取得Azure-VNET-IPAM得到的IP/Subnet並且設定到對應的Pause Container裡面
API
從原始碼中可以觀察到下列 URL 的設定1
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7const (
// Host URL to query.
azureQueryUrl = "http://168.63.129.16/machine/plugins?comp=nmagent&type=getinterfaceinfov1"
// Minimum time interval between consecutive queries.
azureQueryInterval = 10 * time.Second
)
然而目前實際上使用沒有通，原因在於先前的 Commit 有修改過該 URL 的數值，而且該 Commit 距離這篇文章不到一個月前，所以我認為 Azure 上面還沒有採用新的版本，因此實際上操作時還是使用舊有的 URL。1
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5Update host machine ip (#300)
* Limiting the size of our buffered payload to ~2MB
* Changing IPs for calls to host machines from 169.254.169.254 to 168.63.129.16.
根據上述的原始碼，我們可以直接在 AKS 節點中直接透過 curl 的方式去詢問，結果如下1
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34[email protected]:~$ curl "http://169.254.169.254/machine/plugins?comp=nmagent&type=getinterfaceinfov1"
<Interfaces><Interface MacAddress="000D3A51C490" IsPrimary="true"><IPSubnet Prefix="10.240.0.0/16">
<IPAddress Address="10.240.0.35" IsPrimary="true"/>
<IPAddress Address="10.240.0.36" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.37" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.38" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.39" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.40" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.41" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.42" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.43" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.44" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.45" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.46" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.47" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.48" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.49" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.50" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.51" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.52" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.53" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.54" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.55" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.56" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.57" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.58" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.59" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.60" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.61" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.62" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.63" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.64" IsPrimary="false"/>
<IPAddress Address="10.240.0.65" IsPrimary="false"/>
</IPSubnet></Interface></Interfaces>
有趣的是，不同的 AKS 節點問到的結果會是不同的，所以每台節點上得 AKS-VNET-IPAM 都可以透過這個方式來取得該台節點上所擁有能夠使用的 IP 數量以及對應的網段。
此外 AKS-VNET-IPAM 也會在本機端記錄相對應的資訊, 檔案位置位於 /var/run/azure-vnet-ipam.json
其內容主要會紀錄本機端可以使用的所有 IP 位置1
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40{
"IPAM": {
"Version": "v1.0.17",
"TimeStamp": "2019-03-18T21:48:15.199533623Z",
"AddressSpaces": {
"local": {
"Id": "local",
"Scope": 0,
"Pools": {
"10.240.0.0/16": {
"Id": "10.240.0.0/16",
"IfName": "eth0",
"Subnet": {
"IP": "10.240.0.0",
"Mask": "//8AAA=="
},
"Gateway": "10.240.0.1",
"Addresses": {
"10.240.0.36": {
"ID": "",
"Addr": "10.240.0.36",
"InUse": true
},
"10.240.0.37": {
"ID": "",
"Addr": "10.240.0.37",
"InUse": true
},
"10.240.0.38": {
"ID": "",
"Addr": "10.240.0.38",
"InUse": true
},
"10.240.0.39": {
"ID": "",
"Addr": "10.240.0.39",
"InUse": false
},
..............
}}
基本上這些 IP 的資訊就跟 Azure Portal 裡面 VNet (Virtual Networks) 顯示的數量是一致的，因此我們可以透過 Portal 的方式就知道每台節點上運行的 Pod 的 IP 範圍。
Capacity
一個很有趣的問題這時候就會浮現了，因為每個節點上能夠使用的 IP 數量跟 Virtual Networks 裡面的每台節點有關，那如果我部署大量的 Pod 到該節點上是否會發生 IP 不足夠的問題?
針對這個問題，我嘗試部署了超過 IP 數量的 Pod 到節點上，結果最後看到的是滿滿的 Pending1
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12hwchiu-utils-785f896cc5-cgjsq 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-4gmwv 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-brnl6 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-gwgcz 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-v5s45 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-knz2r 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-26pn2 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-xcmft 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-wlckh 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-dm49b 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-nkcgw 0/1 Pending 0 4m
hwchiu-utils-785f896cc5-cwkbl 0/1 Pending 0 4m
這意味者這些 Pod 在 kubernetes scheduler/kubelet 這階段就被阻止了，根本沒有機會讓 CNI 繼續往下執行，這時候我們可以研究一下該 kubernetes node 的設定, 可以發現到有趣的資訊1
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16Capacity:
attachable-volumes-azure-disk: 8
cpu: 2
ephemeral-storage: 30428648Ki
hugepages-1Gi: 0
hugepages-2Mi: 0
memory: 7137108Ki
pods: 30
Allocatable:
attachable-volumes-azure-disk: 8
cpu: 1931m
ephemeral-storage: 28043041951
hugepages-1Gi: 0
hugepages-2Mi: 0
memory: 5357396Ki
pods: 30
這兩者的資訊可以參閱 reserve-compute-resources
其中可以注意到 Pod 的數量被設定成 30，這個數字跟我們先前透過 API 去問到的 IP 數目幾乎是一致的
API 問到的 IP 還包括節點本身，所以是 30 + 1 = 31
所以這邊可以看到針對 IP 用光的問題， AKS 處理的方式除了 CNI 本身顯示錯誤訊息之外，最上層還先透過 Kubernetes Node Capacity 的方式進行了第一層的阻擋，理論上 CNI 本身不應該遇到 IP 用光的情形，因為根本不應該有超過數量的 Pod 被嘗試部署到該節點上。
Summary
本文中我們研究了 AKS 中節點的 CNI 運作流程，包含了簡單的網路設定 (L2 Bridge)，同時也探討一下了 IPAM 的運作邏輯與流程，發現到該 IPAM 與 Azure 的架構本身有強烈的整合，透過 Azure VNET 的設定來控管每個節點上的 Pod 能夠使用的 IP 範圍與數量。
最後我們用一張流程圖來幫本文的 CNI 做一個總結
下一篇文章會著重在此基礎上，當上述的 L2 Bridge 與 IPAM 都處理完畢後，這些 Pod 彼此中間是怎麼溝通的，不論是同節點或是跨節點的傳輸，特別是這些節點實際上都是 VM 的情況下，是要如何做到跨節點傳輸的
Reference
- Connect with SSH to Azure Kubernetes Service (AKS) cluster nodes
- Github-Azure-Container-Networking
- reserve-compute-resources
個人資訊
我目前於 Hiskio 平台上面有開設 Kubernetes 相關課程，歡迎有興趣的人參考並分享，裡面有我從底層到實戰中對於 Kubernetes 的各種想法
線上課程詳細資訊: https://course.hwchiu.com/
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