基于Kubernetes（k8s）网络方案演进

VIP PaaS在接近两年时间里，基于kubernetes主要经历四次网络方案的变迁：

1. kubernetes + flannel

2. 基于Docker libnetwork的网络定制

3. kubernetes + contiv + kube-haproxy

4. 应用容器IP固定

先简单说一下背景，PaaS平台的应用管理包括应用配置管理，应用的运行态管理。一个应用的运行态对应kubernetes的一个Replication Controller(后面使用RC简称)和一个Service，应用实例对应kubernetes中的Pod， 我们基于这样的管理方式，需要提供应用之间的相互调用，同时对部分应用要提供基于http/tcp的直接访问。

首先说一下kubernetes + flannel。

flannel主要提供了跨主机间的容器通信;

在kubernetes的Pod、Service模型里，kube-proxy又借助iptables实现了Pod和Service间通信。

基于这种网络访问功能，我们平台提供了以下功能：

基于gorouter提供的平台域名的访问 – watch k8s endpoints event管理router信息;

基于skydns并定制化kube2sky组件和kubelet，提供同一命名空间下应用(Pod)之间基于业务域名的访问 – kube2sky基于k8s Service annotation解析并注册域名信息、kubelet设置容器启动时的domain search及外部dns;

实现容器tty访问控制台 – 每台k8s node部署平台组件 tty agent(根据Pod所属node信息, 建立对应k8s结点的tty连接);

网络访问关系图如下：

在k8s + flannel的模型下，容器网络是封闭子网，可以提供平台内部应用之间基于4层和7层的调用，同时对外部提供应用基于域名（工作在七层）的直接访问，但无法满足用户在平台外部需要直接使用IP访问的需求。

在flannel网络稳定使用后，开始研究network plugin以使应用服务实例以public IP 方式供用户直接使用。

当时docker的版本为1.8, 本身还不支持网络插件.同时 kubernetes本身提供一套基于CNI的网络插件, 但本身有bug[CNI delete invoked twice with non-infra container id #20379]。

于是我们尝试从docker network plugin的角度入手，结合libnetwork从docker源码的角度进行定制。

整个架构分为三层：

1. Client Layer – Docker CLI和kubernetes(Docker client)；
2. Docker Layer – Docker daemon 并在代码层面集成libnetwork(内置OVS driver);
3. Controller Layer – ovsdb-server及network controller(自开发IPAM);

整体访问结构图：

整个方案包括以下三个流程：

1. 启动Docker Daemon：

初始化network controller -> 加载OVS Driver -> OVS Driver调用libovsdb创建docker0-ovs Bridge -> OVS Driver将主机上的一物理网卡attach到docker0-ovs上；

2. 启动容器：

OVS Driver 创建veth pair 用于连接network namespaces -> OVS Driver调用network controller获取容器IP和VLAN Tag -> OVS Driver将veth pair的一端添加到docker0-ovs上，并设置VLAN Tag -> OVS Driver设置容器内interface的IP，Mac Address以及路由 -> 设置各network interface为up;

3. 停止容器：

OVS Driver调用network controller释放容器IP -> 删除network link -> OVS Driver调用libovsdb删除port;

libnetwork工作完成了测试阶段但没有经历上线，随着Docker版本的推进，Docker1.9开始支持 contiv netplugin，我们开始研究contiv应用，在期间我们也完成了使用haproxy替换kube-proxy的开发[https://github.com/AdoHe/kube2haproxy]，并最后采用docker1.10+contiv上线。

这里根据我们实际网络访问关系再描述下PaaS在contiv整体部署结构：

Kube-haproxy替代了kube-proxy，主要是提供服务ip的公共调用，同时避免了容器数量增加后带来的iptables规则的大量增长，方便调试。

contiv带来的方便是用户可以根据实例IP直接进行访问；我们在使用过程中整体比较稳定，中间出现过一次问题： 机房停电导致了部分IP的分配状态不正确，而且contiv当时还没有提供查看已分配IP的接口。

Docker 1.10版本支持指定IP启动容器，并且由于部分应用对实例IP固定有需求，我们开始着手容器IP固定方案的设计与开发。

前面提到应用运行时，对应k8s内一个ReplicationController以及一个Service。 应用的重新部署目前采用的策略主要是重建策略。 重建的流程包括删除RC及RC下所有Pod，更新并创建新的RC(kubernetes会根据RC配置产生新的POD)。

在默认的k8s+contiv的网络环境下，容器(Pod)的IP网络连接是由contiv network plugin来完成的, contiv master只实现了简单的IP地址分配和回收，每次部署应用时，并不能保证Pod IP不变。所以我们引入了新的Pod层面的IPAM，以保证同一个应用多次发生部署时，Pod IP始终是不变的。

作为Pod层面的IPAM，我们把这一功能直接集成在了kubernetes。Pod作为k8s的最小调度单元，原有的k8s Pod Registry(主要负责处理所有与Pod以及Pod subresource相关的请求：Pod的增删改查，Pod的绑定及状态更新，exec/attach/log等操作) 并不支持在创建Pod时为Pod分配IP，Pod IP是通过获取Pod Infra Container的IP来获取的，而Pod Infra Container的IP即为contiv动态分配得来的。

Pod Registry 访问设计图：

在原有kubernetes代码基础上，我们修改了Pod结构（在PodSpec中加入PodIP）并重写了Pod Registry 同时引入了两个新的资源对象：

1. Pod IP Allocator: Pod IP Allocator是一个基于etcd的IP地址分配器，主要实现Pod IP的分配与回收。
Pod IP Allocator通过位图记录IP地址的分配情况，并且将该位图持久化到Etcd;

2. Pod IP Recycler: Pod IP Recycler是一个基于etcd的IP地址回收站，也是实现PodConsistent IP的核心。Pod IP Recycler基于RC全名（namespace + RC name）记录每一个应用曾经使用过的IP地址，并且在下一次部署的时候预先使用处于回收状态的IP。

Pod IP Recycler只会回收通过RC创建的Pod的IP，通过其他controller或者直接创建的Pod的IP并不会记录，所以通过这种方式创建的Pod的IP并不会保持不变; 同时Pod IP Recycle检测每个已回收IP对象的TTL，目前设置的保留时间为一天。

这里对kubelet也进行了改造，主要包括根据Pod Spec中指定IP进行相关的容器创建（docker run加入IP指定）以及Pod删除时释放IP操作。

创建和删除Pod的UML时序图如下：

Pod的创建在PaaS里主要有两种情形：

1. 应用的第一次部署及扩容，这种情况主要是从IP pool中随机分配；
2. 应用的重新部署：在重新部署时，已经释放的IP已根据RC全名存放于IP Recycle列表中，这里优先从回收列表中获取IP，从而达到IP固定的效果。

整体删除过程为：由PaaSNg或kube-controller-manager调用apiserver Pod Delete并设置DeletionTimestamp, kubelet监听到删除时间并获取GracefulDeletiontime，删除应用容器, 通知apiserver释放IP（释放IP时获取Pod所属RC，根据是否有对应RC 名称决定是否存放在IP Recycle列表），删除Pause Pod，通知apiserver 删除Pod对象。

另外为了防止IP固定方案中可能出现的问题，我们在kubernetes中加入了额外的REST api: 包括对已分配IP的查询，手动分配/释放IP..。

对目前方案的总结：

容器IP固定方案已上线，运行基本没问题，但稳定性有待提升。主要表现为偶然性不能在预期时间内停止旧Pod，从而无法释放IP造成无法复用（初步原因是由于Docker偶尔的卡顿造成无法在规定时间内停止容器）。我们短期的work around是使用额外添加的REST apiss手动修复，后期IP固定方案会继续加强稳定性并根据需求进行优化。