1. kube-controller-manager 对网段的管理
在 kube-controller-manager 有众多控制器，与 Pod IP 相关的是 NodeIpamController。
NodeIpamController 控制器主要是管理节点的 podcidr，当有新节点加入集群时，分配一个子网段给节点；当节点删除时，回收子网段。
每个节点的子网段不会重叠，每个节点都能够独立地完成 Pod IP 的分配。
下面看一个 kube-controller-manager 的运行示例:
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| kubectl -n kube-system get pod kube-controller-manager -o yaml
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其中关于网段配置的部分为:
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| spec:
containers:
- command:
- kube-controller-manager
- --allocate-node-cidrs=true
- --cluster-cidr=10.234.0.0/16
- --node-cidr-mask-size=24
- --service-cluster-ip-range=10.96.0.0/16
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cluster-cidr 指定了 Pod IP 的范围，掩码位数 16，如果不考虑保留 IP，意味着集群最多可以容纳 2^16 = 65536 个 pod。
这些 Pod 分布在若干个节点上，接着看 node-cidr-mask-size 为 24，每个节点只剩下 32-24=8 位留给 pod，每个节点最多能创建 2^8=256 个 pod。
相应的，这个集群能够容纳的节点数量为 2^(32-16-8)=256 个节点。
在规划集群时，需要根据集群的规模来调整这两个参数。
开启 allocate-node-cidrs、设置 cluster-cidr 之后，kube-controller-manager 会给每个节点分配子网段，将结果写入 spec.podCIDR 字段。
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| spec:
podCIDR: 10.234.58.0/24
podCIDRs:
- 10.234.58.0/24
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下面我们从源码分析一下这一过程。
1. 启动 NodeIpamController
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| func startNodeIpamController(ctx context.Context, controllerContext ControllerContext) (controller.Interface, bool, error) {
// 如果 allocate-node-cidrs 没有开启会立即返回
if !controllerContext.ComponentConfig.KubeCloudShared.AllocateNodeCIDRs {
return nil, false, nil
}
// 获取 clusterCIDR, serviceCIDR 启动 NodeIpamController
nodeIpamController, err := nodeipamcontroller.NewNodeIpamController(
ctx,
controllerContext.InformerFactory.Core().V1().Nodes(),
clusterCIDRInformer,
controllerContext.Cloud,
controllerContext.ClientBuilder.ClientOrDie("node-controller"),
clusterCIDRs,
serviceCIDR,
secondaryServiceCIDR,
nodeCIDRMaskSizes,
ipam.CIDRAllocatorType(controllerContext.ComponentConfig.KubeCloudShared.CIDRAllocatorType),
)
go nodeIpamController.RunWithMetrics(ctx, controllerContext.ControllerManagerMetrics)
return nil, true, nil
}
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RunWithMetrics 只是提供了一些监控指标，真正的启动逻辑在 Run 方法中。
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| func (nc *Controller) RunWithMetrics(ctx context.Context, controllerManagerMetrics *controllersmetrics.ControllerManagerMetrics) {
controllerManagerMetrics.ControllerStarted("nodeipam")
defer controllerManagerMetrics.ControllerStopped("nodeipam")
nc.Run(ctx)
}
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| func (nc *Controller) Run(ctx context.Context) {
if nc.allocatorType == ipam.IPAMFromClusterAllocatorType || nc.allocatorType == ipam.IPAMFromCloudAllocatorType {
go nc.legacyIPAM.Run(ctx)
} else {
go nc.cidrAllocator.Run(ctx)
}
<-ctx.Done()
}
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1.2 监听节点变化
在查找 cidrAllocator 接口实现的时候，我发现了三种 CIDR 分配器，分别是 RangeAllocator 适用单网段分配、MultiCIDRRangeAllocator 适用于多 CIDR、CloudCIDRAllocator 适用于对接云厂。
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| func New(ctx context.Context, kubeClient clientset.Interface, cloud cloudprovider.Interface, nodeInformer informers.NodeInformer, clusterCIDRInformer networkinginformers.ClusterCIDRInformer, allocatorType CIDRAllocatorType, allocatorParams CIDRAllocatorParams) (CIDRAllocator, error) {
switch allocatorType {
case RangeAllocatorType:
return NewCIDRRangeAllocator(logger, kubeClient, nodeInformer, allocatorParams, nodeList)
case MultiCIDRRangeAllocatorType:
if !utilfeature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.MultiCIDRRangeAllocator) {
return nil, fmt.Errorf("invalid CIDR allocator type: %v, feature gate %v must be enabled", allocatorType, features.MultiCIDRRangeAllocator)
}
return NewMultiCIDRRangeAllocator(ctx, kubeClient, nodeInformer, clusterCIDRInformer, allocatorParams, nodeList, nil)
case CloudAllocatorType:
return NewCloudCIDRAllocator(logger, kubeClient, cloud, nodeInformer)
default:
return nil, fmt.Errorf("invalid CIDR allocator type: %v", allocatorType)
}
}
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这里看看 RangeAllocator 的实现。
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| func NewCIDRRangeAllocator(logger klog.Logger, client clientset.Interface, nodeInformer informers.NodeInformer, allocatorParams CIDRAllocatorParams, nodeList *v1.NodeList) (CIDRAllocator, error) {
nodeInformer.Informer().AddEventHandler(cache.ResourceEventHandlerFuncs{
AddFunc: controllerutil.CreateAddNodeHandler(func(node *v1.Node) error {
return ra.AllocateOrOccupyCIDR(logger, node)
}),
UpdateFunc: controllerutil.CreateUpdateNodeHandler(func(_, newNode *v1.Node) error {
if len(newNode.Spec.PodCIDRs) == 0 {
return ra.AllocateOrOccupyCIDR(logger, newNode)
}
return nil
}),
DeleteFunc: controllerutil.CreateDeleteNodeHandler(logger, func(node *v1.Node) error {
return ra.ReleaseCIDR(logger, node)
}),
})
return ra, nil
}
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其实 RangeAllocator 分配器的实现与写 Operator 时的控制器类似，都是通过 informer 来监听资源的变化，然后调用相应的方法。
1.3 更新节点的 podCIDR
这里比较特殊的是，控制器并不是直接操作资源，而是将变更放到了一个 channel 中，然后通过 goroutine 处理状态更新。
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| func (r *rangeAllocator) AllocateOrOccupyCIDR(logger klog.Logger, node *v1.Node) error {
allocated := nodeReservedCIDRs{
nodeName: node.Name,
allocatedCIDRs: make([]*net.IPNet, len(r.cidrSets)),
}
for idx := range r.cidrSets {
podCIDR, err := r.cidrSets[idx].AllocateNext()
allocated.allocatedCIDRs[idx] = podCIDR
}
// 将更新的内容放入 channel 中
r.nodeCIDRUpdateChannel <- allocated
return nil
}
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nodeCIDRUpdateChannel 的长度是 5000。
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| cidrUpdateQueueSize = 5000
nodeCIDRUpdateChannel: make(chan nodeReservedCIDRs, cidrUpdateQueueSize),
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而更新 Node Spec 的逻辑是通过 30 个 goroutine 来处理。
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| const cidrUpdateWorkers untyped int = 30
for i := 0; i < cidrUpdateWorkers; i++ {
go r.worker(ctx)
}
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| func (r *rangeAllocator) worker(ctx context.Context) {
logger := klog.FromContext(ctx)
for {
select {
case workItem, ok := <-r.nodeCIDRUpdateChannel:
if !ok {
logger.Info("Channel nodeCIDRUpdateChannel was unexpectedly closed")
return
}
if err := r.updateCIDRsAllocation(logger, workItem); err != nil {
// Requeue the failed node for update again.
r.nodeCIDRUpdateChannel <- workItem
}
case <-ctx.Done():
return
}
}
}
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cidrUpdateRetries = 3 这里会重试 3 次更新，如果一直更新失败，会将节点重新放入 channel 中，等待下次更新。
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| // updateCIDRsAllocation assigns CIDR to Node and sends an update to the API server.
func (r *rangeAllocator) updateCIDRsAllocation(logger klog.Logger, data nodeReservedCIDRs) error {
// If we reached here, it means that the node has no CIDR currently assigned. So we set it.
for i := 0; i < cidrUpdateRetries; i++ {
if err = nodeutil.PatchNodeCIDRs(r.client, types.NodeName(node.Name), cidrsString); err == nil {
logger.Info("Set node PodCIDR", "node", klog.KObj(node), "podCIDRs", cidrsString)
return nil
}
}
// 放回 pool 中
controllerutil.RecordNodeStatusChange(logger, r.recorder, node, "CIDRAssignmentFailed")
}
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使用 Patch 方法更新节点对象的 Spec 字段。
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| func PatchNodeCIDRs(c clientset.Interface, node types.NodeName, cidrs []string) error {
// set the Pod cidrs list and set the old Pod cidr field
patch := nodeForCIDRMergePatch{
Spec: nodeSpecForMergePatch{
PodCIDR: cidrs[0],
PodCIDRs: cidrs,
},
}
patchBytes, err := json.Marshal(&patch)
if err != nil {
return fmt.Errorf("failed to json.Marshal CIDR: %v", err)
}
if _, err := c.CoreV1().Nodes().Patch(context.TODO(), string(node), types.StrategicMergePatchType, patchBytes, metav1.PatchOptions{}); err != nil {
return fmt.Errorf("failed to patch node CIDR: %v", err)
}
return nil
}
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2. kubelet 对网络的配置
上图是 Kubelet 创建 Pod 的过程，这里截取其中对网络配置的部分进行分析:
- Pod 调度到某个节点上
- kubelet 通过 cri 调用 container runtime 创建 sandbox
- container runtime 创建 sandbox
- container runtime 调用 cni 创建 Pod 网络
- IPAM 对 Pod IP 的管理
下面从源码实现的角度来看看这个过程。
2.1 Pod 调度到某个节点上
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| apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
labels:
app: demo
pod-template-hash: 7b9b5cf76b
name: demo-7b9b5cf76b-5lpmj
namespace: default
spec:
containers:
- image: shaowenchen/demo:ubuntu
nodeName: node1
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Kubernetes 中调度的过程是 kube-scheduler 根据 Pod 的资源需求和节点的资源情况，将 Pod 调度到某个节点上，并将调度结果写入 pod.spec.nodeName 字段。
这部分不是网络的重点，之前我也在生产环境下定制过调度器，感兴趣的话可以看看 Tekton 优化之定制集群调度器 。
2.2 kubelet 调用 cri 创建 sandbox
SyncPod 是 kubelet 中的核心方法，它会根据 Pod 的状态，调用 cri 创建或删除 pod。
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| // SyncPod syncs the running Pod into the desired Pod by executing following steps:
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// 1.计算沙箱和容器变化。
// 2. 必要时关闭 Pod 沙箱。
// 3. 关闭任何不应运行的容器。
// 4.必要时创建沙箱。
// 5.创建 ephemeral 容器。
// 6. 创建 init 容器。
// 7. 调整运行容器的大小（如果 InPlacePodVerticalScaling==true）
// 8. 创建正常容器
func (m *kubeGenericRuntimeManager) SyncPod(ctx context.Context, Pod *v1.Pod, podStatus *kubecontainer.PodStatus, pullSecrets []v1.Secret, backOff *flowcontrol.Backoff) (result kubecontainer.PodSyncResult) {
// Step 4: Create a sandbox for the Pod if necessary.
podSandboxID, msg, err = m.createPodSandbox(ctx, pod, podContainerChanges.Attempt)
}
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调用 RuntimeService 接口的 RunPodSandbox 方法创建 sandbox。
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| // createPodSandbox creates a Pod sandbox and returns (podSandBoxID, message, error).
func (m *kubeGenericRuntimeManager) createPodSandbox(ctx context.Context, Pod *v1.Pod, attempt uint32) (string, string, error) {
podSandBoxID, err := m.runtimeService.RunPodSandbox(ctx, podSandboxConfig, runtimeHandler)
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经过 runtimeService、instrumentedRuntimeService 接口的封装，最终会调用 remoteRuntimeService 的 RunPodSandbox 方法。
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| // RunPodSandbox creates and starts a pod-level sandbox. Runtimes should ensure
// the sandbox is in ready state.
func (r *remoteRuntimeService) RunPodSandbox(ctx context.Context, config *runtimeapi.PodSandboxConfig, runtimeHandler string) (string, error) {
resp, err := r.runtimeClient.RunPodSandbox(ctx, &runtimeapi.RunPodSandboxRequest{
Config: config,
RuntimeHandler: runtimeHandler,
})
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这里的 runtimeClient 是一个 rpc client，通过 rpc 调用 container runtime 创建 sandbox。
2.3 container runtime 创建 sandbox
以 containerd 为例，创建 sandbox:
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| func (in *instrumentedService) RunPodSandbox(ctx context.Context, r *runtime.RunPodSandboxRequest) (res *runtime.RunPodSandboxResponse, err error) {
if err := in.checkInitialized(); err != nil {
return nil, err
}
res, err = in.c.RunPodSandbox(ctrdutil.WithNamespace(ctx), r)
return res, errdefs.ToGRPC(err)
}
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调用 CNI 创建网络，创建 sandbox。
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| // RunPodSandbox creates and starts a pod-level sandbox. Runtimes should ensure
// the sandbox is in ready state.
func (c *criService) RunPodSandbox(ctx context.Context, r *runtime.RunPodSandboxRequest) (_ *runtime.RunPodSandboxResponse, retErr error) {
// 生成 sandbox id
id := util.GenerateID()
metadata := config.GetMetadata()
name := makeSandboxName(metadata)
// 获取 sandbox 的 oci 运行时
ociRuntime, err := c.getSandboxRuntime(config, r.GetRuntimeHandler())
sandboxInfo.Runtime.Name = ociRuntime.Type
sandboxInfo.Sandboxer = ociRuntime.Sandboxer
// 创建 sandbox 对象
sandbox := sandboxstore.NewSandbox(
sandboxstore.Metadata{
ID: id,
Name: name,
Config: config,
RuntimeHandler: r.GetRuntimeHandler(),
},
sandboxstore.Status{
State: sandboxstore.StateUnknown,
},
)
// 调用 CNI 插件，创建 sandbox 的网络
if !hostNetwork(config) && !userNsEnabled {
var netnsMountDir = "/var/run/netns"
sandbox.NetNS, err = netns.NewNetNS(netnsMountDir)
// Save sandbox metadata to store
if err := c.setupPodNetwork(ctx, &sandbox); err != nil {
return nil, fmt.Errorf("failed to setup network for sandbox %q: %w", id, err)
}
}
// 创建 sandbox
err = c.nri.RunPodSandbox(ctx, &sandbox)
}
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2.4 container runtime 调用 cni 创建 Pod 网络
在上一步骤中，调用 RunPodSandbox 创建 sandbox 之前，会先调用 setupPodNetwork 配置网络。这里展开看一下 setupPodNetwork 的实现。
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| func (c *criService) setupPodNetwork(ctx context.Context, sandbox *sandboxstore.Sandbox) error {
var (
id = sandbox.ID
config = sandbox.Config
path = sandbox.NetNSPath
netPlugin = c.getNetworkPlugin(sandbox.RuntimeHandler)
err error
result *cni.Result
)
if c.config.CniConfig.NetworkPluginSetupSerially {
result, err = netPlugin.SetupSerially(ctx, id, path, opts...)
} else {
result, err = netPlugin.Setup(ctx, id, path, opts...)
}
}
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libcni 实现了 netPlugin 接口
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| // containerd/go-cni/cni.go
func (c *libcni) Setup(ctx context.Context, id string, path string, opts ...NamespaceOpts) (*Result, error) {
if err := c.Status(); err != nil {
return nil, err
}
// 建一个新的网络命名空间
ns, err := newNamespace(id, path, opts...)
if err != nil {
return nil, err
}
// 调用 CNI 插件
result, err := c.attachNetworks(ctx, ns)
if err != nil {
return nil, err
}
return c.createResult(result)
}
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attachNetworks 起了很多协程，每个协程调用 asynchAttach 方法，asynchAttach 方法调用 Attach 方法。
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| func (c *libcni) attachNetworks(ctx context.Context, ns *Namespace) ([]*types100.Result, error) {
var wg sync.WaitGroup
var firstError error
results := make([]*types100.Result, len(c.Networks()))
rc := make(chan asynchAttachResult)
for i, network := range c.Networks() {
wg.Add(1)
go asynchAttach(ctx, i, network, ns, &wg, rc)
}
for range c.Networks() {
rs := <-rc
if rs.err != nil && firstError == nil {
firstError = rs.err
}
results[rs.index] = rs.res
}
wg.Wait()
return results, firstError
}
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运行了很多协程调用 CNI，但 rc channel 的长度为 1，处理结果时却一个一个的。
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| func asynchAttach(ctx context.Context, index int, n *Network, ns *Namespace, wg *sync.WaitGroup, rc chan asynchAttachResult) {
defer wg.Done()
r, err := n.Attach(ctx, ns)
rc <- asynchAttachResult{index: index, res: r, err: err}
}
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Attach 方法中才真正开始调用 CNI 插件。
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| func (n *Network) Attach(ctx context.Context, ns *Namespace) (*types100.Result, error) {
r, err := n.cni.AddNetworkList(ctx, n.config, ns.config(n.ifName))
if err != nil {
return nil, err
}
return types100.NewResultFromResult(r)
}
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在 https://github.com/containernetworking/cni/blob/main/libcni/api.go 中 CNI 接口定义了很多方法，其中最重要的是 AddNetwork 和 DelNetwork 方法，带 List 的方法是批量操作。
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| type CNI interface {
AddNetworkList(ctx context.Context, net *NetworkConfigList, rt *RuntimeConf) (types.Result, error)
AddNetwork(ctx context.Context, net *NetworkConfig, rt *RuntimeConf) (types.Result, error)
DelNetworkList(ctx context.Context, net *NetworkConfigList, rt *RuntimeConf) error
DelNetwork(ctx context.Context, net *NetworkConfig, rt *RuntimeConf) error
}
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AddNetwork 用于为容器添加网络接口，在主机上创建 veth 网卡绑定到容器的 ech0 网卡上。DelNetwork 用于在容器删除时，清理容器相关的网络配置。
CNI 调用插件的核心是 Exec 接口，直接调用二进制程序。
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| type Exec interface {
ExecPlugin(ctx context.Context, pluginPath string, stdinData []byte, environ []string) ([]byte, error)
FindInPath(plugin string, paths []string) (string, error)
Decode(jsonBytes []byte) (version.PluginInfo, error)
}
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CRI 以标准输入、环境变量的形式将网络配置信息传递给 CNI 插件。CNI 插件处理完成之后，将网络配置信息写入到标准输出中，CRI 将标准输出中的网络配置信息解析出来，写入到容器的网络配置文件中。
再回到 container runtime 的实现 containerd:
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| /usr/bin/containerd config dump |grep cni
[plugins."io.containerd.grpc.v1.cri".cni]
bin_dir = "/opt/cni/bin"
conf_dir = "/etc/cni/net.d"
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这里的 /etc/cni/net.d 是 CNI 网络配置文件的默认存放路径，/opt/cni/bin 是 CNI 网络插件的默认搜索路径。
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| ls /opt/cni/bin
bandwidth calico cilium-cni firewall host-device install loopback portmap sbr tuning vrf
bridge calico-IPAM dhcp flannel host-local ipvlan macvlan ptp static vlan
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| cat /etc/cni/net.d/05-cilium.conf
{
"cniVersion": "0.3.1",
"name": "cilium",
"type": "cilium-cni",
"enable-debug": false
}
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这些配置用来初始化 CRI 获取 CNI 插件的 netPlugin map[string]cni.CNI 结构。
2.5 IPAM 对 Pod IP 的管理
IPAM 是 IP Address Management 的缩写，负责为容器分配 ip 地址。IPAM 组件通常是一个独立的二进制文件，也可以直接由 CNI 插件实现。在 https://github.com/containernetworking/plugins/tree/main/plugins/ipam 中，目前有三种实现 host-local、dhcp、static。 这里以 host-local 为例:
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| cat /etc/cni/net.d/10-cni.conflist
{
"name": "networks",
"type": "cni",
"ipam": {
"type": "host-local",
"subnet": "10.234.58.0/24",
"routes": [{ "dst": "0.0.0.0/0" }]
}
}
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指定了 CNI 插件的类型为 host-local，指定了 Pod IP 的网段为 “10.234.58.0/24” 。
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| ls /var/lib/cni/networks
10.234.58.76 10.234.58.87 last_reserved_ip.0 lock
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| cat 10.234.58.76
b3b668af977bbeca6853122514044865793c056e81cccebf115dacffd25a8bcc
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这里有一组以 ip 命名的文件，而文件里面又是一串字符串。那么这些到底是什么呢？
申请一个 Pod IP 时，先获取一个可用 ip
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| func cmdAdd(args *skel.CmdArgs) error {
for idx, rangeset := range ipamConf.Ranges {
ipConf, err := allocator.Get(args.ContainerID, args.IfName, requestedIP)
}
}
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获取到可用 ip 之后，先尝试着存储到本地目录文件中
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| func (a *IPAllocator) Get(id string, ifname string, requestedIP net.IP) (*current.IPConfig, error) {
for {
reservedIP, gw = iter.Next()
reserved, err := a.store.Reserve(id, ifname, reservedIP.IP, a.rangeID)
}
}
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直接写本地文件目录
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| func (s *Store) Reserve(id string, ifname string, ip net.IP, rangeID string) (bool, error) {
fname := GetEscapedPath(s.dataDir, ip.String())
f, err := os.OpenFile(fname, os.O_RDWR|os.O_EXCL|os.O_CREATE, 0o600)
if os.IsExist(err) {
return false, nil
}
if _, err := f.WriteString(strings.TrimSpace(id) + LineBreak + ifname); err != nil {
f.Close()
os.Remove(f.Name())
return false, err
}
}
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写入的内容为 strings.TrimSpace(id) + LineBreak + ifname，这里的 id 其实是容器的 id，ifname 是网卡名称，LineBreak 是换行符。
通过 id 在主机上可以找到对应的容器:
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| docker ps |grep b3b668
b3b668af977b k8s.gcr.io/pause:3.5 "/pause" 6 weeks ago Up 6 weeks k8s_POD_xxx-5b795fd7dd-82hrh_kube-system_b127b65c-f0ca-48a7-9020-ada60dfa535a_0
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| cat last_reserved_ip.0
10.234.58.87
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在获取可用 IP 时，IPAM 会创建一个迭代器。
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| func (a *IPAllocator) Get(id string, ifname string, requestedIP net.IP) (*current.IPConfig, error) {
iter, err := a.GetIter()
if err != nil {
return nil, err
}
for {
reservedIP, gw = iter.Next()
if reservedIP == nil {
break
}
}
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而迭代器需要依靠 last_reserved_ip.0 找到上一次分配的 IP，然后从这个 IP 之后开始分配。
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| func (a *IPAllocator) GetIter() (*RangeIter, error) {
lastReservedIP, err := a.store.LastReservedIP(a.rangeID)
if err != nil && !os.IsNotExist(err) {
log.Printf("Error retrieving last reserved ip: %v", err)
} else if lastReservedIP != nil {
startFromLastReservedIP = a.rangeset.Contains(lastReservedIP)
}
|
这里的 lastIPFilePrefix = “last_reserved_ip.”
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| func (s *Store) LastReservedIP(rangeID string) (net.IP, error) {
ipfile := GetEscapedPath(s.dataDir, lastIPFilePrefix+rangeID)
data, err := os.ReadFile(ipfile)
if err != nil {
return nil, err
}
return net.ParseIP(string(data)), nil
}
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host-local 分配 ip 时是按照轮询的方式，递增分配，如果分配到最后一个 IP，就又从头开始分配。
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| type Store struct {
*FileLock
dataDir string
}
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每次存储操作都会进行加锁，IP 分配不会并发进行，确保唯一性。
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| a.store.Lock()
defer a.store.Unlock()
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3. 总结
本篇主要是从 Pod IP 管理的角度，梳理了一下从 kube-controller-manager 到 kubelet 的 Pod IP 管理过程。主要内容如下:
- kube-controller-manager 通过 NodeIpamController 控制器为每个节点分配 Pod IP 网段，在集群规划时需要根据集群规模调整 cluster-cidr、node-cidr-mask-size 参数
- kubelet 通过 cri 调用 container runtime 创建 sandbox
- container runtime 调用 cni 创建 Pod 网络
- IPAM 对 Pod IP 的管理
在工作中很多熟悉的路径，可能仅仅只是知道大概的流程，不知道具体的实现。通过源码分析，可以更加深入地了解相关的细节，也能学习到新的知识。
比如，在源码中，我看到了 InPlacePodVerticalScaling 这个参数，发现是 Kubernetes 1.27 的一个 alpha feature，可以在不重启 Pod 的情况下，调整 Pod 的资源配置；在写 Operator 更新 CR 状态时，在合适的场景下，可以学习 nodeCIDRUpdateChannel 的实现，将更新的状态放入 channel 中，然后通过 goroutine 处理状态更新。
