Flannel是CoreOS团队针对Kubernetes设计的一个网络规划服务，简单来说，它的功能是让集群中的不同节点主机创建的Docker容器都具有全集群唯一的虚拟IP地址。
Flannel的设计目的就是为集群中的所有节点重新规划IP地址的使用规则，从而使得不同节点上的容器能够获得“同属一个内网”且”不重复的”IP地址，并让属于不同节点上的容器能够直接通过内网IP通信。
Flannel实质上是一种“覆盖网络(overlaynetwork)”，也就是将TCP数据包装在另一种网络包里面进行路由转发和通信，目前已经支持udp、vxlan、host-gw、aws-vpc、gce和alloc路由等数据转发方式，默认的节点间数据通信方式是UDP转发。
2.flannel特点- 使集群中的不同Node主机创建的Docker容器都具有全集群唯一的虚拟IP地址。
- 建立一个覆盖网络（overlay network），通过这个覆盖网络，将数据包原封不动的传递到目标容器。覆盖网络是建立在另一个网络之上并由其基础设施支持的虚拟网络。覆盖网络通过将一个分组封装在另一个分组内来将网络服务与底层基础设施分离。在将封装的数据包转发到端点后，将其解封装。
- 创建一个新的虚拟网卡flannel0接收docker网桥的数据，通过维护路由表，对接收到的数据进行封包和转发（vxlan）。
- etcd保证了所有node上flanned所看到的配置是一致的。同时每个node上的flanned监听etcd上的数据变化，实时感知集群中node的变化。
- flanneld将本主机获取的subnet以及用于主机间通信的Public IP通过etcd存储起来，需要时发送给相应模块。
- flannel利用各种backend mechanism，例如udp，vxlan等等，跨主机转发容器间的网络流量，完成容器间的跨主机通信。
各个组件的解释：
Cni0:网桥设备，每创建一个pod都会创建一对 veth pair。其中一端是pod中的eth0，另一端是Cni0网桥中的端口（网卡）。Pod中从网卡eth0发出的流量都会发送到Cni0网桥设备的端口（网卡）上。
Flannel.1: overlay网络的设备，用来进行 vxlan 报文的处理（封包和解包）。不同node之间的pod数据流量都从overlay设备以隧道的形式发送到对端。
Flanneld：flannel在每个主机中运行flanneld作为agent，它会为所在主机从集群的网络地址空间中，获取一个小的网段subnet，本主机内所有容器的IP地址都将从中分配。同时Flanneld监听K8s集群数据库，为flannel.1设备提供封装数据时必要的mac，ip等网络数据信息。
不同node上的pod的通信流程：
- pod中产生数据，根据pod的路由信息，将数据发送到Cni0
- Cni0 根据节点的路由表，将数据发送到隧道设备flannel.1
- Flannel.1查看数据包的目的ip，从flanneld获得对端隧道设备的必要信息，封装数据包。
- Flannel.1将数据包发送到对端设备。对端节点的网卡接收到数据包，发现数据包为overlay数据包，解开外层封装，并发送内层封装到flannel.1设备。
- Flannel.1设备查看数据包，根据路由表匹配，将数据发送给Cni0设备。
- Cni0匹配路由表，发送数据给网桥上对应的端口。
hostgw是最简单的backend，它的原理非常简单，直接添加路由，将目的主机当做网关，直接路由原始封包。
优点：简单，直接，效率高
缺点：要求所有的pod都在一个子网中，如果跨网段就无法通信。
udp如何应对Pod不在一个子网里的场景呢？将Pod的网络包作为一个应用层的数据包，使用UDP封装之后在集群里传输。即overlay。
上图来自flannel官方，其中右边Packer的封装格式就是使用udp完成overlay的格式
当容器10.1.15.2/24要和容器10.1.20.2/24通信时，
1.因为该封包的目的地不在本主机subnet内，因此封包会首先通过网桥转发到主机中。
2.在主机上经过路由匹配，进入网卡flannel.1。(需要注意的是flannel.1是一个tun设备，它是一种工作在三层的虚拟网络设备，而flanneld是一个proxy，它会监听flannel.1并转发流量。)
3.当封包进入flannel.1时，flanneld就可以从flanne.1中将封包读出，由于flanne.1是三层设备，所以读出的封包仅仅包含IP层的报头及其负载。
4.最后flanneld会将获取的封包作为负载数据，通过udp socket发往目的主机。
5.在目的主机的flanneld会监听Public IP所在的设备，从中读取udp封包的负载，并将其放入flannel.1设备内。
6.容器网络封包到达目的主机，之后就可以通过网桥转发到目的容器了。
优点：Pod能够跨网段访问
缺点：隔离性不够，udp不能隔离两个网段。
vxlanvxlan和上文提到的udp backend的封包结构是非常类似的，不同之处是多了一个vxlan header，以及原始报文中多了个二层的报头。
当初始化集群里，vxlan网络的初始化工作：
主机B加入flannel网络时,它会将自己的三个信息写入etcd中，分别是：subnet 10.1.16.0/24、Public IP 192.168.0.101、vtep设备flannel.1的mac地址 MAC B。之后，主机A会得到EventAdded事件，并从中获取上文中B添加至etcd的各种信息。这个时候，它会在本机上添加三条信息：
1) 路由信息：所有通往目的地址10.1.16.0/24的封包都通过vtep设备flannel.1设备发出，发往的网关地址为10.1.16.0，即主机B中的flannel.1设备。
2) fdb信息：MAC地址为MAC B的封包，都将通过vxlan发往目的地址192.168.0.101，即主机B
3）arp信息：网关地址10.1.16.0的地址为MAC B
事实上，flannel只使用了vxlan的部分功能，由于VNI被固定为1，本质上工作方式和udp backend是类似的，区别无非是将udp的proxy换成了内核中的vxlan处理模块。而原始负载由三层扩展到了二层，但是这对三层网络方案flannel是没有意义的，这么做也仅仅只是为了适配vxlan的模型。vxlan详细的原理参见文后的参考文献，其中的分析更为具体，也更易理解。
总的来说，flannel更像是经典的桥接模式的扩展。我们知道，在桥接模式中，每台主机的容器都将使用一个默认的网段，容器与容器之间，主机与容器之间都能互相通信。要是，我们能手动配置每台主机的网段，使它们互不冲突。接着再想点办法，将目的地址为非本机容器的流量送到相应主机：如果集群的主机都在一个子网内，就搞一条路由转发过去；若是不在一个子网内，就搞一条隧道转发过去。这样以来，容器的跨网络通信问题就解决了。而flannel做的，其实就是将这些工作自动化了而已。
6.flannel不足问题1.不支持pod之间的网络隔离。Flannel设计思想是将所有的pod都放在一个大的二层网络中，所以pod之间没有隔离策略。
2.设备复杂，效率不高。Flannel模型下有三种设备，数量经过多种设备的封装、解析，势必会造成传输效率的下降。
二、callico网络 1.介绍多数的虚拟化平台实现中，通常都使用二层隔离技术来实现容器的网络，这些二层的技术有一些弊端，比如需要依赖 VLAN、bridge 和隧道等技术，其中 bridge 带来了复杂性，vlan 隔离和 tunnel 隧道则消耗更多的资源并对物理环境有要求，随着网络规模的增大，整体会变得越加复杂。我们尝试把 Host 当作 Internet 中的路由器，同样使用 BGP 同步路由，并使用 iptables 来做安全访问策略，最终设计出了 Calico 方案。
适用场景：k8s环境中的pod之间需要隔离
设计思想：Calico 不使用隧道或 NAT 来实现转发，而是巧妙的把所有二三层流量转换成三层流量，并通过 host 上路由配置完成跨 Host 转发。
设计优势：
1.更优的资源利用
二层网络通讯需要依赖广播消息机制，广播消息的开销与 host 的数量呈指数级增长，Calico 使用的三层路由方法，则完全抑制了二层广播，减少了资源开销。
另外，二层网络使用 VLAN 隔离技术，天生有 4096 个规格限制，即便可以使用 vxlan 解决，但 vxlan 又带来了隧道开销的新问题。而 Calico 不使用 vlan 或 vxlan 技术，使资源利用率更高。
2.可扩展性
Calico 使用与 Internet 类似的方案，Internet 的网络比任何数据中心都大，Calico 同样天然具有可扩展性。
3.简单而更容易 debug
因为没有隧道，意味着 workloads 之间路径更短更简单，配置更少，在 host 上更容易进行 debug 调试。
4.更少的依赖
Calico 仅依赖三层路由可达。
5.可适配性
Calico 较少的依赖性使它能适配所有 VM、Container、白盒或者混合环境场景。
2.calico架构原理
Calico网络模型主要工作组件：
1.Felix：运行在每一台 Host 的 agent 进程，主要负责网络接口管理和监听、路由、ARP 管理、ACL 管理和同步、状态上报等。
2.etcd：分布式键值存储，主要负责网络元数据一致性，确保Calico网络状态的准确性，可以与kubernetes共用；
3.BGP Client（BIRD）：Calico 为每一台 Host 部署一个 BGP Client，使用 BIRD 实现，BIRD 是一个单独的持续发展的项目，实现了众多动态路由协议比如 BGP、OSPF、RIP 等。在 Calico 的角色是监听 Host 上由 Felix 注入的路由信息，然后通过 BGP 协议广播告诉剩余 Host 节点，从而实现网络互通。
4.BGP Route Reflector：在大型网络规模中，如果仅仅使用 BGP client 形成 mesh 全网互联的方案就会导致规模限制，因为所有节点之间俩俩互联，需要 N^2 个连接，为了解决这个规模问题，可以采用 BGP 的 Router Reflector 的方法，使所有 BGP Client 仅与特定 RR 节点互联并做路由同步，从而大大减少连接数。
Felix
Felix会监听ECTD中心的存储，从它获取事件，比如说用户在这台机器上加了一个IP，或者是创建了一个容器等。用户创建pod后，Felix负责将其网卡、IP、MAC都设置好，然后在内核的路由表里面写一条，注明这个IP应该到这张网卡。同样如果用户制定了隔离策略，Felix同样会将该策略创建到ACL中，以实现隔离。
BIRD
BIRD是一个标准的路由程序，它会从内核里面获取哪一些IP的路由发生了变化，然后通过标准BGP的路由协议扩散到整个其他的宿主机上，让外界都知道这个IP在这里，你们路由的时候得到这里来。
架构特点
由于Calico是一种纯三层的实现，因此可以避免与二层方案相关的数据包封装的操作，中间没有任何的NAT，没有任何的overlay，所以它的转发效率可能是所有方案中最高的，因为它的包直接走原生TCP/IP的协议栈，它的隔离也因为这个栈而变得好做。因为TCP/IP的协议栈提供了一整套的防火墙的规则，所以它可以通过IPTABLES的规则达到比较复杂的隔离逻辑。
3.calico网络Node之间两种网络IPIP
从字面来理解，就是把一个IP数据包又套在一个IP包里，即把 IP 层封装到 IP 层的一个 tunnel。它的作用其实基本上就相当于一个基于IP层的网桥！一般来说，普通的网桥是基于mac层的，根本不需 IP，而这个 ipip 则是通过两端的路由做一个 tunnel，把两个本来不通的网络通过点对点连接起来。
IPIP的连接方式：
BGP
边界网关协议（Border Gateway Protocol, BGP）是互联网上一个核心的去中心化自治路由协议。它通过维护IP路由表或‘前缀’表来实现自治系统（AS）之间的可达性，属于矢量路由协议。BGP不使用传统的内部网关协议（IGP）的指标，而使用基于路径、网络策略或规则集来决定路由。因此，它更适合被称为矢量性协议，而不是路由协议。BGP，通俗的讲就是讲接入到机房的多条线路（如电信、联通、移动等）融合为一体，实现多线单IP，BGP 机房的优点：服务器只需要设置一个IP地址，最佳访问路由是由网络上的骨干路由器根据路由跳数与其它技术指标来确定的，不会占用服务器的任何系统。
在安装calico网络时，默认安装是IPIP网络。calico.yaml文件中，将CALICO_IPV4POOL_IPIP的值修改成 "off"，就能够替换成BGP网络。
BGP网络相比较IPIP网络，最大的不同之处就是没有了隧道设备 tunl0。 前面介绍过IPIP网络pod之间的流量发送tunl0，然后tunl0发送对端设备。BGP网络中，pod之间的流量直接从网卡发送目的地，减少了tunl0这个环节。
BGP的连接方式：
IPIP网络：
流量：tunlo设备封装数据，形成隧道，承载流量。
适用网络类型：适用于互相访问的pod不在同一个网段中，跨网段访问的场景。外层封装的ip能够解决跨网段的路由问题。
效率：流量需要tunl0设备封装，效率略低
BGP网络：
流量：使用路由信息导向流量
适用网络类型：适用于互相访问的pod在同一个网段，适用于大型网络。
效率：原生hostGW，效率高
4.calico不足问题(1) 缺点租户隔离问题
Calico 的三层方案是直接在 host 上进行路由寻址，那么对于多租户如果使用同一个 CIDR 网络就面临着地址冲突的问题。
(2) 路由规模问题
通过路由规则可以看出，路由规模和 pod 分布有关，如果 pod离散分布在 host 集群中，势必会产生较多的路由项。
(3) iptables 规则规模问题
1台 Host 上可能虚拟化十几或几十个容器实例，过多的 iptables 规则造成复杂性和不可调试性，同时也存在性能损耗。
(4) 跨子网时的网关路由问题
当对端网络不为二层可达时，需要通过三层路由机时，需要网关支持自定义路由配置，即 pod 的目的地址为本网段的网关地址，再由网关进行跨三层转发。
k8s网络之Calico网络 - 金色旭光 - 博客园
k8s网络之Flannel网络 - 金色旭光 - 博客园
