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cni设计简析

cni设计简析

作者: cloudFans | 来源:发表于2022-05-13 17:38 被阅读0次

cni设计

参考: https://github.com/containernetworking/cni/blob/main/SPEC.md

1. 插件式使用的cni

术语理解:

container: 在cni这里对应linux network ns
network： 指一组endpoint，可以用于获取到唯一的地址
runtime: 一个负责执行CNI plugin的程序
plugin: 负责配置网络

这个文档会仅对runtime 和 plugin进行说明

第一部分: 网络配置格式

cniVersion： 版本，版本号越大支持的特性越丰富
name： 网络名
disableCheck: 对应cni的check （Add|Del|check）
plugins: cni list

plugin 配置对象

type: 对应cni二进制的名字，比如macvlan，ipvlan
capabilities： 稍后补充
ipMasq： 通过host上的一个ip来伪装整个网络，所有pod用的该网段的pod ip都会使用该host ip进行地址伪装（nat）
ipam: 地址管理字典，其内的type字段即是ipam plugin
dns: 一个字典，包括，nameservers，domain，search，options


{
  "cniVersion": "1.0.0",
  "name": "dbnet",
  "plugins": [
    {
      "type": "bridge",
      // plugin specific parameters
      "bridge": "cni0",
      "keyA": ["some more", "plugin specific", "configuration"],
      
      "ipam": {
        "type": "host-local",
        // ipam specific
        "subnet": "10.1.0.0/16",
        "gateway": "10.1.0.1",
        "routes": [
            {"dst": "0.0.0.0/0"}
        ]
      },
      "dns": {
        "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
      }
    },
    {
      "type": "tuning",
      "capabilities": {
        "mac": true
      },
      "sysctl": {
        "net.core.somaxconn": "500"
      }
    },
    {
        "type": "portmap",
        "capabilities": {"portMappings": true}
    }
  ]
}

第二部分， 执行协议

cni protocol协议基于容器运行时调用cni（二进制），cni定义了cni二进制脚本和容器运行时交互的协议。
plugin分两种。

"Interface" plugins： 常见的cni macvlan ipvlan等
"Chained" plugins： 基于cni配置好的接口，做qos，安全组等配置，比如terway 的ipvlan和之后的cilium链式调用

容器运行时，通过将配置和环境变量以stdin的形式传递给cni插件。cni插件配置完容器接口以及网络之后，基于stdout 反馈成功。 如果有错误，基于strerr反馈。
stdin的配置和stdout的结果都是JSON格式。

成功是状态码 必须是0
失败时 非0

容器运行时是在root network ns中执行cni plugin的。

传递给cni的json包括：

CNI_COMMAND: ADD, DEL, CHECK, or VERSION
CNI_CONTAINERID: 容器id
CNI_NETNS: 容器所在网络命名空间 /run/netns/[nsname]
CNI_IFNAME: 容器内部的网卡
CNI_ARGS: 额外的参数，格式为 "FOO=BAR;ABC=123"
CNI_PATH: CNI插件所在路径

cni 的操作

ADD 将容器连接到网络，或者执行变更

  1. 在CNI_NETNS内部, 基于CNI_IFNAME 创建网卡
  2. 或者在CNI_NETNS内部, 基于CNI_IFNAME 调整接口的配置

如果ADD成功，那么返回的json 也就是 prevResult 对象会包括这些内容: https://github.com/containernetworking/cni/blob/main/SPEC.md#Success

cniVersion:
容器网卡： name, mac, samdbox(CNI_NETNS)
ips: ipcidr 192.168.1.3/24, gw, 网卡index
路由: dst cidr, gw
dns: nameservers domain search options

如果容器内有同样的接口，肯定会报错，而且，容器运行时不会连续执行ADD两次（中间没有删除动作），仅执行一次。

输入：

容器运行时会提供一个json 对象作为cni的标输入：

必须包含的字段：

  1. CNI_COMMAND
  2. CNI_CONTAINERID
  3. CNI_NETNS
  4. CNI_IFNAME

可选字段：
CNI_ARGS
CNI_PATH

DEL是add的反操作，暂不写
CHECK 用于检查和确认，暂不写

ipam 代理插件

Delegated plugins (IPAM)

ipam 插件必须反馈一个缩略的的成功对象的结构体。 比如没有接口数组以及接口ip等。

ipam插件式cni设计的一部分，ipam和cni二级制协调工作，才能完成网络配置

第三部分， 网络配置的执行

容器运行时会在容器内部执行 add, del, check 等网络操作。

  1. 网络配置如何转化
  1. 转化后的网络配置如何提供给插件

网络配置的操作统一叫做 attachment， 容器id 和 接口id， 是attachment的唯一标识

（操作）周期 和 顺序

  1. 在调用任何插件（cni ipam）之前，容器运行时必须已经创建了一个新的网络命名空间。
  2. 对于同一个容器，容器运行时不能调用多个并行的操作。 多个容器的操作可以并行。
  3. 不同的容器，插件可以并行执行，必要的话，需要实现一定的锁机制，必须ipam 的地址分配。
  4. 容器运行时必须保证，add 和 delete的先后顺序， add 结束，delete才能执行，即使add失败，del必须成功执行。
  5. delete保证幂等，无论delete多少次，结果一致。
  6. add 和 delete 之间的时间段， 网络配置不能发生变化。
  7. 在不同的attachments之间，网络配置不能发生变化。
  8. 容器运行时负责ns的清理。

Attachment的参数：

  1. 容器id
  2. ns
  3. 容器网卡名
  4. 原生参数， 额外参数，键值对格式，在CNI_ARGS 里面
  5. Capability Arguments， 键值对，json 格式: https://github.com/containernetworking/cni/blob/main/CONVENTIONS.md 

 "capabilities": {"portMappings": true}
  "runtimeConfig": {
    "portMappings": [
      {"hostPort": 8080, "containerPort": 80, "protocol": "tcp"}
    ]
  }

添加一个attachment

#  cat /etc/cni/net.d/00-multus.conf | jq
{
  "cniVersion": "0.4.0",
  "name": "multus-cni-network",
  "type": "multus",
  "capabilities": {
    "portMappings": true
  },
  "kubeconfig": "/etc/cni/net.d/multus.d/multus.kubeconfig",
  "delegates": [
    {
      "name": "kube-ovn",
      "cniVersion": "0.3.1",
      "plugins": [
        {
          "type": "kube-ovn",
          "server_socket": "/run/openvswitch/kube-ovn-daemon.sock"
        },
        {
          "type": "portmap",
          "capabilities": {
            "portMappings": true
          }
        }
      ]
    }
  ]
}

# 比如当前的k8s集群环境
# plugins包含两部分 cni是multus，ipam是kube-ovn-daemon
  1. 查看type 字段，不存在，则失败，报错
  2. 基于plugin 配置，去请求配置，包括如下参数

如果这个plugin在list中的第一位， 不需要提供之前的结果，应该指的是默认cni。
其他的plugins， 之前的结果就是上一个plugin处理过的输出。

这里说明，主plugin和其他plugin是有一定的顺序链式调用关系的。

  1. 执行plugin 二进制（比如macvlan cni）， 基于CNI_COMMAND=ADD 参数，二进制可以通过环境变量读入参数，stdin也有包含一些配置项（ip mac dns 网关 svc localdns等）。

  2. 一旦plugin 执行出错，会立刻停止并失败，返回错误。

容器运行时，必须存储最后一个plugin返回的结果，并持久化存储（pod的状态），用于做pod状态检查以及是否删除。

Deleting an attachment： 是add的反向操作，暂不写

从 plugin 配置中，获取(待)执行配置项

网络配置的格式： 就是一个list，包含所有需要执行的plugin配置内容。

必须被转化为单个plugin能够理解的格式，因为即使是多网卡场景，也要一个一个的执行。

单个plugin调用时需要的配置也是一个json。

容器运行时必须将以下配置项传递给cni二进制

  1. cniVersion： cni 版本
  2. name: 取自网络配置中的name字段
  3. runtimeConfig: json 对象， plugin中的capabilities 字段
  4. prevResult: 一个json对象，上一个运行过的plugin（add/delete/check）返回的结果

plugin 中定义的 capabilities会被容器运行时移除。 其他field都毫无更改的直接传递。

runtimeConfig

然而 当CNI_ARGS 被传递给所有plugins后，没有任何指示表示这些信息会被消费。
所以，Capability需要在plugins字段中明确定义。 那么 容器运行时，就可以基于此来确定是否一个给定的网络配置支持某些特定的capability（能力）。


{
  "type": "myPlugin",
  "capabilities": {
    "portMappings": true  // 表示支持端口映射的能力
  }
}

// 将 capabilities 格式化为 runtimeConfig

{
  "type": "myPlugin",
  "runtimeConfig": {
    "portMappings": [ { "hostPort": 8080, "containerPort": 80, "protocol": "tcp" } ]
  }
  ...
}

runtimeConfig 的内容来自于 网络配置中的capabilities域

第四部分 插件代理（Plugin Delegation）

有一些操作，无论出于何种原因，都不能合理地实现为一个离散的链式插件。
更确切的说，一个CNI plugin 希望能代理别的插件执行一些功能。 一个最常用的例子就是代理执行ip 地址分配（ipam）

作为网络配置的一部分，CNI 插件需要能够分配并维护容器内网卡的ip地址，也包括配置必要的路由。

这让CNI插件具有极大的灵活性，但也变得更重（ipam 路由 dns 这些东西的维护）。

很多CNI插件需要的ipam的代码几乎都是类似的，比如dhcp host-local。

所以， 一个CNI 插件需要设计为可以用来作为其他plugin的ipam代理。

为了让CNI更轻便，而且让IPAM 和 cni （二进制）保持正交关系（低耦合）。

正交设计原则

消除重复
分离关注点
缩小依赖范围
向稳定的方向依赖

ipam 被设计为一个第三方的插件，为了保证ipam被代理调用，同时设计了一个协议，用于指导代理（ipam）功能的实现。
然而这不是容器运行时的职责，而是CNI plugin的职责： 在执行的过程中，适当的时间点，调用IPAM插件。
ipam 插件必须定义了ip，子网，网关，路由。 并且返回这些信息给“主” 插件去应用（把这些参数在调用cni二进制的时候给过去）。
ipam插件也有可能通过协议（dhcp）来获取这些信息。 或者数据存储在本地文件系统中。 或者网络配置的ipam部分。

被代理的插件协议（Delegated Plugin protocol）

和cni 插件一样，被代理的（ipam）插件也是通过调用一个可执行的（二进制）。 这些插件也在预先指定好的目录下，

# ls -l /opt/cni/bin/
total 177440
-rwxr-xr-x. 1 root root  4151672 Feb  5  2021 bandwidth # 带宽限制
-rwxr-xr-x. 1 root root  4536104 Feb  5  2021 bridge
-rwxr-xr-x. 1 root root 10270090 Feb  5  2021 dhcp # ipam
-rwxr-xr-x. 1 root root  4767801 Feb  5  2021 firewall # 防火墙限制
-rwxr-xr-x. 1 root root  3357992 Feb  5  2021 flannel
-rwxr-xr-x. 1 root root  4144106 Feb  5  2021 host-device
-rwxr-xr-x. 1 root root  3565330 Feb  5  2021 host-local # ipam
-rwxr-xr-x. 1 root root  4288339 Feb  5  2021 ipvlan
-rwxr-xr-x. 1 root root 65658880 Apr 10 03:51 kube-ovn
-rwxr-xr-x. 1 root root  3566204 Apr 10 03:51 loopback
-rwxr-xr-x. 1 root root  4497003 Apr 10 03:51 macvlan
-rwxr-xr-x. 1 root root 41849770 Apr 10 03:48 multus
-rwxr-xr-x. 1 root root  3979034 Apr 10 03:51 portmap # 端口映射
-rwxr-xr-x. 1 root root  4467317 Feb  5  2021 ptp
-rwxr-xr-x. 1 root root  3701138 Feb  5  2021 sbr
-rwxr-xr-x. 1 root root  3153330 Feb  5  2021 static
-rwxr-xr-x. 1 root root  3668289 Feb  5  2021 tuning
-rwxr-xr-x. 1 root root  4287972 Feb  5  2021 vlan
-rwxr-xr-x. 1 root root  3759977 Feb  5  2021 vrf

CNI_PATH: 用于指定CNI的路径

所有被代理的cni插件收到的环境变量都是一样的，就像cni插件一样，通过stdin收到网络配置，基于stdout传出配置。

被代理的插件（下层的）提供完整的网络配置给到（上层的）插件，（插件间按照主次顺序调用）

被代理的插件执行流程

当一个插件执行一个被代理的插件时，它应该：

在CNI_PATH(环境变量)对应目录下查找二进制对象
根据插件收到的配置和环境变量执行找到的二进制对象（执行时传给配置和环境变量）
确保 被代理的插件的stderr被传递给调用者的stderr对象

ADD 场景中，如果被代理的插件执行失败了，那么在返回错误前需要执行该插件的del操作。
同样的，DEL | check 上层插件检测失败，要将stderr返回给下层。

第五部分，返回值类型

只有3种类型

 Success (or Abbreviated Success) 
 Error
 _Version
5.1 Success

所有插件的请求配置内容中都会有一个 prevResult， prevResult 作为插件自身的输出。
任何插件都可能会对 prevResult 进行修改。 如果不修改，直接反射（传递）即可。

ADD 操作成功后，所有插件（链式执行后）必须返回一个json对象：
cniVersion：
interfaces： 网卡名， mac， ns
ips： attachment 配置好的ipcidr， 网关， 网卡index
routes： 路由 dst cidr，gw
dns： nameservers domain search options

ipam （被代理的插件）

被代理的插件可以忽略 相关的配置项。
ipam 必须返回一个缩略的 Success 成功对象，可能不会包含 interfaces 数组，以及ips 对象内部的interface。

错误对象暂时不了解

版本

插件必须返回cniVerison, 以及 supportedVersions


{
    "cniVersion": "1.0.0",
    "supportedVersions": [ "0.1.0", "0.2.0", "0.3.0", "0.3.1", "0.4.0", "1.0.0" ]
}

示例

  1. CNI_COMMAND=ADD, 把如下参数传递给 bridge cni二级制 插件


{
    "cniVersion": "1.0.0", 
    "name": "dbnet", // 网络名
    "type": "bridge", // cni 二进制的名字
    "bridge": "cni0", // 参数 网桥名
    "keyA": ["some more", "plugin specific", "configuration"], // 额外参数
    "ipam": { // 被代理调用的ipam 插件
        "type": "host-local",
        "subnet": "10.1.0.0/16",
        "gateway": "10.1.0.1"
    },
    "dns": { // 被代理调用的 dns 插件 ？
        "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
    }
}

接下来 主 cni （比如multus），会调用ipam（基于ipam内的参数，执行调用host-local二进制，将subnet gw属性基于stdin传递给该二进制）

host-local 会返回如下结果


{
    "ips": [
        {
          "address": "10.1.0.5/16",  // 分配出ip
          "gateway": "10.1.0.1"      // 返回网关
        }
    ],
    "routes": [
      {
        "dst": "0.0.0.0/0"
      }
    ],
    "dns": {
      "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
    }
}

然后 bridge 二进制cni文件，基于ipam的返回结果，配置容器的网络，然后返回如下结果



{
    "ips": [
        {
          "address": "10.1.0.5/16",
          "gateway": "10.1.0.1",
          "interface": 2
        }
    ],
    "routes": [
      {
        "dst": "0.0.0.0/0"
      }
    ], // 以上是ipam的返回内容，保持不变
    "interfaces": [ //以下是cni添加的内容
        {
            "name": "cni0", // 网桥名
            "mac": "00:11:22:33:44:55"  // 网桥的mac
        },
        {
            "name": "veth3243", // veth-pair 接在网桥的一段
            "mac": "55:44:33:22:11:11" // 其mac
        },
        {
            "name": "eth0",  // 容器ns 内部的eth0 网卡，veth-pair的另一端
            "mac": "99:88:77:66:55:44", // mac
            "sandbox": "/var/run/netns/blue" // ns 路径
        }
    ],
    "dns": {
      "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
    }
}

这个结果就是 bridge cni操作后的 prevResult。

第一个插件，一般是cni 二进制，它的prevResult是空的，但是它的（下一个|上层）插件会基于第一个插件的result作为prevResult。

  1. 基于 tuning （二进制）插件， 基于CNI_COMMAND=ADD， 调用 tuning的 add函数，基于 prevResult， 结合mac的capability （特性），stdin 收到的配置请求体如下

{
  "cniVersion": "1.0.0",
  "name": "dbnet",
  "type": "tuning", // 二进制插件
  "sysctl": {
    "net.core.somaxconn": "500"
  },
  "runtimeConfig": { // 特性， 将eth0的mac调整为该值
    "mac": "00:11:22:33:44:66"
  },
  "prevResult": { // 下层的返回
    "ips": [
        {
          "address": "10.1.0.5/16",
          "gateway": "10.1.0.1",
          "interface": 2
        }
    ],
    "routes": [
      {
        "dst": "0.0.0.0/0"
      }
    ],
    "interfaces": [
        {
            "name": "cni0",
            "mac": "00:11:22:33:44:55"
        },
        {
            "name": "veth3243",
            "mac": "55:44:33:22:11:11"
        },
        {
            "name": "eth0",
            "mac": "99:88:77:66:55:44",
            "sandbox": "/var/run/netns/blue"
        }
    ],
    "dns": {
      "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
    }
  }
}

tuning 成功执行后的返回结果，可以看到eth0 mac已发生变化



{
    "ips": [
        {
          "address": "10.1.0.5/16",
          "gateway": "10.1.0.1",
          "interface": 2
        }
    ],
    "routes": [
      {
        "dst": "0.0.0.0/0"
      }
    ],
    "interfaces": [
        {
            "name": "cni0",
            "mac": "00:11:22:33:44:55"
        },
        {
            "name": "veth3243",
            "mac": "55:44:33:22:11:11"
        },
        {
            "name": "eth0",
            "mac": "00:11:22:33:44:66", // 已变化
            "sandbox": "/var/run/netns/blue"
        }
    ],
    "dns": {
      "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
    }
}

tuning返回的prevResult

  1. 最后 调用 portmap 插件，CNI_COMMAND=ADD 对应 portmap add函数，使用的 prevResult如上，
    而 tuning 执行完毕后，如下

{
  "cniVersion": "1.0.0",
  "name": "dbnet",
  "type": "portmap", // 增加了该部分
  "runtimeConfig": {
    "portMappings" : [
      { "hostPort": 8080, "containerPort": 80, "protocol": "tcp" }
    ]
  },
  "prevResult": {// 下层的返回
    "ips": [
        {
          "address": "10.1.0.5/16",
          "gateway": "10.1.0.1",
          "interface": 2
        }
    ],
    "routes": [
      {
        "dst": "0.0.0.0/0"
      }
    ],
    "interfaces": [
        {
            "name": "cni0",
            "mac": "00:11:22:33:44:55"
        },
        {
            "name": "veth3243",
            "mac": "55:44:33:22:11:11"
        },
        {
            "name": "eth0",
            "mac": "00:11:22:33:44:66",
            "sandbox": "/var/run/netns/blue"
        }
    ],
    "dns": {
      "nameservers": [ "10.1.0.1" ]
    }
  }
}

DELETE正好是add 的逆操作，所以最上层的插件先执行，执行的参数就是上面ADD最后返回的结果。

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