CNI(Container Network Interface) 即容器的网络API接口，在Kubernetes中通过CNI来扩展网络功能，今天我们从零开始实现一个自己的CNI网络插件。
本文所有代码见:

https://github.com/qingwave/mycni

CNI简介 Kubernetes提供了很多扩展点，通过CNI网络插件可以支持不同的网络设施，大大提供了系统的灵活性，目前也已成为容器网络领域的标准。
Kubernetes与CNI的交互逻辑如下：

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Kubelet监听到Pod调度到当前节点后，通过rpc调用CRI(containerd, cri-o等)，CRI创建Sandbox容器，初始化Cgroup与Namespace，然后再调用CNI插件分配IP，最后完成容器创建与启动。
不同于CRI、CSI通过rpc通信，CNI是通过二进制接口调用的，通过环境变量和标准输入传递具体网络配置，下图为Flannel CNI插件的工作流程，通过链式调用CNI插件实现对Pod的IP分配、网络配置：

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实现CNI 实现一个完整的K8s CNI插件需要满足以下几点要求：

1. Pod IP分配，即IPAM功能
2. 节点与其上所有Pod网络互通，以实现健康检查
3. 集群内所有Pod可通信，包括同节点与不同节点
4. 其他功能的支持，比如hostPort、兼容kube-proxy的iptables规则等

我们主要实现前三点需求，通过Linux Bridge、Veth Pair以及路由来实现K8s网络方案。
网络架构如下：

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包括两个组件：

1. mycni: CNI插件，实现IPAM，为Pod分配IP配置路由，通过网桥实现同节点上不同Pod的通信
2. mycnid: 节点上守护进程，监听K8s Node，获取各个节点CIDR写入路由

Mycni
CNI官方已经提供了工具包，我们只需要实现cmdAdd, cmdCheck, cmdDel接口即可实现一个CNI插件。

func PluginMainWithError(cmdAdd, cmdCheck, cmdDel func(_ *CmdArgs) error, versionInfo version.PluginInfo, about string) *types.Error { return (&dispatcher{ Getenv: os.Getenv, Stdin:os.Stdin, Stdout: os.Stdout, Stderr: os.Stderr, }).pluginMain(cmdAdd, cmdCheck, cmdDel, versionInfo, about) }

我们主要关注网络创建过程，实现IP分配与网桥配置：

func cmdAdd(args *skel.CmdArgs) error { // 加载配置 conf, err := config.LoadCNIConfig(args.StdinData)// 存储本机IP分配列表 s, err := store.NewStore(conf.DataDir, conf.Name) defer s.Close()// ipam服务，分配ip ipam, err := ipam.NewIPAM(conf, s) gateway := ipam.Gateway() ip, err := ipam.AllocateIP(args.ContainerID, args.IfName) // 创建网桥，虚拟设备，并绑定到网桥 br, err := bridge.CreateBridge(conf.Bridge, mtu, ipam.IPNet(gateway)) bridge.SetupVeth(netns, br, mtu, args.IfName, ipam.IPNet(ip), gateway)// 返回网络配置信息 result := ¤t.Result{ CNIVersion: current.ImplementedSpecVersion, IPs: []*current.IPConfig{ { Address: net.IPNet{IP: ip, Mask: ipam.Mask()}, Gateway: gateway, }, }, } return types.PrintResult(result, conf.CNIVersion) }

IPAM IPAM服务需要保证为Pod分配唯一的IP，K8s会为每个节点分配PodCIDR，只需要保证节点上所有Pod IP不冲突即可。
通过本地文件来存储已分配的IP，当新Pod创建时只需要检查已分配IP，通过CIDR取一个未使用的IP。通常做法是将IP信息存储在数据库中(etcd)，简单期间本文只使用文件存储。
首先需要保证并发请求时，IP分配不会冲突，可通过文件锁实现，存储实现如下：

type data struct { IPsmap[string]containerNetINfo `json:"ips"` // 存储IP信息 Last string`json:"last"`// 上一个分配IP }type Store struct { *filemutex.FileMutex // 文件锁 dirstring data*data dataFile string }

分配IP代码：

func (im *IPAM) AllocateIP(id, ifName string) (net.IP, error) { im.store.Lock() // 上锁，防止冲突 defer im.store.Unlock() im.store.LoadData(); // 加载存储中IP数据// 根据容器id查询ip是否已分配 ip, _ := im.store.GetIPByID(id) if len(ip) > 0 { return ip, nil }// 从上次已分配IP开始，依次检查，如果IP未使用则添加到文件中 start := make(net.IP, len(last)) for { next, err := im.NextIP(start) if err == IPOverflowError && !last.Equal(im.gateway) { start = im.gateway continue } else if err != nil { return nil, err }// 分配IP if !im.store.Contain(next) { err := im.store.Add(next, id, ifName) return next, err }start = next if start.Equal(last) { break }fmt.Printf("ip: %s", next) } return nil, fmt.Errorf("no available ip") }

IP分配过程如下：

1. 加文件锁，读取已分配IP
2. 从上一个分配IP开始，遍历判断是否未分配
3. 如果IP未使用，存储到文件中并返回

节点内通信 节点内通信通过网桥实现，创建一个虚拟设备对，分别绑定到Pod所在Namespace与网桥上，绑定IPAM分配的IP, 并设置默认路由。从而实现同一个节点上，Node->Pod与Pod之间的通信。
首先，如果网桥不存在则通过netlink库创建

func CreateBridge(bridge string, mtu int, gateway *net.IPNet) (netlink.Link, error) { if l, _ := netlink.LinkByName(bridge); l != nil { return l, nil } br := &netlink.Bridge{ LinkAttrs: netlink.LinkAttrs{ Name:bridge, MTU:mtu, TxQLen: -1, }, } if err := netlink.LinkAdd(br); err != nil && err != syscall.EEXIST { return nil, err } dev, err := netlink.LinkByName(bridge) if err != nil { return nil, err }// 添加地址，即Pod默认网关地址 if err := netlink.AddrAdd(dev, &netlink.Addr{IPNet: gateway}); err != nil { return nil, err } // 启动网桥 if err := netlink.LinkSetUp(dev); err != nil { return nil, err } return dev, nil }

为容器创建虚拟网卡

func SetupVeth(netns ns.NetNS, br netlink.Link, mtu int, ifName string, podIP *net.IPNet, gateway net.IP) error { hostIface := ¤t.Interface{} err := netns.Do(func(hostNS ns.NetNS) error { // 在容器网络空间创建虚拟网卡 hostVeth, containerVeth, err := ip.SetupVeth(ifName, mtu, "", hostNS) if err != nil { return err } hostIface.Name = hostVeth.Name// set ip for container veth conLink, err := netlink.LinkByName(containerVeth.Name) if err != nil { return err } // 绑定Pod IP if err := netlink.AddrAdd(conLink, &netlink.Addr{IPNet: podIP}); err != nil { return err }// 启动网卡 if err := netlink.LinkSetUp(conLink); err != nil { return err }// 添加默认路径，网关即网桥的地址 if err := ip.AddDefaultRoute(gateway, conLink); err != nil { return err }return nil }) // need to lookup hostVeth again as its index has changed during ns move hostVeth, err := netlink.LinkByName(hostIface.Name) if err != nil { return fmt.Errorf("failed to lookup %q: %v", hostIface.Name, err) } // 将虚拟网卡另一端绑定到网桥上 if err := netlink.LinkSetMaster(hostVeth, br); err != nil { return fmt.Errorf("failed to connect %q to bridge %v: %v", hostVeth.Attrs().Name, br.Attrs().Name, err) } return nil }

至此，CNI插件的功能实现完成。
Mycnid
mycnid为节点上的守护进程，实现不同节点的Pod通信，主要功能包括：

1. 监听K8s Nodes, 获取本节点的PodCIDR写入配置文件(默认位置在/run/mycni/subnet.json)
2. 为其他节点添加路由(ip route add podCIDR via nodeip)
3. 一些初始化配置，写入默认的Iptables规则，初始化网桥

节点间通信 通过Controller监听Node资源，当前有节点Add/Delete时，调用Reconcile同步路由

func (r *Reconciler) Reconcile(ctx context.Context, req reconcile.Request) (reconcile.Result, error) { result := reconcile.Result{} nodes := &corev1.NodeList{} // 获取所有节点 if err := r.client.List(ctx, nodes); err != nil { return result, err } // 获取节点的CIDR，生成路由 cidrs := make(map[string]netlink.Route) for _, node := range nodes.Items { if node.Name == r.config.nodeName { // 跳过当前节点 continue } // 生成期望路由 _, cidr, err := net.ParseCIDR(node.Spec.PodCIDR) nodeip, err := getNodeInternalIP(&node) route := netlink.Route{ Dst:cidr, Gw:nodeip, ILinkIndex: r.hostLink.Attrs().Index, } cidrs[cidr.String()] = route // 与本地的路由对比，不存在则创建 if currentRoute, ok := r.routes[cidr.String()]; ok { if isRouteEqual(route, currentRoute) { continue } if err := r.ReplaceRoute(currentRoute); err != nil { return result, err } } else { if err := r.addRoute(route); err != nil { return result, err } } } // 删除多余的路由 for cidr, route := range r.routes { if _, ok := cidrs[cidr]; !ok { if err := r.delRoute(route); err != nil { return result, err } } } return result, nil }// 创建路由 func (r *Reconciler) addRoute(route netlink.Route) (err error) { defer func() { if err == nil { r.routes[route.Dst.String()] = route } }() log.Info(fmt.Sprintf("add route: %s", route.String())) err = netlink.RouteAdd(&route) if err != nil { log.Error(err, "failed to add route", "route", route.String()) } return }

主要步骤包括：

1. 当前Node变化时获取集群中所有Node网络信息（PodCIDR、IP等）
2. 与节点上路由进行比对，若缺少则添加，若宿主机上存在多余的路由则删除

为什么不是直接对变化的Node修改对应的路由？
通过获取所有节点网络信息与宿主机进行路由比对，符合Kubernetes编程规范，声明式编程而不是过程式，这种方式不会丢事件。即使手动误删了路由，下次同步也会将其恢复。

其他配置 如果使用Docker的话，Docker会禁止非Docker网桥的流量转发，需要配置iptables

iptables -A FORWARD -i ${bridge} -j ACCEPT

大部分集群允许Pod访问外部网络，需要配置SNAT：

sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s $cidr -j MASQUERADE # 另外允许主机网卡转发 iptables -A FORWARD -i $hostNetWork -j ACCEPT

代码如下，通过github.com/coreos/go-iptables/iptables可以配置iptables：

func addIptables(bridgeName, hostDeviceName, nodeCIDR string) error { ipt, err := iptables.NewWithProtocol(iptables.ProtocolIPv4) if err != nil { return err } if err := ipt.AppendUnique("filter", "FORWARD", "-i", bridgeName, "-j", "ACCEPT"); err != nil { return err } if err := ipt.AppendUnique("filter", "FORWARD", "-i", hostDeviceName, "-j", "ACCEPT"); err != nil { return err } if err := ipt.AppendUnique("nat", "POSTROUTING", "-s", nodeCIDR, "-j", "MASQUERADE"); err != nil { return err } return nil }

演示 通过kind模拟创建多节点k8s集群kind create cluster --config deploy/kind.yaml

# cat deploy/kind.yaml kind: Cluster apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4 networking: # 禁止默认的CNI disableDefaultCNI: true nodes: # 包括一个master节点，三个worker - role: control-plane - role: worker - role: worker - role: worker

创建完成后，可以看到所有节点都是NotReady，这是因为我们没有装CNI

mycni kubectl get no NAMESTATUSROLESAGEVERSION kind-control-planeNotReadycontrol-plane,master37sv1.23.4 kind-workerNotReady18sv1.23.4 kind-worker2NotReady18sv1.23.4 kind-worker3NotReady18sv1.23.4

接下编译我们的mycni镜像，通过kind load docker-image加载到集群中。
部署CNI插件，这里参考了Flannel的部署，主要是通过Daemonset在每个节点上部署一个Pod，初始化容器将mycni检查二进制文件拷贝到/opt/cni/bin，将配置文件拷贝到/etc/cni/net.d，再启动mycnid容器。

kubectl apply -f delpoy/mycni.yaml

部署完成后，可以看到所有节点状态变为Ready。
最后测试Pod的网络配置情况，部署一个多副本Alpine Deployment

kubectl create deployment cni-test --image=alpine --replicas=6 -- topkubectl get po -owide NAMEREADYSTATUSRESTARTSAGEIPNODENOMINATED NODEREADINESS GATES cni-test-5df744744c-5wthb1/1Running012s10.244.2.3kind-worker2 cni-test-5df744744c-7cdll1/1Running012s10.244.1.2kind-worker cni-test-5df744744c-jssjk1/1Running012s10.244.3.2kind-worker3 cni-test-5df744744c-jw6xv1/1Running012s10.244.1.3kind-worker cni-test-5df744744c-klbr41/1Running012s10.244.3.3kind-worker3 cni-test-5df744744c-w7q9t1/1Running012s10.244.2.2kind-worker2

【云原生|手写一个Kubernetes CNI网络插件】所有Pod可以正常启动，首先测试Node与Pod的通信, 结果如下

root@kind-worker:/# ping 10.244.1.2 PING 10.244.1.2 (10.244.1.2) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 10.244.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.101 ms 64 bytes from 10.244.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.049 ms --- 10.244.1.2 ping statistics ---

同节点上的Pod通信：

~ kubectl exec cni-test-5df744744c-7cdll -- ping 10.244.1.3 -c 4 PING 10.244.1.3 (10.244.1.3): 56 data bytes 64 bytes from 10.244.1.3: seq=0 ttl=64 time=0.118 ms 64 bytes from 10.244.1.3: seq=1 ttl=64 time=0.077 ms 64 bytes from 10.244.1.3: seq=2 ttl=64 time=0.082 ms 64 bytes from 10.244.1.3: seq=3 ttl=64 time=0.085 ms--- 10.244.1.3 ping statistics --- 4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss round-trip min/avg/max = 0.077/0.090/0.118 ms

不同节点的Pod通信

~ kubectl exec cni-test-5df744744c-7cdll -- ping 10.244.2.2 -c 4 PING 10.244.2.2 (10.244.2.2): 56 data bytes 64 bytes from 10.244.2.2: seq=0 ttl=62 time=0.298 ms 64 bytes from 10.244.2.2: seq=1 ttl=62 time=0.234 ms 64 bytes from 10.244.2.2: seq=2 ttl=62 time=0.180 ms 64 bytes from 10.244.2.2: seq=3 ttl=62 time=0.234 ms--- 10.244.2.2 ping statistics --- 4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss round-trip min/avg/max = 0.180/0.236/0.298 ms

Pod访问外网

~ kubectl exec cni-test-5df744744c-7cdll -- ping www.baidu.com -c 4 PING www.baidu.com (103.235.46.39): 56 data bytes 64 bytes from 103.235.46.39: seq=0 ttl=47 time=312.115 ms 64 bytes from 103.235.46.39: seq=1 ttl=47 time=311.126 ms 64 bytes from 103.235.46.39: seq=2 ttl=47 time=311.653 ms 64 bytes from 103.235.46.39: seq=3 ttl=47 time=311.250 ms--- www.baidu.com ping statistics --- 4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss round-trip min/avg/max = 311.126/311.536/312.115 ms

通过测试验证，我们实现的mycni满足k8s的CNI网络插件的要求，可以实现集群内所有Pod的通信，以及Node与Pod的通信，Pod也可以正常访问外网。
总结 本文首先介绍了CNI的架构，通过手动实现一个CNI网络插件，可以更加深入的了解CNI的工作原理以及Linux相关网络知识。
欢迎指正，所有代码见：

https://github.com/qingwave/mycni

引用

• https://www.cni.dev/docs/
• https://ronaknathani.com/blog/2020/08/how-a-kubernetes-pod-gets-an-ip-address/

Explore more in https://qingwave.github.io

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