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架构

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架构介绍

arch

Spiderpool 架构如上所示，包含了以下组件：

  • Spiderpool-controller

    一组 deployment，与 API-Server 交互, 管理多个 CRD 资源: 如 SpiderIPPool、SpiderSubnet、SpiderMultusConfig 等, 实施这些 CRD 的校验、创建、状态。 并且响应来自 Spiderpool-agent Pod 的请求，分配、释放、回收、自动IP 池等功能。

  • Spiderpool-agent

    一组 daemonset，运行在每个节点。帮助安装 Multus、Coordinator、IPAM、CNI 等插件到每个节点。并响应 CNI 创建 Pod 时分配 IP 的请求，并与 Spiderpool-controller 交互，完成 Pod IP 的分配与释放。同时与 Coordinator 交互, 的其帮助 Spiderpool plugin 实施 IP 分配，帮助 coordinator plugin 实施配置同步。

  • CNI plugins，它们包括如下：

    Spiderpool IPAM plugin：供 main CNI 调用，实施 IP 分配。参考 IPAM plugin

    coordinator plugin：作为 chain plugin，实施多网卡路由调谐、IP 冲突检查、宿主机联通、MAC 地址固定等。参考 coordinator

    ifacer plugin：作为 chain plugin，可自动创建 bond、vlan 虚拟接口，作为 macvlan、ipvlan 等插件的父接口使用。参考 Ifacer 插件

    Multus CNI: CNI plugin 的调度器

    CNI plugins: 包括 Macvlan CNI, vlan CNI, ipvlan CNI, SR-IOV CNI, ovs CNI, Calico CNI, Weave CNI, Cilium CNI 等。

  • SR-IOV 组件：

    SR-IOV network operator: 便于安装和配置使用 sriov-cni，更多参考 sriov-cni 使用

  • RDMA 组件:

    RDMA shared device plugin: 用于发现主机上的共享 RDMA 设备，并上报给 Kubelet, 以供 RDMA CNI 使用，参考 RDMA使用

    RDMA CNI: 参考 RDMA使用

应用场景：Pod 接入一个 overlay CNI 和若干个 underlay CNI 网卡

arch_underlay

如上所示，Spiderpool 工作在 overlay 模式下，使用 multus 同时为为 Pod 插入一张 overlay 网卡（例如 calico, cilium ）和若干张 underlay 网卡（例如 macvlan CNI, sriov CNI ），可实现:

  • 为 underlay CNI 提供丰富的 IPAM 能力,包括共享/固定 IP、多网卡 IP 分配、双栈支持等

  • 为 Pod 的多个 underlay CNI 网卡和 overlay 网卡调谐路由，以实现请求向和回复向数据路径一致，确保网络通信畅通

  • 以 overlay 网卡作为缺省网卡，并调谐路由，通过 overlay 网卡联通本地宿主机，实现 clusterIP 访问、应用的本地健康检测、overlay 网络流量通过 overlay 网络转发，而 underlay 网络流量通过 underlay 网卡转发。

结合 multus 的 CNI 配置管理和 Spiderpool IPAM 的通用性，可同时运行一种 overlay CNI 和 多种 underlay CNI。例如，在同一个集群下具备不同网络能力的节点， 裸金属节点上的 Pod 同时接入 overlay CNI 和 underlay CNI 网卡，虚拟机节点上的 Pod 只提供集群东西向服务，只接入 overlay CNI 网卡。 带来了如下好处：

  • 把提供东西向服务的应用只接入 overlay 网卡，提供南北向服务的应用同时接入 overlay 和 underlay 网卡，在保障集群内 Pod 连通性基础上，能够降低 underlay IP 资源的用量，减少相应的人工运维成本

  • 充分整合虚拟机和裸金属节点资源

overlay

应用场景：Pod 接入若干个 underlay CNI 网卡

arch_underlay

如上所示，Spiderpool 工作在 underlay 模式下，可配合 underlay CNI （例如 macvlan CNI, SR-IOV CNI ）实现:

  • 为 underlay CNI 提供丰富的 IPAM 能力,包括共享/固定 IP、多网卡 IP 分配、双栈支持等

  • 为 Pod 接入一个或者多个 underlay 网卡，并能调谐多个 underlay CNI 网卡间的路由，以实现请求向和回复向数据路径一致，确保网络通信畅通

  • 通过额外接入 veth 网卡和路由控制，帮助开源 underlay CNI 联通宿主机，实现 clusterIP 访问、应用的本地健康检测等

当一个集群中存在多种基础设置时，如何使用单一的 underlay CNI 来部署容器呢？

  • 在一个集群中，部分节点是虚拟机，例如未打开混杂转发模式的 vmware 虚拟机，而部分节点是裸金属，接入了传统交换机网络。因此在两类节点上部署什么 CNI 方案呢 ？

  • 在一个集群中，部分裸金属节点只具备一张 SRIOV 高速网卡，但只能提供 64 个 VF，如何在一个节点上运行更多的 Pod ？

  • 在一个集群中，部分裸金属节点具备 SRIOV 高速网卡，可以运行低延时应用，部分节点不具备 SRIOV 高速网卡，可以运行普通应用。但在两类节点部署上什么 CNI 方案呢 ？

结合 multus 的 CNI 配置管理和 Spiderpool IPAM 的通用性，可同时运行多种 underlay CNI，充分整合集群中各种基础设施节点的资源，来解决以上问题。

underlay

例如上图所示，在同一个集群下具备不同网络能力的节点， 有的节点具备 SR-IOV 网卡，可运行 SR-IOV CNI，有的节点具备普通的网卡，可运行 macvlan CNI ，有的节点网络访问受限（例如二层网络转发受限的 vmware 虚拟机），可运行 ipvlan CNI。

应用场景 ：underlay CNI 运行在公有云环境和虚拟机

在公有云、OpenStack、vmvare 等环境下实施 underlay CNI，通常只能使用特定环境的厂商 CNI 插件，因为这些环境通常有如下限制：

  • IAAS 网络基础设施对虚拟机网卡发出的数据包，实施了二层报头中的 MAC 限制，一方面，对源 MAC 进行安全检查， 以确保源 MAC 地址与虚拟机网卡 MAC 相同，不支持未知目的 MAC。另一方面，对目的 MAC 做了限制，只支持转发 IAAS 中所有虚拟机网卡的 MAC，不支持未知目的 MAC。通常的 CNI 插件，Pod 分配的网卡的 MAC 地址是新生成的，这使得 Pod 通信失败。

  • IAAS 网络基础设施对虚拟机网卡发出的数据包，实施了三层报头的 IP 限制，只有数据包的目的和源 IP 是在 IAAS 中分配给了虚拟机网卡时，数据包才能得到转发。通常的 CNI 插件，给 Pod 分配的 IP 地址不符合 IAAS 设置，这使得 Pod 通信失败。

Spiderpool 提供了节点拓扑的 IP 池功能，与虚拟机的相同 IP 分配设置对齐，再配合 ipvlan CNI， 从而能够为各种公有云环境提供 underlay CNI 解决方案。

应用场景 ：使用 RDMA 进行网络传输的应用

RDMA 功能使得网卡能够直接读写内存，降低了 CPU 的负担和内核协议栈的处理，是一种网络协议栈 offload 到网卡的技术，它能有效降低网络传输延时、提高吞吐量。

当前，RDMA 技术在 AI 计算、存储等应用上得到了广泛的应用。Macvlan、IPvlan 和 SR-IOV CNI，它们能够在 kubernetes 平台下把 RDMA 网卡透传给 Pod 使用，Spiderpool 增强了这些 CNI 能力，包括 IPAM、宿主机联通、ClusterIP 访问等，并且简化了社区中的依赖组件安装流程和使用步骤，极大提高了易用性。