Flannel后端为UDP模式下，分析数据包的发送方式——tun设备(三)

在分析 Kubernetes 环境中 Flannel UDP 模式的数据包转发时，我们提到 flannel.1 是一个 TUN 设备，它在数据包处理中起到了关键作用。

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什么是 TUN 设备？

TUN 设备（Tunnel 设备）是 Linux 系统中一种虚拟网络接口，工作在 网络层（Layer 3），用于在用户态和内核态之间传递 IP 数据包。TUN 设备是 虚拟化网络 的核心组件，常用于 VPN、隧道技术（如 Flannel、OpenVPN）和网络虚拟化场景。

关键特性

• 工作层次：TUN 设备处理 IP 数据包（网络层），而不处理链路层帧（如以太网帧）。相比之下，TAP 设备 工作在链路层（Layer 2），处理以太网帧。
• 用户态与内核态桥接：TUN 设备充当用户态程序（如 flanneld）和内核网络协议栈之间的桥梁，允许用户态程序读写 IP 数据包。
• 虚拟接口：TUN 设备是虚拟的，没有物理硬件支持，通过软件模拟网络接口的功能。
• 用途：常用于网络隧道、虚拟化网络、VPN 和容器网络（如 Kubernetes 的 Flannel）。

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TUN 设备的工作原理

TUN 设备可以看作一个“管道”，一端连接内核的网络协议栈，另一端连接用户态程序（如 flanneld）。其工作流程如下：

1. 接收数据包：

   • 当内核根据路由表决定将数据包发送到 TUN 设备（如 flannel.1）时，数据包从内核态传递到用户态。
   • 用户态程序（如 flanneld）通过文件描述符读取 TUN 设备上的数据包（通常是 IP 数据包）。

2. 处理数据包：

   • 用户态程序可以对数据包进行处理，例如封装（添加 UDP 头部）、加密或转发。
   • 在 Flannel UDP 模式中，flanneld 将原始 IP 数据包（例如目标 IP 为 10.244.2.5）封装为 UDP 数据包。

3. 发送数据包：

   • 用户态程序处理后的数据包（例如 UDP 封装后的数据包）通过 TUN 设备写回内核，或直接通过其他接口（如 enp0s3）发送。
   • 在接收方向，外部数据包到达 TUN 设备后，同样由用户态程序解封装，然后写回内核，交给协议栈处理。

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TUN 设备在 Flannel UDP 模式中的作用

在 Kubernetes 环境中，Flannel 使用 UDP 模式时，flannel.1 是一个 TUN 设备，用于跨节点 Pod 通信。结合你的路由表和问题背景（ping 10.244.2.5），我们分析 TUN 设备（flannel.1）的具体作用：

路由表相关条目

10.244.2.0      10.244.2.0      255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1

• 数据包（目标 IP 10.244.2.5）匹配此路由，通过 flannel.1 发出，网关为 10.244.2.0。

TUN 设备的工作流程

1. 数据包到达 flannel.1：

   • 当源 Pod（例如 10.244.0.x）发送 ICMP 数据包（ping 10.244.2.5），数据包通过 cni0 进入主机网络命名空间。
   • 主机路由表将数据包路由到 flannel.1，因为目标 IP 10.244.2.5 匹配 10.244.2.0/24。

2. flanneld 读取数据包：

   • flannel.1 是一个 TUN 设备，数据包从内核态传递到用户态的 flanneld 进程。
   • 数据包是原始 IP 数据包（源 IP 10.244.0.x，目标 IP 10.244.2.5，大小为 84 字节：20 字节 IP 头部 + 64 字节 ICMP）。

3. UDP 封装：

   • flanneld 查询 etcd 或 Kubernetes API，确定 10.244.2.0/24 对应的目标节点物理 IP（例如 192.168.1.x）。
   • flanneld 将原始数据包封装为 UDP 数据包：
     • 外部 IP 头部：20 字节（源 IP 为当前节点物理 IP，目标 IP 为目标节点物理 IP）。
     • UDP 头部：8 字节（默认端口 8472）。
     • 原始数据包：84 字节。
     • 总大小：20 + 8 + 84 = 112 字节。
   • 封装后的 UDP 数据包通过主机的物理接口（如 enp0s3）发送。

4. 接收方向：

   • 目标节点接收到 UDP 数据包（通过其物理接口），flanneld 通过目标节点的 TUN 设备（类似 flannel.1）读取数据。
   • flanneld 解封装，提取原始 IP 数据包，写回内核，通过 cni0 转发到目标 Pod（10.244.2.5）。

TUN 设备的角色

• 桥接用户态和内核态：flannel.1 允许 flanneld 进程处理跨节点通信，封装和解封装数据包。
• 透明性：Pod 认为自己直接与目标 IP 通信，TUN 设备和 flanneld 隐藏了 UDP 封装的复杂性。
• 灵活性：TUN 设备支持用户态程序（如 flanneld）自定义数据包处理，适合 Flannel UDP 模式的轻量实现。

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TUN 设备与 UDP 模式的关联

在 Flannel UDP 模式中，TUN 设备（flannel.1）是关键组件：

• 数据包封装：TUN 设备允许 flanneld 在用户态封装 IP 数据包为 UDP 数据包，适合不支持内核态 VXLAN 的环境。
• 性能特点：UDP 模式通过用户态处理，性能低于 VXLAN（内核态），但更简单，适合小型集群或特殊环境。
• 路由表依赖：路由表中的 10.244.2.0/24 条目将数据包导向 flannel.1，确保跨节点通信由 flanneld 处理。

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