Calico 是一个纯三层的数据中心网络方案，而且无缝集成像 OpenStack 这种 Iaas 云架构，能够提供可控的 VM、容器、裸机之间的 IP 通信。为什么说它是纯三层呢？因为所有的数据包都是通过路由的形式找到对应的主机和容器的，然后通过 BGP 协议来将所有路由同步到所有的机器或数据中心，从而完成整个网络的互联。

简单来说，Calico 在主机上创建了一堆的 veth pair，其中一端在主机上，另一端在容器的网络命名空间里，然后在容器和主机中分别设置几条路由，来完成网络的互联。

Calico 网络模型

任意选择 k8s 集群中的一个节点作为实验节点，进入容器 A，查看容器 A 的 IP 地址：

$ ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: eth0@if771: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1440 qdisc noqueue state UP
    link/ether 66:fb:34:db:c9:b4 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.8.2/32 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

容器 A 的默认路由

1
2
3

$ ip route
default via 169.254.1.1 dev eth0
169.254.1.1 dev eth0 scope link

从路由表可以知道 169.254.1.1 是容器的默认网关，但却找不到任何一张网卡对应这个 IP 地址

当一个数据包的目的地址不是本机时，就会查询路由表，从路由表中查到网关后，它首先会通过 ARP 获得网关的 MAC 地址，然后在发出的网络数据包中将目标 MAC 改为网关的 MAC，而网关的 IP 地址不会出现在任何网络包头中。也就是说，没有人在乎这个 IP 地址究竟是什么，只要能找到对应的 MAC 地址，能响应 ARP 就行了。

可以通过 ip neigh 命令查看一下本地的 ARP 缓存：

1 2	$ ip neigh 169.254.1.1 dev eth0 lladdr ee:ee:ee:ee:ee:ee REACHABLE

实际上 Calico 利用了网卡的代理 ARP 功能。代理 ARP 是 ARP 协议的一个变种，当 ARP 请求目标跨网段时，网关设备收到此 ARP 请求，会用自己的 MAC 地址返回给请求者，这便是代理 ARP（Proxy ARP）。举个例子：

上面这张图中，电脑发送 ARP 请求服务器 8.8.8.8 的 MAC 地址，路由器（网关）收到这个请求时会进行判断，由于目标 8.8.8.8 不属于本网段（即跨网段），此时便返回自己的接口 MAC 地址给 PC，后续电脑访问服务器时，目标 MAC 直接封装为 MAC254。

查看宿主机的网卡信息和路由信息：

$ ip addr
...
771: calicba2f87f6bb@if4: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1440 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 14
    inet6 fe80::ecee:eeff:feee:eeee/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
...

$ ip route 
...
172.17.8.2 dev calicba2f87f6bb scope link
...

查看是否开启代理 ARP：

1 2	$ cat /proc/sys/net/ipv4/conf/calicba2f87f6bb/proxy_arp 1

如果还不放心，可以通过 tcpdump 抓包验证一下：

$ tcpdump -i calicba2f87f6bb -e -nn
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on calicba2f87f6bb, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes


14:27:13.565539 ee:ee:ee:ee:ee:ee > 0a:58:ac:1c:ce:12, ethertype IPv4 (0x0800), length 4191: 10.96.0.1.443 > 172.17.8.2.36180: Flags [P.], seq 403862039:403866164, ack 2023703985, win 990, options [nop,nop,TS val 331780572 ecr 603755526], length 4125
14:27:13.565613 0a:58:ac:1c:ce:12 > ee:ee:ee:ee:ee:ee, ethertype IPv4 (0x0800), length 66: 172.17.8.2.36180 > 10.96.0.1.443: Flags [.], ack 4125, win 2465, options [nop,nop,TS val 603758497 ecr 331780572], length 0

总结：

Calico 通过一个巧妙的方法将 workload 的所有流量引导到一个特殊的网关 169.254.1.1，从而引流到主机的 calixxx 网络设备上，最终将二三层流量全部转换成三层流量来转发。
在主机上通过开启代理 ARP 功能来实现 ARP 应答，使得 ARP 广播被抑制在主机上，抑制了广播风暴，也不会有 ARP 表膨胀的问题。

模拟组网

架构如图所示：

先在 Host0 上执行以下命令：

$ ip link add veth0 type veth peer name eth0
$ ip netns add ns0
$ ip link set eth0 netns ns0
$ ip netns exec ns0 ip a add 10.20.1.2/24 dev eth0
$ ip netns exec ns0 ip link set eth0 up
$ ip netns exec ns0 ip route add 169.254.1.1 dev eth0 scope link
$ ip netns exec ns0 ip route add default via 169.254.1.1 dev eth0
$ ip link set veth0 up
$ ip route add 10.20.1.2 dev veth0 scope link
$ ip route add 10.20.1.3 via 192.168.1.16 dev ens192
$ echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/proxy_arp

在 Host1 上执行以下命令：

$ ip link add veth0 type veth peer name eth0
$ ip netns add ns1
$ ip link set eth0 netns ns1
$ ip netns exec ns1 ip a add 10.20.1.3/24 dev eth0
$ ip netns exec ns1 ip link set eth0 up
$ ip netns exec ns1 ip route add 169.254.1.1 dev eth0 scope link
$ ip netns exec ns1 ip route add default via 169.254.1.1 dev eth0
$ ip link set veth0 up
$ ip route add 10.20.1.3 dev veth0 scope link
$ ip route add 10.20.1.2 via 192.168.1.32 dev ens192
$ echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/proxy_arp

网络连通性测试：

# Host0
$ ip netns exec ns1 ping 10.20.1.3
PING 10.20.1.3 (10.20.1.3) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.20.1.3: icmp_seq=1 ttl=62 time=0.303 ms
64 bytes from 10.20.1.3: icmp_seq=2 ttl=62 time=0.334 ms

具体的转发过程如下：

ns0 网络空间的所有数据包都转发到一个虚拟的 IP 地址 169.254.1.1，发送 ARP 请求。
Host0 的 veth 端收到 ARP 请求时通过开启网卡的代理 ARP 功能直接把自己的 MAC 地址返回给 ns0。
ns0 发送目的地址为 ns1 的 IP 数据包。
因为使用了 169.254.1.1 这样的地址，Host 判断为三层路由转发，查询本地路由 10.20.1.3 via 192.168.1.16 dev ens192 发送给对端 Host1，如果配置了 BGP，这里就会看到 proto 协议为 BIRD。
当 Host1 收到 10.20.1.3 的数据包时，匹配本地的路由表 10.20.1.3 dev veth0 scope link，将数据包转发到对应的 veth0 端，从而到达 ns1。
回程类似

通过这个实验，我们可以很清晰地掌握 Calico 网络的数据转发流程，首先需要给所有的 ns 配置一条特殊的路由，并利用 veth 的代理 ARP 功能让 ns 出来的所有转发都变成三层路由转发，然后再利用主机的路由进行转发。这种方式不仅实现了同主机的二三层转发，也能实现跨主机的转发。

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Calico 网络通信原理

Calico 网络模型

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