浅析Kubernetes网络模型

作者：Kasar 2020-09-23 14:20:07

云计算通过我们对各种容器网络模型的实现原理已经有了基本的认识，然而真正将容器技术发扬光大的是Kubernetes容器编排平台。Kubernetes通过整合规模庞大的容器实例形成集群，这些容器实例可能运行在异构的底层网络环境中，如何保证这些容器间的互通是实际生产环境中首要考虑的问题之一。

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通过我们对各种容器网络模型的实现原理已经有了基本的认识，然而真正将容器技术发扬光大的是Kubernetes容器编排平台。Kubernetes通过整合规模庞大的容器实例形成集群，这些容器实例可能运行在异构的底层网络环境中，如何保证这些容器间的互通是实际生产环境中首要考虑的问题之一。

Kubernetes网络基本要求

Kubernetes对容器技术做了更多的抽象，其中最重要的一点是提出pod的概念，pod是Kubernetes资源调度的基本单元，我们可以简单地认为pod是容器的一种延伸扩展，从网络的角度来看，pod必须满足以下条件：

每一个Pod都有一个独特的IP地址，所有pod都在一个可以直接连通的、扁平的网络空间中
同一个pod内的所有容器共享同一个netns网络命名空间

基于这样的基本要求，我们可以知道：

同一个pod内的所有容器之间共享端口，可直接通过localhost+端口来访问
由于每个pod有单独的IP，所以不需要考虑容器端口与主机端口映射以及端口冲突问题

事实上，Kubernetes进一步确定了对一个合格集群网络的基本要求：

任意两个pod之间其实是可以直接通信的，无需显式地使用NAT进行地址的转换;
任意集群节点node与任意pod之间是可以直接通信的，无需使用明显的地址转换，反之亦然;
任意pod看到自己的IP跟别人看见它所用的IP是一样的，中间不能经过地址转换;

也就是说，必须同时满足以上三点的网络模型才能适用于kubernetes，事实上，在早期的Kubernetes中，并没有什么网络标准，只是提出了以上基本要求，只有满足这些要求的网络才可以部署Kubernetes，基于这样的底层网络假设，Kubernetes设计了pod-deployment-service的经典三层服务访问机制。直到1.1发布，Kubernetes才开始采用全新的CNI(Container Network Interface)网络标准。

CNI

其实，我们在前面介绍容器网络的时候，就提到了CNI网络规范，CNI相对于CNM(Container Network Model)对开发者的约束更少，更开放，不依赖于Docker。事实上，CNI规范确实非常简单，详见：https://github.com/containernetworking/cni/blob/master/SPEC.md

实现一个CNI网络插件只需要一个配置文件和一个可执行的文件：

配置文件描述插件的版本、名称、描述等基本信息
可执行文件会被上层的容器管理平台调用，一个CNI可执行文件自需要实现将容器加入到网络的ADD操作以及将容器从网络中删除的DEL操作(以及一个可选的VERSION查看版本操作)

Kubernetes使用CNI网络插件的基本工作流程：

kubelet先创建pause容器生成对应的netns网络命名空间
根据配置调用具体的CNI插件，可以配置成CNI插件链来进行链式调用
当CNI插件被调用时，它根据环境变量以及命令行参数来获得网络命名空间netns、容器的网络设备等必要信息，然后执行ADD操作
CNI插件给pause容器配置正确的网络，pod中其他的容器都是用pause容器的网络

如果不清楚什么是pause容器，它在pod中处于什么样的位置，请查看之前的笔记：https://morven.life/notes/from-container-to-pod/

pod网络模型

要了解kubernetes网络模型的实现原理，我们就要从单个pod入手，事实上，一旦熟悉了单个pod的网络模型，就会发现kubernetes网络模型基本遵循和容器网络模型一样的原理。

通过前面的笔记从docker容器到pod，我们知道pod启动的时候先创建pause容器生成对应的netns网络命名空间，然后其他容器共享pause容器创建的网络命名空间。而对于单个容器的网络模型我们之前也介绍过，主要就是通过docker0网桥设备与veth设备对连接不同的容器网络命名空间，由此，我们可以得到如下图所示的单个pod网络模型的创建过程：

可以看到，同一个pod里面的其他容器共享pause容器创建的网络命名空间，也就是说，所有的容器共享相同的网络设备，路由表设置，服务端口等信息，仿佛是在同一台机器上运行的不同进程，所以这些容器之间可以直接通过localhost与对应的端口通信;对于集群外部的请求，则通过docker0网桥设备充当的网关，同时通过iptables做地址转换。我们会发现，这其实就是对当个容器的bridge网络模型的扩展。

主流kubernetes网络方案

上一小节我们知道单个pod的网络模型是容器网络模型的扩展，但是pod与pod之间的是怎么相互通信的呢?这其实与容器之间相互通信非常类似，也分为同一个主机上的pod之间与跨主机的pod之间两种。

如容器网络模型一样，对于统一主机上的pod之间，通过docker0网桥设备直接二层(数据链路层)网络上通过MAC地址直接通信：

而跨主机的pod之间的相互通信也主要有以下两个思路：

修改底层网络设备配置，加入容器网络IP地址的管理，修改路由器网关等，该方式主要和SDN(Software define networking)结合。
完全不修改底层网络设备配置，复用原有的underlay平面网络，解决容器跨主机通信，主要有如下两种方式:隧道传输(Overlay)：将容器的数据包封装到原主机网络的三层或者四层数据包中，然后使用主机网络的IP或者TCP/UDP传输到目标主机，目标主机拆包后再转发给目标容器。Overlay隧道传输常见方案包括Vxlan、ipip等，目前使用Overlay隧道传输技术的主流容器网络有Flannel等;

修改主机路由：把容器网络加到主机路由表中，把主机网络设备当作容器网关，通过路由规则转发到指定的主机，实现容器的三层互通。目前通过路由技术实现容器跨主机通信的网络如Flannel host-gw、Calico等;

下面简单介绍几种主流的方案：

Flannel是目前使用最为普遍的方案，提供了多种网络backend，它支持多种数据路径，也适合于overlay/underlay等多种场景。对于overlay的数据包封装，可以使用用户态的UDP，内核态的Vxlan(性能相对较好)，甚至在集群规模不大，且处于同一个二层域时可以采用host-gw的方式修改主机路由表;
Weave工作模式与Flannel很相似的，它最早只提供了UDP(称为sleeve模式)的网络方式，后来又加上了fastpass方式(基于VxLAN)，不过Weave消除了Flannel中用来存储网络地址的额外组件，自己集成了高可用的数据存储功能;
Calico主要是采用了修改主机路由，节点之间采用BGP的协议去进行路由的同步。但是现实中的网络并不总是支持BGP路由的，因此Calico也支持内核中的IPIP模式，使用overlay的方式来传输数据;

下表是几种主流Kubernetes网络方案的对比：

  
 
 
 
   
  
  
  | A | Overlay-Network | Host-RouteTable | NetworkPolicy Support | Decentralized IP Allocation | | – | — | — | — | — | | Flannel | UDP/VXLAN | Host-GW | N | N | | Weave | UDP/VXLAN | N/A | Y | Y | | Calico | IPIP | BGP | Y | N |

策略控制(Network Policy)

Network Policy)是Kubernetes提供的基于策略的网络控制，用于隔离应用并提高安全性。它使用Kubernetes中常用的标签选择器模拟传统的分段网络，并通过策略控制它们之间的东西流量以及与外部交流的南北流量。

Note: 确保使用的网络插件支持策略控制(Network Policy)，比如Flannel就没有实现Network Policy;

下面的例子是配置一个典型的Network Policy的实例：

  
 
 
 
   
  
  
  apiVersion: networking.k8s.io/v1 
   
  
  
  kind: NetworkPolicy 
   
  
  
  metadata: 
   
  
  
    name: test-network-policy 
   
  
  
    namespace: default 
   
  
  
  spec: 
   
  
  
    podSelector: 
   
  
  
      matchLabels: 
   
  
  
        role: db 
   
  
  
    policyTypes: 
   
  
  
    - Ingress  - Egress  ingress: 
   
  
  
    - from: 
   
  
  
      - ipBlock: 
   
  
  
          cidr: 172.17.0.0/16 
   
  
  
          except: 
   
  
  
          - 172.17.1.0/24 
   
  
  
      - namespaceSelector: 
   
  
  
          matchLabels: 
   
  
  
            project: myproject 
   
  
  
      - podSelector: 
   
  
  
          matchLabels: 
   
  
  
            role: frontend 
   
  
  
      ports: 
   
  
  
      - protocol: TCP 
   
  
  
        port: 6379 
   
  
  
    egress: 
   
  
  
    - to: 
   
  
  
      - ipBlock: 
   
  
  
          cidr: 10.0.0.0/24 
   
  
  
      ports: 
   
  
  
      - protocol: TCP 
   
  
  
        port: 5978

它使用标签选择器namespaceSelector与posSelector控制pod之间的流量，流量的行为模式主要由以下三个对象决定：

控制对象：通过spec.podSelector筛选
流量方向：ingress控制入pod流量，egress控制出pod流量
流量特征：对端-IP-协议-端口

通过使用Network Policy可以实现对进出流的精确控制，它采用各种选择器(标签或namespace)，找到一组满足条件的pod，或者找到相当于通信的两端，然后通过流量的特征描述来决定它们之间是不是可以连通，可以理解为一个白名单的机制。

本文名称：浅析Kubernetes网络模型
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