浅析Kubernetes网络模型

2020-09-23

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。

原文地址：https://morven.life/notes/networking-6-k8s-summary/