【K8S系列】深入解析k8s网络

1 基本介绍

1.1 K8s网络是什么

Kubernetes网络是指在Kubernetes集群中不同组件之间进行通信和交互的网络架构。

在Kubernetes中，每个容器都有自己的IP地址，这些容器组成了Pod，Pod是Kubernetes调度的最小单元。

Kubernetes网络的设计目标是支持多种网络模型，并提供可插拔的网络插件，从而使Kubernetes能够在不同的云和物理环境中运行。

Kubernetes网络通常分为四个层次：

• 容器网络接口（CNI）
• Pod网络
• Service网络
• Ingress网络

容器网络接口（CNI）层

Kubernetes网络的底层是CNI层，它是一个独立的插件系统，用于为容器分配IP地址、创建网络接口和配置网络环境。

CNI插件可以在Kubernetes的各种云和物理环境中使用，例如AWS、GCP、Azure、OpenStack、Bare metal等。

这一层解决的是—Docker容器和Docker容器之间的网络

Pod是最小的可调度单元，通常包含一个或多个容器。Pod内的容器可以通过localhost（127.0.0.1）进行通信，这种通信方式不需要网络环境的支持，因此可以实现较低的延迟和较高的吞吐量。

在Pod内部，容器之间可以通过共享网络命名空间进行通信。所有容器共享Pod的IP地址和网络命名空间，它们可以使用localhost或Pod的IP地址进行通信。可以通过在Pod的配置文件中指定容器之间的端口映射来定义容器之间的通信方式。

例如，在一个Pod中有两个容器A和B，A需要向B发送HTTP请求。可以在Pod的配置文件中为容器A和容器B分别指定端口号，然后在容器A中使用localhost和容器B的端口号进行通信。容器B在接收到请求后可以返回HTTP响应。

Pod网络层

Pod网络层是容器的网络层，它为Pod提供了单独的IP地址和网络空间。Pod网络层可以使用多种网络模型，如host模式、overlay模式、macvlan模式等。

这一层解决的是—Pod与Pod之间的网络通讯

Pod间通信：

Pod是Kubernetes中最小的部署单元，每个Pod都有一个唯一的IP地址，Pod内的容器共享该IP地址和网络命名空间。

Pod间通信可以使用多种技术，如Kubernetes默认的CNI插件、Flannel、Calico、Weave Net等。

Service网络层

Service网络层是Kubernetes网络的中间层，它定义了Service之间的网络通信，为Service提供了一个虚拟IP地址，将请求路由到后端Pod的实际IP地址。

Service网络层可以使用ClusterIP、NodePort、LoadBalancer等多种类型。

这一层解决的是—Pod与Service之间的网络

Ingress网络层

Ingress网络层是Kubernetes网络的顶层，它允许外部流量进入Kubernetes集群，并将请求路由到不同的Service。

Ingress网络层可以使用多种Ingress控制器，如Nginx、Traefik、HAProxy等。

这一层解决的是—Internet与Service之间的网络

2 k8s网络模型

Kubernetes网络模型是一个为容器提供网络连接的框架，它允许容器在Kubernetes集群内和外部进行通信。

Kubernetes网络模型包括以下几个方面：

1. Pod间通信：Pod是Kubernetes中最小的部署单元，每个Pod都有一个唯一的IP地址，Pod内的容器共享该IP地址和网络命名空间。Pod间通信可以使用多种技术，如Kubernetes默认的CNI插件、Flannel、Calico、Weave Net等。
2. Pod与Service通信：Service是Kubernetes中用于访问Pod的一种抽象机制，它为一组Pod提供一个统一的访问入口，并分发请求到后端的Pod。Pod与Service之间的通信可以直接使用Service的IP地址或DNS名称，Kubernetes会自动将请求路由到后端的Pod。
3. Pod与Node通信：Kubernetes中的Pod可以与它所在的节点进行通信，这种通信方式通常用于容器化应用需要访问宿主机上的资源，如宿主机上的文件、设备等。Pod与Node之间的通信可以通过节点IP地址或本地环回地址（127.0.0.1）进行。
   
4. Service与外部网络通信：Kubernetes中的Service可以暴露给外部网络访问，这可以通过Ingress、NodePort或LoadBalancer等机制实现。Ingress是一种Kubernetes中的资源对象，用于将外部HTTP/HTTPS流量路由到Service中，它可以提供负载均衡、SSL终止等功能。NodePort是一种Service类型，它将Service的端口映射到每个节点的固定端口上，从而允许外部网络通过节点IP地址和该端口访问Service。LoadBalancer是一种Service类型，它使用云提供商的负载均衡器将外部网络流量路由到Service中。

Kubernetes网络模型提供了一种灵活、可扩展、高可用、安全的网络解决方案，使得容器之间能够相互通信以及与外界进行通信，为容器化应用的部署和运行提供了强大的支持。

网络方案

Kubernetes网络模型是基于容器、Pod、Service和Ingress等抽象概念构建的，它提供了以下特性：

1. 容器间通信：容器可以直接通过Pod网络进行通信，无需进行端口映射或NAT。
   
2. Service发现：Service网络层为Service提供了一个虚拟IP地址，使得其他容器可以通过Service名称和端口号访问该服务。
   
3. 负载均衡：Kubernetes支持多种负载均衡算法，如Round Robin、IP Hash、Least Connection等。
   
4. 网络隔离：Kubernetes支持通过网络策略实现容器之间的网络隔离，从而保护容器的安全性。
5. 外部流量管理：Ingress网络层提供了外部流量管理机制，允许外部请求进入Kubernetes集群，并将请求路由到不同的Service。

Kubernetes网络架构和网络模型提供了高度可扩展性、可插拔性和高可用性的网络解决方案，使得开发人员可以更加轻松地部署和管理容器化应用程序。

k8s网络插件

Kubernetes 是一个强大的容器编排平台，它提供了多种网络插件，用于在集群中实现容器之间和容器与外部网络的通信。以下是几种常用的 Kubernetes 网络插件：

1. Kube-router
2. Flannel
3. Calico
4. Weave Net
5. Cilium

1 Kube-router

Kube-router 是一种基于 BGP 协议的容器网络方案，它可以在集群中创建一个虚拟网络，并使用 BGP 协议来管理容器之间的通信。

具体来说，Kube-router 会为每个容器分配一个唯一的 IP 地址，并使用 BGP 协议将这些 IP 地址添加到路由表中。

Kube-router 还支持多种网络拓扑结构，包括扁平网络、网格网络和点对点网络等。

使用示例

以下是使用 Kube-router 网络插件的示例代码，

演示前提：已经安装了 Kubernetes 集群和 Kube-router 网络插件：

创建一个 Kubernetes Deployment

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment #资源类型为Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80

创建一个 Kubernetes Service

apiVersion: v1
kind: Service #资源类型为service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 80
  type: ClusterIP

创建一个 Kubernetes Pod，使用 Kube-router 网络插件

apiVersion: v1
kind: Pod  #资源类型为pod
metadata:
  name: kube-router-pod
spec:
  containers:
  - name: kube-router-container
    image: kube-router/kube-router:v1.3
    command:
    - kube-router
    - run
    args:
    - --run-router=false
    - --run-firewall=false
    - --run-service-proxy=false
    - --run-egress=false
    - --enable-cni=true
    - --cni-bin-dir=/opt/cni/bin
    - --cni-conf-dir=/etc/cni/net.d
    - --cni-network-config='{
        "cniVersion": "0.3.1",
        "name": "kube-router",
        "type": "kube-router"
      }'
    volumeMounts:
    - name: cni-bin
      mountPath: /opt/cni/bin
    - name: cni-conf
      mountPath: /etc/cni/net.d
  volumes:
  - name: cni-bin
    hostPath:
      path: /opt/cni/bin
  - name: cni-conf
    hostPath:
      path: /etc/cni/net.d

在该示例中，

创建了一个 Pod，并使用 Kube-router 网络插件来管理容器的网络配置。

具体来说，是在容器中启动了 Kube-router 进程，并通过命令行参数来配置插件的运行模式和网络配置。

还使用了 hostPath 卷来挂载 CNI 插件所需的文件和配置。

需要注意的是，在使用 Kube-router 网络插件时，需要根据不同的网络需求和环境来配置参数和选项。具体的配置方法可以参考 Kube-router 的官方文档和示例代码。

2 Flannel

Flannel 是一种基于 VXLAN 或者 UDP 的虚拟网络方案，它通过在每个节点上创建一个虚拟网络来实现容器之间的通信。

具体来说，Flannel 会为每个节点分配一个唯一的 IP 地址段，并将每个容器的 IP 地址映射到这个 IP 地址段中。

Flannel 需要依赖 etcd 或者其他分布式键值存储系统来存储网络配置信息。

使用示例

以下是使用 Flannel 网络插件的示例代码，

演示前提：已经安装了 Kubernetes 集群和 Flannel 网络插件：

创建一个 Kubernetes Deployment

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment #资源类型
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80

创建一个 Kubernetes Service

apiVersion: v1
kind: Service #资源类型
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 80
  type: ClusterIP

创建一个 Kubernetes Pod，使用 Flannel 网络插件

apiVersion: v1
kind: Pod #资源类型
metadata:
  name: flannel-pod
spec:
  containers:
  - name: flannel-container
    image: quay.io/coreos/flannel:v0.14.0
    command:
    - /opt/bin/flanneld
    args:
    - --ip-masq
    - --kube-subnet-mgr
    - --iface=eth0
    securityContext:
      privileged: true
    volumeMounts:
    - name: flannel-cfg
      mountPath: /etc/kube-flannel/
  volumes:
  - name: flannel-cfg
    configMap:
      name: kube-flannel-cfg #挂载

在该示例中，创建了一个 Pod，并使用 Flannel 网络插件来管理容器的网络配置。另外，在容器中启动了 Flannel 进程，并通过命令行参数来配置插件的运行模式和网络配置。

还使用了 configMap 卷来挂载 Flannel 的配置文件。

需要注意的是，在使用 Flannel 网络插件时，需要根据不同的网络需求和环境来配置参数和选项。

具体的配置方法可以参考 Flannel 的官方文档和示例代码。

3 Calico

Calico 是一种基于 BGP 协议的容器网络方案，它使用 IP 路由表来管理容器之间的通信。具体来说，Calico 会为每个容器分配一个唯一的 IP 地址，并使用 BGP 协议将这些 IP 地址添加到路由表中。Calico 还提供了强大的网络安全机制，可以保护容器网络的安全性。

4 Weave Net

Weave Net 是一种基于 VXLAN 或者 UDP 的虚拟网络方案，它可以在集群中创建一个虚拟网络，从而实现容器之间的通信。具体来说，Weave Net 会为每个容器分配一个唯一的 IP 地址，并使用 VXLAN 或者 UDP 来在不同节点之间传输数据。Weave Net 还支持多种网络拓扑结构，包括扁平网络、网格网络和点对点网络等。

5 Cilium

Cilium 是一种基于 eBPF 技术的容器网络方案，它可以在内核层面拦截和管理容器之间的通信。具体来说，Cilium 会在每个节点上创建一个 eBPF 过滤器，用于监控和管理容器之间的数据流。Cilium 还支持多种网络层协议和应用层协议，并提供了强大的网络安全机制，可以保护容器网络的安全性。

总结

Kubernetes 提供了多种网络插件，可以根据不同的网络需求和环境来选择适合的网络方案。需要注意的是，在进行网络插件的选择和部署时，需要考虑网络的可靠性、性能和安全性等因素。

今天就到这里了，后面详细介绍：

K8s网络问题解决方案

• 网络故障排除
• 网络性能优化
• 网络安全
• 实战案例

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