《Kubernetes网络权威指南》读书笔记 | 终于等到你：Kubernetes网络

Posted 2023-03-03 COCOgsta

书籍来源：《Kubernetes网络权威指南：基础、原理与实践》

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Kubernetes网络包括网络模型、CNI、Service、Ingress、DNS等。

在Kubernetes的网络模型中，每台服务器上的容器有自己独立的IP段，各个服务器之间的容器可以根据目标容器的IP地址进行访问，如图3-4所示。

图3-4 Kubernetes网络模型概览

实现Kubernetes的容器网络重点需要关注两方面：IP地址分配和路由。

3.2.1 Kubernetes网络基础

下面简单介绍Kubernetes网络的基本概念和框架。

1. IP地址分配

Kubernetes使用各种IP范围为节点、Pod和服务分配IP地址。

• 系统会从集群的VPC网络为每个节点分配一个IP地址。
• 系统会为每个Pod分配一个地址块内的IP地址。
• 系统会从集群的VPC网络为每项服务分配一个IP地址（称为ClusterIP）。

1. Pod出站流量

Kubernetes处理Pod的出站流量的方式主要分为以下三种：

Pod到Pod

运行在Pod内的应用都可以使用标准的端口号，Pod之间可以保持三层网络的连通性。

Pod到Service

每台计算节点上都运行一个Kubeproxy进程，通过复杂的iptables/IPVS规则在Pod和Service之间进行各种过滤和NAT。

Pod到集群外

从Pod内部到集群外部的流量，Kubernetes会通过SNAT来处理。

3.2.2 Kubernetes网络架构综述

Kubernetes网络总体架构如图3-5所示。

图3-5 Kubernetes网络总体架构

具体过程如下：

（1）创建了一个Pod后，Kubelet调用CRI创建Pod内的若干个容器。

（2）第一个被创建的被称为pause容器，作用就是占用一个Linux的network namespace。

（3）Pod内其他用户容器通过加入这个network namespace的方式共享同一个network namespace。

（4）CNI主要负责容器的网络设备初始化工作，创建容器的eth0并分配IP，Pod内其他容器就使用这个IP与其他容器或节点进行通信。

3.2.3 Kubernetes主机内组网模型

Kubernetes经典的主机内组网模型是veth pair+bridge的方式。

Kubernetes使用veth pair将容器与主机的网络协议栈连接起来，从而使数据包可以进出Pod。容器放在主机根network namespace中veth pair的一端连接到Linux网桥，可让同一节点上的各Pod之间相互通信，如图3-6所示。

图3-6 Kubernetes bridge网络模型

3.2.4 Kubernetes跨节点组网模型

Kubernetes典型的跨机通信解决方案有bridge、overlay等。

Kubernetes的bridge跨机通信网络模型如图3-7所示。

图3-7 Kubernetes的bridge跨机通信网络模型

bridge网络本身不解决容器的跨机通信问题，需要显式地书写主机路由表，映射目标容器网段和主机IP的关系，集群内如果有N个主机，需要N-1条路由表项。

至于overlay网络，它是构建在物理网络之上的一个虚拟网络，其中VXLAN是主流的overlay标准。图3-8所示为典型的overlay网络的拓扑图。

图3-8 典型的overlay网络的拓扑图

和bridge网络类似，Pod同样接在Linux网桥上，目的地址落在本机Pod网段的网络包同样发给Linux网桥cni0。不同的是，这次是直接发给本机的tun/tap设备tun0，而tun0就是overlay隧道网络的入口。

3.2.5 Pod的hosts文件

与宿主机一样，容器也有/etc/hosts文件，用来记录容器的hostname和IP地址的映射关系。通过向Pod的/etc/hosts文件中添加条目，可以在Pod级别覆盖对hostname的解析。

当一个Pod被创建后，默认情况下，hosts文件只包含IPv4和IPv6的样板内容，例如localhost和主机名称。除了默认的样板内容，我们可能有向Pod的hosts文件添加额外的条目的需求，Kubernetes提供downward API，支持用户通过PodSpec的HostAliases字段添加这些自定义的条目，如下所示：

于是，Pod的hosts文件的内容类似如下：

建议通过使用HostAliases的方式进行修改，最主要的原因是该文件由Kubelet托管，用户修改该hosts文件的任何内容都会在容器重启或Pod重新调度后被Kubelet覆盖。

3.2.6 Pod的hostname

Pod之间主机名相互隔离，但Pod内容器分享同一个主机名。

一个Pod内如果有多个容器，修改任意一个容器的hostname都会影响其他容器，因为Pod共享UTS namespace。

容器重启带来的UTS namespace的改变也会导致hostname被覆盖。