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深入探索 Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)通信

作者：張曉輝
網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)管理
這篇文章主要深入探索Kubernetes網(wǎng)絡(luò)模型，并了解容器、pod間如何進(jìn)行通訊。對于網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)現(xiàn)將會在后面的文章介紹。

Kubernetes 定義了一種簡單、一致的網(wǎng)絡(luò)模型，基于扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，無需將主機(jī)端口與網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行映射便可以進(jìn)行高效地通訊，也無需其他組件進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。該模型也使應(yīng)用程序很容易從虛擬機(jī)或者主機(jī)物理機(jī)遷移到 Kubernetes 管理的 pod 中。

這篇文章主要深入探索Kubernetes網(wǎng)絡(luò)模型，并了解容器、pod間如何進(jìn)行通訊。對于網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)現(xiàn)將會在后面的文章介紹。

Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)模型

該模型定義了：

  • 每個(gè) pod 都有自己的 IP 地址，這個(gè) IP 在集群范圍內(nèi)可達(dá)
  • Pod 中的所有容器共享 pod IP 地址（包括 MAC 地址），并且容器之前可以相互通信（使用localhost）
  • Pod 可以使用 pod IP 地址與集群中任一節(jié)點(diǎn)上的其他 pod 通信，無需 NAT
  • Kubernetes 的組件之間可以相互通信，也可以與 pod 通信
  • 網(wǎng)絡(luò)隔離可以通過網(wǎng)絡(luò)策略實(shí)現(xiàn)

上面的定義中提到了幾個(gè)相關(guān)的組件：

  • Pod：Kubernetes 中的 pod 有點(diǎn)類似虛擬機(jī)有唯一的 IP 地址，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的 pod 共享網(wǎng)絡(luò)和存儲。
  • Container：pod 是一組容器的集合，這些容器共享同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)命名空間。pod 內(nèi)的容器就像虛擬機(jī)上的進(jìn)程，進(jìn)程之間可以使用localhost 進(jìn)行通信；容器有自己獨(dú)立的文件系統(tǒng)、CPU、內(nèi)存和進(jìn)程空間。需要通過創(chuàng)建 Pod 來創(chuàng)建容器。
  • Node：pod 運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上，集群中包含一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè) pod 的網(wǎng)絡(luò)命名空間都會連接到節(jié)點(diǎn)的命名空間上，以打通網(wǎng)絡(luò)。

講了這么多次網(wǎng)絡(luò)命名空間，那它到底是如何運(yùn)作的呢？

網(wǎng)絡(luò)命名空間如何工作

在 Kubernetes 的發(fā)行版 k3s 創(chuàng)建一個(gè) pod，這個(gè) pod 有兩個(gè)容器：發(fā)送請求的 curl? 容器和提供 web 服務(wù)的 httpbin 容器。

雖然使用發(fā)行版，但是其仍然使用 Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)模型，并不妨礙我們了解網(wǎng)絡(luò)模型。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: multi-container-pod
spec:
  containers:
  - image: curlimages/curl
    name: curl
    command: ["sleep", "365d"]
  - image: kennethreitz/httpbin
    name: httpbin

登錄到節(jié)點(diǎn)上，通過 lsns -t net? 當(dāng)前主機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)命名空間，但是并沒有找到 httpbin? 的進(jìn)程。有個(gè)命名空間的命令是 /pause?，這個(gè) pause 進(jìn)程實(shí)際上是每個(gè) pod 中 不可見 的 sandbox

lsns -t net
        NS TYPE NPROCS    PID USER     NETNSID NSFS                                                COMMAND
4026531992 net     126      1 root  unassigned                                                     /lib/systemd/systemd --system --deserialize 31
4026532247 net       1  83224 uuidd unassigned                                                     /usr/sbin/uuidd --socket-activation
4026532317 net       4 129820 65535          0 /run/netns/cni-607c5530-b6d8-ba57-420e-a467d7b10c56 /pause

既然每個(gè)容器都有獨(dú)立的進(jìn)程空間，我們換下命令查看進(jìn)程類型的空間：

lsns -t pid
        NS TYPE NPROCS    PID USER            COMMAND
4026531836 pid     127      1 root            /lib/systemd/systemd --system --deserialize 31
4026532387 pid       1 129820 65535           /pause
4026532389 pid       1 129855 systemd-network sleep 365d
4026532391 pid       2 129889 root            /usr/bin/python3 /usr/local/bin/gunicorn -b 0.0.0.0:80 httpbin:app -k gevent

通過進(jìn)程 PID 129889 可以找到其所屬的命名空間：

ip netns identify 129889
cni-607c5530-b6d8-ba57-420e-a467d7b10c56

然后可以在該命名空間下使用 exec 執(zhí)行命令：

ip netns exec cni-607c5530-b6d8-ba57-420e-a467d7b10c56 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 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
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0@if17: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether f2:c8:17:b6:5f:e5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 10.42.1.14/24 brd 10.42.1.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f0c8:17ff:feb6:5fe5/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

從結(jié)果來看 pod 的 IP 地址 10.42.1.14? 綁定在接口 eth0? 上，而 eth0? 被連接到 17 號接口上。

在節(jié)點(diǎn)主機(jī)上，查看 17? 號接口信息。veth7912056b? 是主機(jī)根命名空間下的虛擬以太接口（vitual ethernet device），是連接 pod 網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的 隧道，對端是 pod 命名空間下的接口 eth0。

ip link | grep -A1 ^17
17: veth7912056b@if2: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master cni0 state UP mode DEFAULT group default
    link/ether d6:5e:54:7f:df:af brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns cni-607c5530-b6d8-ba57-420e-a467d7b10c56

上面的結(jié)果看到，該 veth? 連到了個(gè)網(wǎng)橋（network bridge）cni0 上。

網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層（OSI 模型的第 2 層），連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)（可多個(gè)網(wǎng)段）。當(dāng)請求到達(dá)網(wǎng)橋，網(wǎng)橋會詢問所有連接的接口（這里 pod 通過 veth 以網(wǎng)橋連接）是否擁有原始請求中的 IP 地址。如果有接口響應(yīng)，網(wǎng)橋會將匹配信息（IP -> veth）記錄，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過去。

那如果沒有接口響應(yīng)怎么辦？具體流程就要看各個(gè)網(wǎng)絡(luò)插件的實(shí)現(xiàn)了。我準(zhǔn)備在后面的文章中介紹常用的網(wǎng)絡(luò)插件，比如 Calico、Flannel、Cilium 等。

接下來看下 Kubernetes 中的網(wǎng)絡(luò)通信如何完成，一共有幾種類型：

  • 同 pod 內(nèi)容器間通信
  • 同節(jié)點(diǎn)上的 pod 間通信
  • 不同節(jié)點(diǎn)上的 pod 間通信

Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)如何工作

同 pod 內(nèi)的容器間通信

同 pod 內(nèi)的容器間通信最簡單，這些容器共享網(wǎng)絡(luò)命名空間，每個(gè)命名空間下都有 lo? 回環(huán)接口，可以通過 localhost 來完成通信。

圖片

同節(jié)點(diǎn)上的 pod 間通信

當(dāng)我們將 curl? 容器和 httpbin? 分別在兩個(gè) pod 中運(yùn)行，這兩個(gè) pod 有可能調(diào)度到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。curl?發(fā)出的請求根據(jù)容器內(nèi)的路由表到達(dá)了 pod 內(nèi)的 eth0? 接口。然后通過與 eth0? 相連的隧道 veth1 到達(dá)節(jié)點(diǎn)的根網(wǎng)絡(luò)空間。

veth1? 通過網(wǎng)橋 cni0? 與其他 pod 相連虛擬以太接口 vethX? 相連，網(wǎng)橋會詢問所有相連的接口是否擁有原始請求中的 IP 地址（比如這里的 10.42.1.9?）。收到響應(yīng)后，網(wǎng)橋會記錄映射信息（10.42.1.9? => veth0?），同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過去。最終數(shù)據(jù)經(jīng)過 veth0? 隧道進(jìn)入 pod httpbin 中。

圖片

不同節(jié)點(diǎn)的 pod 間通信

跨節(jié)點(diǎn)的 pod 間通信會復(fù)雜一些，且 不同網(wǎng)絡(luò)插件的處理方式不同，這里選擇一種容易理解的方式來簡單說明下。

前半部分的流程與同節(jié)點(diǎn) pod 間通信類似，當(dāng)請求到達(dá)網(wǎng)橋，網(wǎng)橋詢問哪個(gè) pod 擁有該 IP 但是沒有得到回應(yīng)。流程進(jìn)入主機(jī)的路由尋址過程，到更高的集群層面。

在集群層面有一張路由表，里面存儲著每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 Pod IP 網(wǎng)段（節(jié)點(diǎn)加入到集群時(shí)會分配一個(gè) Pod 網(wǎng)段（Pod CIDR），比如在 k3s 中默認(rèn)的 Pod CIDR 是 10.42.0.0/16?，節(jié)點(diǎn)獲取到的網(wǎng)段是 10.42.0.0/24、10.42.1.0/24、10.42.2.0/24，依次類推）。通過節(jié)點(diǎn)的 Pod IP 網(wǎng)段可以判斷出請求 IP 的節(jié)點(diǎn)，然后請求被發(fā)送到該節(jié)點(diǎn)。

圖片

總結(jié)

現(xiàn)在應(yīng)該對 Kubernetes 的網(wǎng)絡(luò)通信有初步的了解了吧。

整個(gè)通信的過程需要各種組件的配合，比如 Pod 網(wǎng)絡(luò)命名空間、pod 以太網(wǎng)接口 eth0?、虛擬以太網(wǎng)接口 vethX?、網(wǎng)橋（network bridge） cni0 等。其中有些組件與 pod 一一對應(yīng)，與 pod 同生命周期。雖然可以通過手動的方式創(chuàng)建、關(guān)聯(lián)和刪除，但對于 pod 這種非永久性的資源會被頻繁地創(chuàng)建和銷毀，太多人工的工作也是不現(xiàn)實(shí)的。

實(shí)際上這些工作都是由容器委托給網(wǎng)絡(luò)插件來完成的，而網(wǎng)絡(luò)插件所遵循的規(guī)范 CNI（Container Network Interface）。

網(wǎng)絡(luò)插件都做了什么？

  • 創(chuàng)建 pod（容器）的網(wǎng)絡(luò)命名空間
  • 創(chuàng)建接口
  • 創(chuàng)建 veth 對
  • 設(shè)置命名空間網(wǎng)絡(luò)
  • 設(shè)置靜態(tài)路由
  • 配置以太網(wǎng)橋接器
  • 分配 IP 地址
  • 創(chuàng)建 NAT 規(guī)則

...

  • 參考

https://www.tigera.io/learn/guides/kubernetes-networking/

https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/

https://matthewpalmer.net/kubernetes-app-developer/articles/kubernetes-networking-guide-beginners.html

https://learnk8s.io/kubernetes-network-packets

責(zé)任編輯：武曉燕 來源： 云原生指北
Kubernetes網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)通信
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