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Kubernetes 網絡模型綜合指南

作者:雲雲衆生s

這篇詳細的博文探讨了 Kubernetes 網絡的複雜性,提供了關于如何在容器化環境中確定高效和安全通信的見解。

譯自 Navigating the Network: A Comprehensive Guide to Kubernetes Networking Models 。

介紹

在 Kubernetes 的世界中,網絡是一個基本方面,它編排着叢集内外各種元件之間的通信。了解 Kubernetes 網絡模型對于任何使用這個編排工具的人來說都是至關重要的。

這篇詳細的博文探讨了 Kubernetes 網絡的複雜性,提供了關于如何在容器化環境中確定高效和安全通信的見解。

Kubernetes 網絡被設計來滿足四個關鍵要求,每個要求在 Kubernetes 叢集的功能和操作中都扮演着至關重要的角色。

容器與容器之間的通信:這是 Kubernetes 網絡的基本層。它實作了同一個 Pod 内容器之間的直接通信。這些容器共享相同的網絡命名空間,意味着它們可以使用 localhost 互相通信。對于涉及多容器 Pod 的應用程式而言,這種設定對于需要密切高效地互動的容器至關重要。

Pod-to-Pod 通訊: 在 Kubernetes 中,每個 Pod 都被配置設定了一個唯一的 IP 位址。這種設計選擇簡化了啟用 Pod 之間通信的過程,無論它們位于哪個節點上。Pod 之間可以直接通信,無需進行網絡位址轉換(NAT),確定了直接且簡單的連接配接。這種模型是建立分布式系統的基礎,其中每個 Pod 都可以作為獨立的微服務運作。

Pod-to-Service 通訊: Kubernetes 服務是一個關鍵的抽象,為 Pod 通路其他 Pod 提供了一種一緻可靠的方式。服務本質上是一組變化的 Pod 的穩定位址。它確定任何發送到服務的請求都會自動智能地路由到正确的 Pod,即使 Pod 被建立、銷毀或更新。這種抽象層對于維護一個具有彈性和可擴充性的系統至關重要。

External-to-Internal 通訊: Kubernetes 網絡的這一方面涉及管理來自叢集外部到叢集内部服務的入站流量。通過 Ingress 控制器和負載均衡器等機制來處理。這些工具允許外部使用者和應用程式安全高效地通路運作在叢集内部的服務。它們在将應用程式暴露給最終使用者和其他外部系統方面發揮着至關重要的作用。

服務和負載均衡

Kubernetes 中的服務對于為一組可能随時間動态變化的 Pod 提供穩定的位址至關重要。它們在管理通路運作在 Pod 上的應用程式方面起着至關重要的作用。讓我們深入了解不同類型的服務及其在負載均衡中的作用:

ClusterIP:這是 Kubernetes 的預設服務。ClusterIP 服務配置設定一個唯一的内部 IP 位址,用于與服務進行通信。這些服務隻能在叢集内部通路,對于叢集中的 Pod 之間的内部通信非常有用。這在不需要外部通路服務的場景中非常理想。

NodePort:NodePort 服務擴充了 ClusterIP 的功能。除了内部 IP 外,NodePort 服務還在所有叢集節點上提供了一個特定的端口。外部流量可以通路這些暴露的端口上的服務,然後将流量路由到相應的内部 IP。當您需要外部流量跨所有節點通路特定端口時,這尤其有用。

LoadBalancer:在 NodePort 的基礎上,LoadBalancer 服務與雲服務提供商的負載均衡器內建。這種類型會自動建立一個外部負載均衡器,将外部流量引導到整個叢集節點上的 NodePort,然後再路由到正确的 Pod 上。它簡化了将服務暴露到網際網路的過程,特别适用于分發傳入的網絡流量,進而提高了應用程式的可擴充性和可靠性。

ExternalName: 與其他類型不同,ExternalName 服務不會将流量路由到 Pod。相反,它們充當别名,通過傳回一個 CNAME 記錄到一個外部服務。當您想要使用 DNS 将 Kubernetes 叢集中的服務與外部服務內建時,這是非常有用的。

網絡安全的網絡政策

Kubernetes 中的網絡政策提供了一個重要的安全層,規定了 Pod 之間以及與其他網絡端點之間的通信方式。它們充當了 Pod 的防火牆,允許使用者根據标簽選擇器和 CIDR 塊指定入站和出站規則。

例如,考慮這樣一個情景:您有一個前端和一個後端服務。後端服務不應該從叢集外部通路,但應該允許來自前端服務的流量。您可以使用類似以下内容的網絡政策來實作:

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: backend-network-policy
  namespace: default
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: backend
  policyTypes:
  - Ingress
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          app: kubeops-frontend
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 80           

這個政策確定隻有帶有标簽 app: kubeops-frontend 的 Pod 可以通路 TCP 端口 80 上的後端 Pod。這種細粒度的控制有助于在 Kubernetes 中維護一個安全且受控的網絡環境。

考慮預設行為也是至關重要的。預設情況下,Kubernetes 叢集中的所有 Pod 都可以彼此通信。應用網絡政策可以改變這種預設行為。例如,應用允許特定流量的政策意味着所有不符合該政策的其他流量都将被拒絕。

Ingress 和 Egress 控制器

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Kubernetes 中的入口和出口控制器管理叢集内部服務的外部通路,通常是 HTTP。入口控制器促進将外部流量路由到正确的内部資源,而出口控制器則管理叢集的出站流量。

入口控制器負責讀取入口資源資訊并适當地處理它。例如,當使用者請求 URL 時,入口控制器根據入口資源中定義的路由規則将請求路由到适當的服務。這對于管理對微服務的通路和實作 SSL/TLS 終止特别有用。

另一方面,出口控制器處理出站流量。它們確定來自叢集内部到外部世界的請求被正确管理和路由。出口控制器可以強制執行限制 Pod 可以建立連接配接的目的地的政策,增強了叢集的整體安全性。

實作這些控制器需要對網絡架構和應用程式的流量模式有清晰的了解。例如,一個配置良好的入口控制器可以高效地處理流量突增,根據 URL 路徑進行路由,并提供基于名稱的虛拟主機。

核心網絡解決方案:重要性與作用

Calico 用于網絡政策執行:以其強大的網絡政策執行而聞名,Calico 在維護應用程式安全方面發揮着關鍵作用。它對 Pod 通信提供了精細的控制,僅允許授權的流量,進而執行安全政策并分段網絡流量以防止未經授權的通路。其重要性在于增強了應用程式内部網絡互動的整體安全性和完整性。

Flannel 用于簡單的覆寫網絡:Flannel 以其在設定覆寫網絡方面的簡單性和效率而至關重要,連接配接跨節點的 Pod。它的作用是通過自動管理子網配置設定來簡化 Kubernetes 部署中的網絡配置。這減少了與網絡管理相關的複雜性和營運開銷,使其成為直接但有效的網絡連接配接的有價值工具。

Cilium 用于 API 感覺網絡:Cilium 對于将 API 感覺的網絡安全過濾引入 Kubernetes 至關重要。利用 BPF,在核心級别過濾網絡流量,了解 Kubernetes 标簽和中繼資料。它的作用在于增強安全性,并為網絡流量提供改進的可見性,特别是對于微服務,進而促進更安全、更透明的網絡環境。

Canal 作為 Flannel 和 Calico 的組合:Canal 合并了 Flannel 和 Calico 的優點,為 Kubernetes 提供了全面的網絡解決方案。它的作用是提供易用性(來自 Flannel)和強大的安全功能(來自 Calico)。這種組合使得 Canal 成為一個多功能的選擇,滿足了對高效網絡覆寫和靈活網絡政策的需求。

Kube-router 作為輕量級解決方案:Kube-router 是标準網絡解決方案的簡化、更高效的替代方案。它的作用是通過單個守護程式處理路由、網絡政策和服務代理功能。這使其成為較小或資源受限環境的理想選擇,提供了輕量級但有效的網絡解決方案。

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Kubernetes 網絡的最佳實踐

  1. 利用網絡政策控制流量流向:網絡政策對于保護 Kubernetes 環境至關重要。它們充當 Pod 的防火牆,允許您定義哪些 Pod 可以彼此通信。例如,您可以限制資料庫 Pod,使其隻能被特定應用程式 Pod 通路,增強資料的安全性和完整性。
  2. 實作服務網格以處理複雜通信:在微服務架構中,像 Istio 或 Linkerd 這樣的服務網格提供了額外的通信控制、可觀察性和可靠性層。例如,您可以通過服務網格管理負載均衡、服務間身份驗證,并監控服務間通信,進而更容易調試和優化您的應用程式。
  3. 優化負載均衡政策:負載均衡對于平均配置設定流量到各個 Pod 至關重要。您可以使用輪詢政策,其中請求按順序配置設定,或者更進階的方法,如 IP 哈希,確定使用者的會話始終由相同的 Pod 服務。這確定了資源的有效利用和使用者體驗的改進。
  4. 啟用 DNS 進行服務發現:Kubernetes DNS 服務在服務發現中起着關鍵作用。它允許 Pod 通過名稱定位其他 Pod 和服務,而不是依賴于可能變化的 IP 位址。例如,一個應用程式可以通過其 DNS 名稱輕松定位到資料庫服務,簡化配置和服務間通信。
  5. 利用 Ingress 控制器進行外部通路:當将您的服務暴露給外部世界時,Ingress 控制器是比 NodePort 或 LoadBalancer 服務更進階和靈活的選項。它們提供 HTTP/HTTPS 路由、SSL 終止和基于名稱的虛拟主機。這意味着您可以通過精細的控制高效管理對服務的外部通路。
  6. 監控和記錄網絡活動:持續監控和記錄網絡流量對于診斷問題和確定安全至關重要。像 Prometheus 監控和 Fluentd 記錄這樣的工具提供了對您的網絡性能和安全性的洞察。它們幫助您發現異常、了解流量模式,并就擴充和優化做出明智決策。
  7. 采用 IPv6 網絡以實作可擴充性:随着 Kubernetes 叢集規模的增長,IPv6 網絡變得越來越重要。它提供了更大的位址空間,消除了複雜的 NAT 設定的需要。過渡到 IPv6 可以未雨綢缪,確定您有足夠的 IP 位址用于所有的 Pod 和服務。

結論

Kubernetes 網絡是支援容器化應用動态和分布式特性的關鍵因素。通過了解其模型,并有效地實施網絡政策和服務,您可以確定為 Kubernetes 叢集建立一個穩健、安全和高效的環境。

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