[Kubernetes] Kubernetes网络原理

Posted by 胡伟煌 on 2017-08-13

1. kubernetes网络模型

1.1. 基础原则

  1. 每个Pod都拥有一个独立的IP地址,而且假定所有Pod都在一个可以直接连通的、扁平的网络空间中,不管是否运行在同一Node上都可以通过Pod的IP来访问。
  2. k8s中Pod的IP是最小粒度IP。同一个Pod内所有的容器共享一个网络堆栈,该模型称为IP-per-Pod模型。
  3. Pod由docker0实际分配的IP,Pod内部看到的IP地址和端口与外部保持一致。同一个Pod内的不同容器共享网络,可以通过localhost来访问对方的端口,类似同一个VM内的不同进程。
  4. IP-per-Pod模型从端口分配、域名解析、服务发现、负载均衡、应用配置等角度看,Pod可以看作是一台独立的VM或物理机。

1.2. k8s对集群的网络要求

  1. 所有容器都可以不用NAT的方式同别的容器通信。
  2. 所有节点都可以在不同NAT的方式下同所有容器通信,反之亦然。
  3. 容器的地址和别人看到的地址是同一个地址。

以上的集群网络要求可以通过第三方开源方案实现,例如flannel。

1.3. 网络架构图

这里写图片描述

1.4. k8s集群IP概念汇总

由集群外部到集群内部:

IP类型 说明
Proxy-IP 代理层公网地址IP,外部访问应用的网关服务器。[实际需要关注的IP]
Service-IP Service的固定虚拟IP,Service-IP是内部,外部无法寻址到。
Node-IP 容器宿主机的主机IP。
Container-Bridge-IP 容器网桥(docker0)IP,容器的网络都需要通过容器网桥转发。
Pod-IP Pod的IP,等效于Pod中网络容器的Container-IP。
Container-IP 容器的IP,容器的网络是个隔离的网络空间。

2. Docker的网络基础

2.1. Network Namespace

不同的网络命名空间中,协议栈是独立的,完全隔离,彼此之间无法通信。同一个网络命名空间有独立的路由表和独立的Iptables/Netfilter来提供包的转发、NAT、IP包过滤等功能。

2.1.1. 网络命名空间的实现

将与网络协议栈相关的全局变量变成一个Net Namespace变量的成员,然后在调用协议栈函数中加入一个Namepace参数。

2.1.2. 网络命名空间的操作

1、创建网络命名空间

ip netns add

2、在命名空间内执行命令

ip netns exec

3、进入命名空间

ip netns exec bash

3. Docker的网络实现

3.1. 容器网络

Docker使用Linux桥接,在宿主机虚拟一个Docker容器网桥(docker0),Docker启动一个容器时会根据Docker网桥的网段分配给容器一个IP地址,称为Container-IP,同时Docker网桥是每个容器的默认网关。因为在同一宿主机内的容器都接入同一个网桥,这样容器之间就能够通过容器的Container-IP直接通信。

Docker网桥是宿主机虚拟出来的,并不是真实存在的网络设备,外部网络是无法寻址到的,这也意味着外部网络无法通过直接Container-IP访问到容器。如果容器希望外部访问能够访问到,可以通过映射容器端口到宿主主机(端口映射),即docker run创建容器时候通过 -p 或 -P 参数来启用,访问容器的时候就通过[宿主机IP]:[容器端口]访问容器。

这里写图片描述

3.2. 4类网络模式

Docker网络模式 配置 说明
host模式 –net=host 容器和宿主机共享Network namespace。
container模式 –net=container:NAME_or_ID 容器和另外一个容器共享Network namespace。 kubernetes中的pod就是多个容器共享一个Network namespace。
none模式 –net=none 容器有独立的Network namespace,但并没有对其进行任何网络设置,如分配veth pair 和网桥连接,配置IP等。
bridge模式 –net=bridge(默认为该模式)

3.3. bridge模式

k8s只使用bridge模式。

在bridge模式下,Docker Daemon首次启动时会创建一个虚拟网桥docker0,地址通常为172.x.x.x开头,在私有的网络空间中给这个网络分配一个子网。由Docker创建处理的每个容器,都会创建一个虚拟以太设备(Veth设备对),一端关联到网桥,另一端使用Namespace技术映射到容器内的eth0设备,然后从网桥的地址段内给eth0接口分配一个IP地址。

这里写图片描述

一般情况,宿主机IP与docker0 IP、容器IP是不同的IP段,默认情况,外部看不到docker0和容器IP,对于外部来说相当于docker0和容器的IP为内网IP。

4. kubernetes的网络实现

k8s网络场景

  1. 容器与容器之间的直接通信。
  2. Pod与Pod之间的通信。
  3. Pod到Service之间的通信。
  4. 集群外部与内部组件之间的通信。

4.1. Pod网络

Pod作为kubernetes的最小调度单元,Pod是容器的集合,是一个逻辑概念,Pod包含的容器都运行在同一个宿主机上,这些容器将拥有同样的网络空间,容器之间能够互相通信,它们能够在本地访问其它容器的端口。 实际上Pod都包含一个网络容器,它不做任何事情,只是用来接管Pod的网络,业务容器通过加入网络容器的网络从而实现网络共享。Pod网络本质上还是容器网络,所以Pod-IP就是网络容器的Container-IP。

一般将容器云平台的网络模型打造成一个扁平化网络平面,在这个网络平面内,Pod作为一个网络单元同Kubernetes Node的网络处于同一层级

4.2. 容器之间的通信

同一个Pod之间的不同容器因为共享同一个网络命名空间,所以可以直接通过localhost直接通信。

4.3. Pod之间的通信

4.3.1. 同Node的Pod之间的通信

同一个Node内,不同的Pod都有一个全局IP,可以直接通过Pod的IP进行通信。Pod地址和docker0在同一个网段。

4.3.2. 不同Node的Pod之间的通信

不同的Node之间,Node的IP相当于外网IP,可以直接访问,而Node内的docker0和Pod的IP则是内网IP,无法直接跨Node访问。需要通过Node的网卡进行转发。

所以不同Node之间的通信需要达到两个条件:

  1. 对整个集群中的Pod-IP分配进行规划,不能有冲突(可以通过第三方开源工具来管理,例如flannel)。
  2. 将Node-IP与该Node上的Pod-IP关联起来,通过Node-IP再转发到Pod-IP。

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1. Pod间实现通信

例如:Pod1和Pod2(同主机),Pod1和Pod3(跨主机)能够通信

实现:因为Pod的Pod-IP是Docker网桥分配的,Pod-IP是同Node下全局唯一的。所以将不同Kubernetes Node的 Docker网桥配置成不同的IP网段即可。

2. Node与Pod间实现通信

例如:Node1和Pod1/ Pod2(同主机),Pod3(跨主机)能够通信

实现:在容器集群中创建一个覆盖网络(Overlay Network),联通各个节点,目前可以通过第三方网络插件来创建覆盖网络,比如Flannel和Open vSwitch等。

4.4. Service网络

Service的就是在Pod之间起到服务代理的作用,对外表现为一个单一访问接口,将请求转发给Pod,Service的网络转发是Kubernetes实现服务编排的关键一环。Service都会生成一个虚拟IP,称为Service-IP, Kuberenetes Porxy组件负责实现Service-IP路由和转发,在容器覆盖网络之上又实现了虚拟转发网络。

Kubernetes Porxy实现了以下功能:

  1. 转发访问Service的Service-IP的请求到Endpoints(即Pod-IP)。
  2. 监控Service和Endpoints的变化,实时刷新转发规则。
  3. 负载均衡能力。

5. 开源的网络组件

5.1. Flannel

具体参考Flannel介绍

参考《Kubernetes权威指南》

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