深入浅出学K8s - 详解K8s的网络模型

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通过之前的学习（「K8s从入门到精通全系列」见公众号【云世】），相信你对 Kubernetes 越来越熟悉了。理论上，Kubernetes 可以跑在任何环境中，比如公有云、私有云、物理机、虚拟机、树莓派，但是任何基础设施（Infrastructure）对网络的需求都是最基本的。网络同时也是 Kubernetes 中比较复杂的一部分。

我们今天就来聊聊 Kubernetes 中的网络，先来看看 Kubernetes 中定义的网络模型。

Kubernetes 网络模型

Kubernetes 的网络模型在设计的时候就遵循了一个基本原则，即每一个 Pod 都拥有一个自己的独立的 IP 地址，且这些 Pod 之间可以不通过任何 NAT 互相连通。

基于这样一个 IP-per-Pod 的方式，用户在使用的时候就不需要再额外考虑如何建立 Pod 之间的连接，也不用考虑如何将容器的端口映射到主机端口，毕竟动态地分配映射端口不仅会给整个系统增加很大的复杂度，还不方便服务间做服务发现。而且由于主机端口的资源也是有限的，端口映射还会给集群的可扩展性带来很大挑战。

每个 Pod 有了独立的 IP 地址以后，通信双方看到的 IP 地址就是对方实际的地址，即不经过 NAT。不管 Pod 是否在同一个宿主机上，都可以直接基于对方 Pod 的 IP 进行访问。

基于这样的一个网络模型，我们来看看 Kubernetes 中的如下 4 种场景是如何进行网络通信的：

Pod 内容器之间的网络通信；
Pod 之间的网络通信；
Pod 到 Service 之间的网络通信；
集群外部与内部组件之间的网络通信。

同一 Pod 内的网络通信

Kubernetes 会为每一个 Pod 创建独立的网络命名空间（netns），Pod 内的容器共享同一个网络命名空间。这也就是说，Pod 内的所有容器共享相同的网络设备、路由表设置、端口等等，就像在同一个主机上运行不同的程序一样，这些容器之间可以通过 localhost 直接访问彼此的端口。

Pod 之间的网络通信

Pod 间的相互网络通信，可以分为同主机通信和跨主机通信。

我们先来看看同主机上 Pod 间的通信。

同主机上 Pod 间的通信

在网络命名空间里，每个 Pod 都有各自独立的网络堆栈，通过一对虚拟以太网对（virtual ethernet pair）连接到根网络命名空间里（root netns）。这个 veth pair 一端在 Pod 的 netns 内，另一端在 root netns 里，对应上图中的 eth0 和 vethxxx。

从上图可以看到，Pod1 和 Pod2 都通过 veth pair 连接到同一个 cbr0 的网桥上，它们的 IP 地址都是从 cbr0 所在的网段上动态获取的，也就是说 Pod1、Pod2 和网桥本身的 IP 是同一个网段的。由于 Pod1 和 Pod2 处于同一局域网内，它们之间的通信就可以通过 cbr0 直接路由通信。

处于不同主机上的 Pod 之间是如何进行网络通信的

按照 Kubernetes 设定的网络基本原则，Pod 是需要跨节点可达的。而 Kubernetes 并不关心底层怎么处实现，我们可以借助 L2（ARP跨节点）、L3（IP路由跨节点，就像云提供商的路由表）、Overlay 网络、弹性网卡等方案，只要能够保证流量可以到达另一个节点的期望 Pod 就好。因此，如果要实现这种跨节点的 Pod 之间的网络通信，至少要满足下面 3 个条件：

在整个 Kubernetes 集群中，每个 Pod 的 IP 地址必须是唯一的，不能与其他节点上的 Pod IP 冲突；
从 Pod 中发出的数据包不应该进行 NAT ，这样通信双方看到的 IP 地址就是对方 Pod 实际的地址；
我们得知道 Pod IP 和所在节点 Node IP 之间的映射关系。

我们以下图来说明基于 L2 的跨节点 Pod 互相访问时的网络流量走向。

基于 L2 的跨节点 Pod 互相访问时的网络流量走向

假设一个数据包要从 Pod1 到达 Pod4，这两个 Pod 分属两个不同的节点：

数据包从 Pod1 中 netns 的 eth0 网口离开，通过 vethxxx 进入到 root netns；

数据包到达 cbr0 后，cbr0 发送 ARP 请求来找到目标地址；

由于 Pod1 所在的当前节点上并没有 Pod4，数据包会从 cbr0 流到宿主机的主网络接口 eth0；

数据包的源地址为 Pod1，目标地址设置为了 Pod4，随后离开 Node1；

路由表上记录着每个节点的 CIDR 的路由设定，这时候会把数据包路由到包含 Pod4 IP 地址的节点 Node2；

数据包到达 Node2 的 eth0 网口后，由于节点配置了 IP forward，节点上的路由表寻找到了能匹配 Pod4 IP 地址的 cbr0，数据包转发到 cbr0；

cbr0 网桥接收了该数据包，发送 ARP 请求查询 Pod4 的 IP 地址，发现 IP 属于 vethyyy；

这时候数据包跨过管道对到达 Pod4。

Pod到 Service 的网络

当我们创建一个 Service 时，Kubernetes 会为这个服务分配一个虚拟 IP。我们通过这个虚拟 IP 访问服务时，会由 iptables 负责转发。iptables 的规则由 Kube-Proxy 负责维护，当然也支持 ipvs 模式。

我们这里以 iptables 模式为例，如下图所示：

iptables 模式

Kube-Proxy 在每个节点上都运行，并会不断地查询和监听 Kube-APIServer 中 Service 与 Endpoints 的变化，来更新本地的 iptables 规则，实现其主要功能，包括为新创建的 Service 打开一个本地代理对象，接收请求针对发生变化的Service列表，kube-proxy 会逐个处理，处理流程如下：

1，对已经删除的 Service 进行清理，删除不需要的 iptables 规则；

2，如果一个新的 Service 没设置 ClusterIP，则直接跳过，不做任何处理；

3，获取该 Service 的所有端口定义列表，并逐个读取 Endpoints 里各个示例的 IP 地址，生成或更新对应的 iptables 规则。

外部和服务间通信

Pod 和 Service 都是 Kubernetes 中的概念，而从集群外是无法直接通过 Pod IP 或者 Service 的虚拟 IP 地址加端口号访问到的。这里我们就可以用 Ingress来解决这个问题。

Ingress 可以将集群内服务的 HTTP 和 HTTPS 暴露出来，以方便从集群外部访问。流量路由 Ingress 资源上定义的规则控制。

下图就是一个简单的将所有流量都发送到同一 Service 的 Ingress 示例：

将所有流量都发送到同一 Service 的 Ingress

上面我们介绍了 Kubernetes 中的网络模型以及常见的 4 种网络通信情形，那么这些网络底层到底是如何实现的呢？这就有了 CNI。

CNI（Container Network Interface）

网络方案没有银弹，没有任何一个“普适”的网络可以满足不同的基础架构，所以 Kubernetes 早在 v1.1 版本就开始采用了 CNI（Container Network Interface）这种插件化的方式来集成不同的网络方案。

CNI 其实就是定义了一套标准的、通用的接口。CNI 关心容器的网络连接，在创建容器时分配网络资源，删除容器时释放网络资源。这套框架非常开放，可以支持不同的网络模式，并且很容易实现。

正是因为有了 CNI，才使得 Kubernetes 在各个平台上都有很好的移植性。如果每出现一个新的网络解决方案，Kubernetes 都需要进行适配，那工作量必然非常巨大，维护成本也极高。所以我们只需要提供一套标准的接口，就完美地解决了上述问题。任何新的网络方案，都只需要实现 CNI 的接口。

容器网络的最终实现都依赖这些 CNI 插件，每个 CNI 插件本质上就是一个可以执行的二进制文件。总的来说，这些 CNI 插件的执行过程包括如下 3 个部分：

解析配置信息
执行具体的网络配置 ADD 或 DEL；
对于 ADD 操作还需输出结果。

如果你想自己动手写一个 CNI 插件，可以参考这个 GitHub 项目。

目前已经有很多的 CNI 插件可供选择，你可以直接从这份插件列表里选择适合的 CNI ，比如 Flannel、Calico、Cilium。

写在最后

基于 IP-per-Pod 的基本网络原则，Kubernetes 设计出了 Pod - Deployment - Service 这样经典的 3 层服务访问机制，极大地方便开发者在 Kubernetes 部署自己的服务。在生产实践中，大家可以根据自己的业务需要选择合适的 CNI 插件。

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