图解Kubernetes网络(一)

【编者的话】本文阐述了Kubernetes网络模型,并详细描述了Kubernetes Pods在节点内和节点间的通信方式,帮助读者在碰到Kubernetes网络问题时从容应对。

你一直在Kubernetes集群中运行一系列服务并已从中获益,或者你正打算这么做。尽管有一系列工具能帮助你建立并管理集群,你仍困惑于集群底层是如何工作的,以及出现问题该如何处理。我曾经就是这样的。

诚然Kubernetes对初学者来说已足够易用,但我们仍然不得不承认,它的底层实现异常复杂。Kubernetes由许多部件组成,如果你想对失败场景做好应对准备,那么你必须知道各部件是如何协调工作的。其中一个最复杂,甚至可以说是最关键的部件就是网络。

因此我着手精确理解Kubernetes网络是如何工作的。我阅读了许多文章,看了很多演讲,甚至浏览了代码库。以下就是我的所得。

Kubernetes网络模型

核心点是,Kubernetes网络有一个重要的基本设计原则:

每个Pod拥有唯一的IP

这个Pod IP被该Pod内的所有容器共享,并且其它所有Pod都可以路由到该Pod。你可曾注意到,你的Kubernetes节点上运行着一些"pause"容器?它们被称作“沙盒容器(sandbox containers)",其唯一任务是保留并持有一个网络命名空间(netns),该命名空间被Pod内所有容器共享。通过这种方式,即使一个容器死掉,新的容器创建出来代替这个容器,Pod IP也不会改变。这种IP-per-pod模型的巨大优势是,Pod和底层主机不会有IP或者端口冲突。我们不用担心应用使用了什么端口。

这点满足后,Kubernetes唯一的要求是,这些Pod IP可被其它所有Pod访问,不管那些Pod在哪个节点。

节点内通信

第一步是确保同一节点上的Pod可以相互通信,然后可以扩展到跨节点通信、internet上的通信,等等。

![](https://gitee.com/wangfeng-1/images/raw/master/Kubernetes Node(root network namespace).png)

Kubernetes Node(root network namespace)

在每个Kubernetes节点(本场景指的是Linux机器)上,都有一个根(root)命名空间(root是作为基准,而不是超级用户)--root netns。

最主要的网络接口 eth0 就是在这个root netns下。

Kubernetes Node(pod network namespace)

类似的,每个Pod都有其自身的netns,通过一个虚拟的以太网对连接到root netns。这基本上就是一个管道对,一端在root netns内,另一端在Pod的nens内。

我们把Pod端的网络接口叫 eth0,这样Pod就不需要知道底层主机,它认为它拥有自己的根网络设备。另一端命名成比如 vethxxx。你可以用ifconfig 或者 ip a 命令列出你的节点上的所有这些接口。

Kubernetes Node(linux network bridge)

节点上的所有Pod都会完成这个过程。这些Pod要相互通信,就要用到linux的以太网桥 cbr0 了。Docker使用了类似的网桥,称为docker0

你可以用 brctl show 命令列出所有网桥。

Kubernetes Node(same node pod-to-pod communication)

假设一个网络数据包要由pod1pod2

  1. 它由pod1中netns的eth0网口离开,通过vethxxx进入root netns。
  2. 然后被传到cbr0cbr0使用ARP请求,说“谁拥有这个IP”,从而发现目标地址。
  3. vethyyy说它有这个IP,因此网桥就知道了往哪里转发这个包。
  4. 数据包到达vethyyy,跨过管道对,到达pod2的netns。

这就是同一节点内容器间通信的流程。当然也可以用其它方式,但是无疑这是最简单的方式,同时也是Docker采用的方式。

节点间通信

正如我前面提到,Pod也需要跨节点可达。Kubernetes不关心如何实现。我们可以使用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,或者甚至信鸽。无所谓,只要流量能到达另一个节点的期望Pod就好。每个节点都为Pod IPs分配了唯一的CIDR块(一段IP地址范围),因此每个Pod都拥有唯一的IP,不会和其它节点上的Pod冲突。

大多数情况下,特别是在云环境上,云提供商的路由表就能确保数据包到达正确的目的地。我们在每个节点上建立正确的路由也能达到同样的目的。许多其它的网络插件通过自己的方式达到这个目的。

这里我们有两个节点,与之前看到的类似。每个节点有不同的网络命名空间、网络接口以及网桥。

Kubernetes Nodes with route table(cross node pod-to-pod communication)

假设一个数据包要从pod1到达pod4(在不同的节点上)。

  1. 它由pod1中netns的eth0网口离开,通过vethxxx进入root netns。

  2. 然后被传到cbr0cbr0通过发送ARP请求来找到目标地址。

  3. 本节点上没有Pod拥有pod4的IP地址,因此数据包由cbr0 传到 主网络接口 eth0.

  4. 数据包的源地址为pod1,目标地址为pod4,它以这种方式离开node1进入电缆。

  5. 路由表有每个节点的CIDR块的路由设定,它把数据包路由到CIDR块包含pod4的IP的节点。

  6. 因此数据包到达了node2的主网络接口eth0。现在即使pod4不是eth0的IP,数据包也仍然能转发到cbr0,因为节点配置了IP forwarding enabled。节点的路由表寻找任意能匹配pod4 IP的路由。它发现了 cbr0 是这个节点的CIDR块的目标地址。你可以用route -n命令列出该节点的路由表,它会显示cbr0的路由,类型如下:

  7. 网桥接收了数据包,发送ARP请求,发现目标IP属于vethyyy

  8. 数据包跨过管道对到达pod4

这就是Kubernetes网络的基础。下次你碰到问题,务必先检查这些网桥和路由表。

先说到这里。在下一部分,我们将看到Overlay网络是如何工作的,Pod创建和删除过程中网络变化是如何发生的,以及出站和进站流量是如何流动的。

总体而言我对网络概念仍然是个新手,因此我非常期待能得到大家的反馈,特别是某些不清晰或者错误的地方。

原文链接:An illustrated guide to Kubernetes Networking [Part 1](翻译:池剑锋)

翻译链接:(有些图看不到)

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