Kubernetes网络简明教程[Part 1]

所有我学到的关于kubernetes网络的事情

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你可能已经在kubernetes集群当中跑了一堆服务并且正在享受其带来的好处. 或者至少, 你已经计划这么干了. 虽然已经有一大堆工具可以用来安装或者管理集群, 你任然想知道这一切到底是怎么回事. 另外, 当出现故障时到哪里去寻找解决方案? 我知道, 因为我遇到过.

当然, Kubernetes刚开始使用时非常简单. 但还是让我直面它吧--它就是一只引擎盖下面的怪兽. 这里有很多可剥离的组件, 如果你想在失败面前处乱不惊, 知道如何将它们完美地组在一起工作则是一项必备技能. 其中最复杂, 也是最有挑战的一部分就是网络了.

所以我开始着手去理解网络在kubernetes当中究竟是如何工作的. 我读文档, 看演讲, 甚至翻阅了源代码, 如下是我的一些发现.

Kubernetes网络模型

在kubernetes的核心当中, Kubernetes网络有一个重要的基础设计哲学.

每一个Pod都有一个独一无二的IP.

这个Pod IP被这个Pod当中的所有容器所共享, 并且它可以从其他所有的Pod当中路由过来. 你注意到了一些“pause”字样的容器运行在你的Kubernetes节点当中吗? 它们被称为“沙盒容器”, 它们的唯一作用就是保留和占据一个被Pod当中所有容器所共享的网络命名空间(netns). 就这样, 一个Pod IP并不会随着Pod当中的一个容器的起停而改变. 这种一个Pod一个IP的模型的一个巨大的好处就是跟宿主机永远也不会有IP或者端口冲突, 我们甚至都不用管应用用的是什么端口.

有了上面的基础, Kubernetes目前唯一的需求就是这些Pod IP是可路由或者说可以被所有其他Pod访问的, 不管这些Pod运行在什么节点上.

节点内网络通信

第一步先要确保同一个节点上的Pod可以相互通信, 然后再把这个想法扩展到跨节点通信以及互联网通信等.

在每一个Kubernetes节点上, 在这里假设是一台Linux机器, 会有一个root网络命名空间(root表示基命名空间, 区别于系统当中的超级用户root) -- root netns.

主要的网络接口eth0在root netns当中.

同样的, 每一个Pod也都有它自己的netns, 有一个虚拟的以太网络接口对连接到root netns当中. 这只是一个基础的管道对, 一端连接到root netns当中, 另一端连接到Pod netns当中.

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Kubernetes节点 (root命名空间)

我们把Pod这端的接口命名为eth0, 所以Pod并不知道底下的宿主机并认为自己已经设置了root netns, 另一端连接root netns的接口的命名为vnetxxx的样式.

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Kubernetes节点 (Pod网络命名空间)

你可以通过ifconfig命令或者ip a命令在你的节点上看到所有的接口.

这一切对于节点上的所有Pod都一样. 对于想要想要互相通信Pod, 还需要用到Linux以太网网桥cbr0, Docker用了一个相似的网桥命名为docker0. 你可以通过brctl show看到所有的网桥.

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Kubernetes Node (Linux network bridge)

假设一个网络包要从Pod 1到Pod 2.

1. 网络包从eth0离开Pod 1的netns并通过vnetxxx进入到root netns.
2. 网络包被传到网桥cbr0, 网桥通过发送“who has this IP?”的ARP请求来发现网络包需要转发到的目的地.
3. vethyyy回答到它有这个IP, 所以网桥知道应该把网络包转发到哪里.
4. 网络包到达vethyyy接口, 并通过管道对进入到Pod 2的netns.

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

以上就是一个节点当中的容器是如何进行网络通信的内容. 很显然, 还有别的方式, 但这可能是最简单的方式, 并且Docker也是采用的这种方式.

节点间的网络通信

正如我前面提到的, Pod也需要在各个节点之间能够相互访问. Kubernetes并不管它是如何实现的. 我们能用L2(跨节点ARP), L3(跨节点进行IP路由 -- 像云服务提供商的路由表), overlay 网络, 甚至用信鸽. 只要能网络流量能到达另一个节点上指定的Pod, 这一切都没有关系. 每一个节点都会被分配一个独一无二的CIDR块(一个IP地址范围)用于Pod IP, 所以每一个Pod都有一个独一无二的不会和别的节点上的Pod相冲突的IP.

在大多数的情况下, 尤其是在云环境当中, 云计算提供厂商的路由表保证了网络包抵达正确的目的地. 同样的事情也能够通过在每个节点上设置正确的路由来完成. 这里还有一堆其他的网络插件用于完成这件事情.

下面我们有两个节点, 跟我们前面看到的一样, 每一个节点都含有不同的网络命名空间, 网络接口和一个网桥.

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

假设一个网络包从pod1到pod4(在一个不同的节点上)

1. 网络包从eth0离开Pod 1的netns, 并从vethxxx进入root netns.
2. 网络包被传到cbr0网桥, 通过ARP请求来寻找网络包目的地.
3. 网络包从cbr0传到主网络接口eth0, 因为在这个节点上没有人有Pod 4的IP地址.
4. 网络包开始离开node 1, 走上了一条出发端是Pod 1, 目的端是Pod 4的线上.
5. 路由表上已经设置好了各个节点上CIDR的路由, 并且将网络包路由到CIDR块含有Pod 4 IP的节点.
6. 所以网络包到达了node 2的主网络接口eth0, 虽然Pod 4不是eth0的IP, 网络包仍然被转发到cbr0, 因为节点被配置为可以进行IP转发, 节点的路由表会寻找任何匹配Pod 4 IP的路由. 然后找到cbr0作为这个节点CIDR块的目的地. 你可以通过route -n命令查看节点的路由表, 然后会发现一条关于cbr0的路由如下:

7. cbr0网桥获取到网络包, 发出一个ARP请求, 然后发现IP属于vethyyy.
8. 网络包通过管道对抵达Pod4.

这是一篇关于Kubernetes网络基础的文章, 所以假如下次Kubernetes网络出现问题了, 别忘了检查那些网桥和路由表. 😉

这就是这篇文章的全部了, 在下一篇文章, 我们来看看“overlay网络是如何工作的[Part 2]”, 当pod不断地创建和删除时网络发生了什么变化, 以及流入和流出的网络流量是如何流动的.

Reference

原文: https://medium.com/@ApsOps/an-illustrated-guide-to-kubernetes-networking-part-1-d1ede3322727

译者感悟

一直想翻译一些好的英文文档和文章, 奈何惰性太强, 一直还是停留在想法阶段. 下午好友问我要不要加入Kubernetes翻译组, 这不就是自己一直想做的事情嘛, 说干就干, 然后才知道报名筛选规则至少要提交一篇自己翻译过的文章, 然后下班后找来一篇之前学习Kubernetes网络时看过的一篇文章, 零零散散花了差不多三个小时翻译了这篇文章. 第一次翻译, 可能有翻译的不太准确或者恰当的地方, 欢迎拍砖指正. 且不管能不能加入到Kubernetes翻译组, 今天算是开了个好头了.