Kubernetes网络实现
在《Linux虚拟网络技术》这篇文章中我们已经详细介绍了Linux虚拟网络技术，在《Docker网络实现》这篇文章介绍了Docker网络的实现原理，而Kubernetes的网络实现是基于Linux虚拟网络技术和Docker网络技术的。要想真正了解Kubernetes网络实现的原理，可以先阅读这两篇文章。
Kubernetes 网络模型设计的一个基础原则是：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。所以不管它们是否允许在同一个 Node（宿主机）中，都要求它可以直接通过对方的 IP 进行访问。
设计这个原则的原因是，用户不需要额外考虑如何建立 Pod 之间的连接，也不需要考虑将容器端口映射到主机端口等问题。
Kubernetes的网络通信主要分为以下几种情况：
- Pod内容器之间的通信
- Pod到Pod之间的通信
- Pod到Service之间的通信
- 集群外部与内部组件之间的通信
下面我们就挨个儿来看看Kubernetes是怎么实现各种情况下的网络通信的吧。
Pod内容器之间的通信
在 Kubernetes 的世界里，IP 是以 Pod 为单位进行分配的。一个 Pod 内部的所有容器共享一个网络堆栈（实际上就是一个网络命名空间，包括它们的 IP 地址、网络设备、配置等都是共享的）。
所以，在同一个Pod内的容器（Pod内的容器是不会跨宿主机的）之间对于网络的各类操作，就和它们在同一台机器上一样，它们甚至可以用localhost地址访问彼此的端口。
因此，Pod内网络拓扑模型如下图所示：
Pod内网络拓扑模型
Pod之间的通信
每个Pod都有一个真实的全局IP地址，同一个Node内的不同Pod之间可以直接采用对方Pod的IP地址通信，而且不需要使用其他发现机制，例如DNS、Consul或者etcd。
两个Pod既有可能运行在同一个Node上，也有可能运行在不同的Node上。所以，我们可以把Pod间通信分为两类：
同一个Node内的Pod之间的通信
同一个Node内的Pod之间的通信方式如下图所示：
同一个Node内的Pod之间的通信
可以看到，Pod1和Pod2都是通信veth pair连接到同一个docker0网桥上，它们的IP地址IP1、IP2都是从docker0网段上动态获取的，它们和网桥本身的IP3是同一个网段的。
由于Pod1和Pod2处于同一局域网内，它们之间可以通过docker0作为路由量进行通信。
不同Node上的Pod之间的通信
我们知道，在Kubernetes的网络世界中，Pod之间假设是通过访问对方的Pod IP进行通信的，而不同Node之间的通信只能通过Node的物理网卡进行，Pod的IP地址是由各Node上的docker0网桥动态分配的。我们想要实现跨Node的Pod之间的通信，至少需要满足下面三个条件：
- 我们需要知道Pod IP 和Node IP之间的映射关系，通过Node IP转发到Pod IP；
- 在整个Kubernetes集群中对Pod的IP分配不能出现冲突；
- 从Pod中发出的数据包不应该进行NAT地址转换。
根据条件1的要求，Kubernetes会记录所有正在运行的Pod的IP分配信息，并将这些信息保存到etcd中（作为Service的Endpoint），这样我们就可以知道Pod IP和Node IP之间的映射关系。
根据条件2的要求，以Flannel为例，Flannel实现的容器的跨主机通信通过如下过程实现：
- 每个主机上安装并运行etcd和flannel；
- 在etcd中规划配置所有主机的docker0子网范围；
- 每个主机上的flanneld根据etcd中的配置，为本主机的docker0分配子网，保证所有主机上的docker0网段不重复，并将结果（即本主机上的docker0子网信息和本主机IP的对应关系）存入etcd库中，这样etcd库中就保存了所有主机上的docker子网信息和本主机IP的对应关系；
- 当需要与其他主机上的容器进行通信时，查找etcd数据库，找到目的容器的子网所对应的outip（目的宿主机的IP）；
- 将原始数据包封装在VXLAN或UDP数据包中，IP层以outip为目的IP进行封装；
- 由于目的IP是宿主机IP，因此路由是可达的；
- VXLAN或UDP数据包到达目的宿主机解封装，解出原始数据包，最终到达目的容器。
所以，Kubernetes不同Node上的Pod之间通信的网络拓扑如下图所示：
flannel实现跨主机通信
