شبكات Kubernetes: نظرة معمقة على ملحقات CNI

لقد أحدث Kubernetes ثورة في تنسيق الحاويات، مما مكّن من نشر وإدارة التطبيقات على نطاق واسع. في قلب شبكات Kubernetes تكمن واجهة شبكة الحاويات (CNI)، وهي واجهة قياسية تسمح لـ Kubernetes بالعمل مع مجموعة متنوعة من حلول الشبكات. إن فهم ملحقات CNI أمر بالغ الأهمية لبناء بيئات Kubernetes قوية وقابلة للتطوير. سيستكشف هذا الدليل الشامل ملحقات CNI بالتفصيل، ويغطي دورها، والخيارات الشائعة، والتكوين، وأفضل الممارسات.

ما هي واجهة شبكة الحاويات (CNI)؟

واجهة شبكة الحاويات (CNI) هي مواصفة طورتها مؤسسة الحوسبة السحابية الأصلية (CNCF) لتكوين واجهات الشبكة لحاويات لينكس. إنها توفر واجهة برمجة تطبيقات (API) قياسية تسمح لـ Kubernetes بالتفاعل مع مزودي الشبكات المختلفين. هذا التوحيد يجعل Kubernetes مرنًا للغاية ويسمح للمستخدمين باختيار حل الشبكات الذي يناسب احتياجاتهم على أفضل وجه.

ملحقات CNI مسؤولة عن المهام التالية:

• تخصيص موارد الشبكة: تعيين عناوين IP ومعلمات الشبكة الأخرى للـ pods.
• تكوين شبكة الحاوية: إعداد واجهات الشبكة داخل الحاوية.
• ربط الحاويات بالشبكة: دمج الحاويات في شبكة Kubernetes الشاملة.
• تنظيف موارد الشبكة: تحرير الموارد عند إنهاء الـ pods.

كيف تعمل ملحقات CNI

عندما يتم إنشاء pod جديد في Kubernetes، يقوم الـ kubelet (الوكيل الذي يعمل على كل عقدة) باستدعاء ملحق CNI لتكوين شبكة الـ pod. تتضمن العملية عادةً الخطوات التالية:

1. يتلقى الـ kubelet طلبًا لإنشاء pod.
2. يحدد الـ kubelet أي ملحق CNI سيتم استخدامه بناءً على تكوين الكتلة.
3. يستدعي الـ kubelet ملحق CNI، ويوفر معلومات حول الـ pod، مثل مساحة الاسم والاسم والملصقات.
4. يخصص ملحق CNI عنوان IP للـ pod من نطاق عناوين IP محدد مسبقًا.
5. ينشئ ملحق CNI واجهة شبكة افتراضية (زوج veth) على العقدة المضيفة. يتم إرفاق أحد طرفي زوج veth بمساحة اسم شبكة الـ pod، ويبقى الطرف الآخر في مساحة اسم شبكة المضيف.
6. يقوم ملحق CNI بتكوين مساحة اسم شبكة الـ pod، وإعداد عنوان IP، والبوابة، والمسارات.
7. يقوم ملحق CNI بتحديث جداول التوجيه على العقدة المضيفة لضمان توجيه حركة المرور من وإلى الـ pod بشكل صحيح.

ملحقات CNI الشائعة

تتوفر العديد من ملحقات CNI، ولكل منها ميزاتها ومزاياها وعيوبها. فيما يلي بعض ملحقات CNI الأكثر شيوعًا:

Calico

نظرة عامة: Calico هو ملحق CNI مستخدم على نطاق واسع يوفر حلاً للشبكات قابلاً للتطوير وآمنًا لـ Kubernetes. وهو يدعم نماذج الشبكات التراكبية وغير التراكبية ويقدم ميزات سياسة الشبكة المتقدمة.

الميزات الرئيسية:

• سياسة الشبكة: يسمح لك محرك سياسة الشبكة في Calico بتحديد قواعد تحكم دقيقة في الوصول للـ pods. يمكن أن تستند هذه السياسات إلى ملصقات الـ pods ومساحات الأسماء ومعايير أخرى.
• توجيه BGP: يمكن لـ Calico استخدام بروتوكول BGP (بروتوكول البوابة الحدودية) للإعلان عن عناوين IP للـ pods للبنية التحتية للشبكة الأساسية. هذا يلغي الحاجة إلى الشبكات التراكبية ويحسن الأداء.
• إدارة عناوين IP (IPAM): يشتمل Calico على نظام IPAM الخاص به، والذي يخصص عناوين IP للـ pods تلقائيًا.
• التشفير: يدعم Calico تشفير حركة مرور الشبكة باستخدام WireGuard أو IPsec.

مثال على حالة الاستخدام: مؤسسة مالية تستخدم Calico لفرض سياسات أمان صارمة بين الخدمات المصغرة المختلفة داخل كتلة Kubernetes الخاصة بها. على سبيل المثال، منع الاتصال المباشر بين pods الواجهة الأمامية وقاعدة البيانات، وفرض كل وصول إلى قاعدة البيانات من خلال طبقة API مخصصة.

Flannel

نظرة عامة: Flannel هو ملحق CNI بسيط وخفيف الوزن يقوم بإنشاء شبكة تراكبية لـ Kubernetes. من السهل إعداده وتكوينه، مما يجعله خيارًا شائعًا لعمليات النشر الأصغر أو للمستخدمين الجدد على شبكات Kubernetes.

الميزات الرئيسية:

• الشبكة التراكبية: ينشئ Flannel شبكة افتراضية فوق البنية التحتية للشبكة الحالية. تتواصل الـ pods مع بعضها البعض من خلال هذه الشبكة التراكبية.
• تكوين بسيط: من السهل تكوين Flannel ويتطلب إعدادًا ضئيلًا.
• خلفيات متعددة: يدعم Flannel خلفيات مختلفة للشبكة التراكبية، بما في ذلك VXLAN و host-gw و UDP.

مثال على حالة الاستخدام: شركة ناشئة تستخدم Flannel لنشر Kubernetes الأولي نظرًا لبساطته وسهولة تكوينه. إنهم يعطون الأولوية لتشغيل تطبيقاتهم بسرعة على ميزات الشبكات المتقدمة.

Weave Net

نظرة عامة: Weave Net هو ملحق CNI شائع آخر يقوم بإنشاء شبكة تراكبية لـ Kubernetes. يقدم مجموعة من الميزات، بما في ذلك الإدارة التلقائية لعناوين IP وسياسة الشبكة والتشفير.

الميزات الرئيسية:

• الإدارة التلقائية لعناوين IP: يقوم Weave Net تلقائيًا بتعيين عناوين IP للـ pods ويدير نطاق عناوين IP.
• سياسة الشبكة: يسمح لك Weave Net بتحديد سياسات الشبكة للتحكم في حركة المرور بين الـ pods.
• التشفير: يدعم Weave Net تشفير حركة مرور الشبكة باستخدام AES-GCM.
• اكتشاف الخدمات: يوفر Weave Net اكتشافًا مدمجًا للخدمات، مما يسمح للـ pods بالعثور على بعضها البعض والاتصال بها بسهولة.

مثال على حالة الاستخدام: شركة تطوير برمجيات تستخدم Weave Net لبيئات التطوير والاختبار الخاصة بها. تعمل ميزات الإدارة التلقائية لعناوين IP واكتشاف الخدمات على تبسيط نشر وإدارة التطبيقات في هذه البيئات.

Cilium

نظرة عامة: Cilium هو ملحق CNI يستفيد من eBPF (مرشح حزم بيركلي الممتد) لتوفير شبكات وأمان عالي الأداء لـ Kubernetes. يقدم ميزات متقدمة مثل سياسة الشبكة وموازنة التحميل والمراقبة.

الميزات الرئيسية:

• الشبكات القائمة على eBPF: يستخدم Cilium eBPF لتنفيذ سياسات الشبكات والأمان على مستوى النواة. يوفر هذا أداءً عاليًا وحملًا منخفضًا.
• سياسة الشبكة: يدعم Cilium ميزات سياسة الشبكة المتقدمة، بما في ذلك فرض سياسة L7.
• موازنة التحميل: يوفر Cilium موازنة تحميل مدمجة لخدمات Kubernetes.
• المراقبة: يوفر Cilium رؤية مفصلة لحركة مرور الشبكة، مما يتيح لك مراقبة مشكلات الشبكة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها.

مثال على حالة الاستخدام: شركة تجارة إلكترونية كبيرة تستخدم Cilium للتعامل مع أحجام حركة المرور العالية وفرض سياسات أمان صارمة. تضمن إمكانيات الشبكات وموازنة التحميل المستندة إلى eBPF الأداء الأمثل، بينما تحمي ميزات سياسة الشبكة المتقدمة من التهديدات المحتملة.

اختيار ملحق CNI المناسب

يعتمد اختيار ملحق CNI المناسب على المتطلبات المحددة لبيئة Kubernetes الخاصة بك. ضع في اعتبارك العوامل التالية:

• قابلية التوسع: هل يمكن لملحق CNI التعامل مع العدد المتوقع من الـ pods والعقد في كتلتك؟
• الأمان: هل يوفر ملحق CNI ميزات الأمان اللازمة، مثل سياسة الشبكة والتشفير؟
• الأداء: هل يقدم ملحق CNI أداءً مقبولاً لتطبيقاتك؟
• سهولة الاستخدام: ما مدى سهولة إعداد ملحق CNI وتكوينه وصيانته؟
• الميزات: هل يوفر ملحق CNI الميزات التي تحتاجها، مثل إدارة عناوين IP واكتشاف الخدمات والمراقبة؟
• دعم المجتمع: هل يتم الحفاظ على ملحق CNI بنشاط ودعمه من قبل مجتمع قوي؟

لعمليات النشر البسيطة، قد يكون Flannel كافيًا. بالنسبة للبيئات الأكثر تعقيدًا ذات المتطلبات الأمنية الصارمة، قد يكون Calico أو Cilium خيارات أفضل. يوفر Weave Net توازنًا جيدًا بين الميزات وسهولة الاستخدام. قم بتقييم احتياجاتك الخاصة واختر ملحق CNI الذي يناسب متطلباتك على أفضل وجه.

تكوين ملحقات CNI

يتم تكوين ملحقات CNI عادةً باستخدام ملف تكوين CNI، وهو ملف JSON يحدد إعدادات الملحق. يتم تحديد موقع ملف تكوين CNI بواسطة علامة --cni-conf-dir الخاصة بالـ kubelet. بشكل افتراضي، يتم تعيين هذه العلامة على /etc/cni/net.d.

يحتوي ملف تكوين CNI على المعلومات التالية:

• cniVersion: إصدار مواصفات CNI.
• name: اسم الشبكة.
• type: اسم ملحق CNI المراد استخدامه.
• capabilities: قائمة بالقدرات التي يدعمها الملحق.
• ipam: تكوين إدارة عناوين IP.
• plugins: (اختياري) قائمة بملحقات CNI الإضافية لتشغيلها.

إليك مثال على ملف تكوين CNI لـ Flannel:

{
  "cniVersion": "0.3.1",
  "name": "mynet",
  "type": "flannel",
  "delegate": {
    "hairpinMode": true,
    "isDefaultGateway": true
  }
}

يخبر ملف التكوين هذا Kubernetes باستخدام ملحق Flannel CNI لإنشاء شبكة تسمى "mynet". يحدد قسم delegate خيارات تكوين إضافية لملحق Flannel.

تختلف خيارات التكوين المحددة اعتمادًا على ملحق CNI المستخدم. ارجع إلى وثائق ملحق CNI الذي اخترته للحصول على معلومات مفصلة حول خيارات التكوين المتاحة.

أفضل الممارسات لملحقات CNI

اتبع أفضل الممارسات هذه لضمان بيئة شبكات Kubernetes قوية وقابلة للتطوير:

• اختر ملحق CNI المناسب: حدد ملحق CNI الذي يناسب متطلباتك الخاصة على أفضل وجه، مع مراعاة عوامل مثل قابلية التوسع والأمان والأداء وسهولة الاستخدام.
• استخدم سياسات الشبكة: قم بتنفيذ سياسات الشبكة للتحكم في حركة المرور بين الـ pods وفرض حدود الأمان.
• مراقبة أداء الشبكة: استخدم أدوات المراقبة لتتبع أداء الشبكة وتحديد المشكلات المحتملة.
• حافظ على تحديث ملحقات CNI: قم بتحديث ملحقات CNI بانتظام للاستفادة من إصلاحات الأخطاء والتصحيحات الأمنية والميزات الجديدة.
• استخدم نطاق عناوين IP مخصص: خصص نطاق عناوين IP مخصصًا لـ pods Kubernetes لتجنب التعارض مع الشبكات الأخرى.
• خطط لقابلية التوسع: صمم البنية التحتية لشبكتك لاستيعاب النمو المستقبلي وتأكد من أن ملحق CNI الخاص بك يمكنه التعامل مع العدد المتزايد من الـ pods والعقد.

استكشاف أخطاء ملحقات CNI وإصلاحها

يمكن أن تكون مشكلات الشبكات معقدة وصعبة الاستكشاف والإصلاح. إليك بعض المشكلات الشائعة وكيفية التعامل معها:

• لا يمكن للـ pod الاتصال بـ pods أخرى:
  • تحقق من سياسات الشبكة: تأكد من أن سياسات الشبكة لا تمنع حركة المرور.
  • تحقق من جداول التوجيه: تحقق من تكوين جداول التوجيه على العقد المضيفة بشكل صحيح.
  • تحقق من تحليل DNS: تأكد من أن تحليل DNS يعمل بشكل صحيح داخل الكتلة.
  • فحص سجلات CNI: افحص سجلات ملحق CNI بحثًا عن أي أخطاء أو تحذيرات.
• لا يمكن للـ pod الاتصال بالخدمات الخارجية:
  • تحقق من قواعد الخروج (egress): تأكد من تكوين قواعد الخروج بشكل صحيح للسماح بحركة المرور إلى الخدمات الخارجية.
  • تحقق من تحليل DNS: تأكد من أن تحليل DNS يعمل بشكل صحيح للمجالات الخارجية.
  • تحقق من قواعد جدار الحماية: تحقق من أن قواعد جدار الحماية لا تمنع حركة المرور.
• مشاكل أداء الشبكة:
  • مراقبة حركة مرور الشبكة: استخدم أدوات المراقبة لتتبع حركة مرور الشبكة وتحديد الاختناقات.
  • التحقق من زمن انتقال الشبكة: قم بقياس زمن انتقال الشبكة بين الـ pods والعقد.
  • تحسين تكوين الشبكة: قم بتحسين تكوين الشبكة لتحسين الأداء.

ملحقات CNI وشبكات الخدمات (Service Meshes)

بينما تتعامل ملحقات CNI مع شبكات الـ pods الأساسية، توفر شبكات الخدمات طبقة إضافية من الوظائف لإدارة وتأمين الخدمات المصغرة. تعمل شبكات الخدمات مثل Istio و Linkerd و Consul Connect بالاقتران مع ملحقات CNI لتوفير ميزات مثل:

• إدارة حركة المرور: التوجيه وموازنة التحميل وتشكيل حركة المرور.
• الأمان: مصادقة TLS المتبادلة والترخيص والتشفير.
• المراقبة: المقاييس والتتبع والتسجيل.

تقوم شبكات الخدمات عادةً بحقن وكيل جانبي (sidecar proxy) في كل pod، والذي يعترض كل حركة مرور الشبكة ويطبق سياسات شبكة الخدمة. يكون ملحق CNI مسؤولاً عن إعداد اتصال الشبكة الأساسي للوكيل الجانبي، بينما تتعامل شبكة الخدمة مع ميزات إدارة حركة المرور والأمان الأكثر تقدمًا. ضع في اعتبارك شبكات الخدمات للبنى المعمارية للخدمات المصغرة المعقدة لتعزيز الأمان والمراقبة والتحكم.

مستقبل شبكات Kubernetes

تتطور شبكات Kubernetes باستمرار، مع ظهور تقنيات وميزات جديدة طوال الوقت. تشمل بعض الاتجاهات الرئيسية في شبكات Kubernetes ما يلي:

• eBPF: أصبح eBPF شائعًا بشكل متزايد لتنفيذ سياسات الشبكات والأمان في Kubernetes نظرًا لأدائه العالي وحمله المنخفض.
• تكامل شبكة الخدمات: من المتوقع أن يؤدي التكامل الأوثق بين ملحقات CNI وشبكات الخدمات إلى تبسيط إدارة وتأمين الخدمات المصغرة بشكل أكبر.
• الشبكات متعددة الكتل (Multicluster): مع تزايد اعتماد المؤسسات على البنى متعددة الكتل، أصبحت حلول توصيل وإدارة الشبكات عبر مجموعات Kubernetes المتعددة أكثر أهمية.
• وظائف الشبكة السحابية الأصلية (CNFs): يكتسب استخدام Kubernetes لنشر وإدارة وظائف الشبكة زخمًا، مدفوعًا باعتماد تقنية 5G وغيرها من تقنيات الشبكات المتقدمة.

الخاتمة

إن فهم ملحقات CNI ضروري لبناء وإدارة بيئات Kubernetes قوية وقابلة للتطوير. من خلال اختيار ملحق CNI المناسب، وتكوينه بشكل صحيح، واتباع أفضل الممارسات، يمكنك التأكد من أن تطبيقات Kubernetes الخاصة بك لديها اتصال الشبكة والأمان الذي تحتاجه للنجاح. مع استمرار تطور شبكات Kubernetes، سيكون البقاء على اطلاع بأحدث الاتجاهات والتقنيات أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أقصى استفادة من منصة تنسيق الحاويات القوية هذه. من عمليات النشر صغيرة النطاق إلى بيئات المؤسسات الكبيرة التي تمتد عبر قارات متعددة، يفتح إتقان ملحقات CNI الإمكانات الحقيقية لشبكات Kubernetes.