Мрежи в Kubernetes: Подробен поглед върху CNI плъгините

Kubernetes направи революция в оркестрацията на контейнери, позволявайки внедряването и управлението на приложения в голям мащаб. В основата на мрежите в Kubernetes стои Container Network Interface (CNI) – стандартен интерфейс, който позволява на Kubernetes да работи с разнообразни мрежови решения. Разбирането на CNI плъгините е от решаващо значение за изграждането на стабилни и мащабируеми Kubernetes среди. Това изчерпателно ръководство ще разгледа CNI плъгините в детайли, като обхване тяхната роля, популярни опции, конфигурация и най-добри практики.

Какво е Container Network Interface (CNI)?

Container Network Interface (CNI) е спецификация, разработена от Cloud Native Computing Foundation (CNCF) за конфигуриране на мрежови интерфейси за Linux контейнери. Тя предоставя стандартен API, който позволява на Kubernetes да взаимодейства с различни мрежови доставчици. Тази стандартизация прави Kubernetes изключително гъвкав и позволява на потребителите да изберат мрежовото решение, което най-добре отговаря на техните нужди.

CNI плъгините са отговорни за следните задачи:

• Разпределяне на мрежови ресурси: Присвояване на IP адреси и други мрежови параметри на pod-ове.
• Конфигуриране на мрежата на контейнера: Настройване на мрежови интерфейси вътре в контейнера.
• Свързване на контейнери към мрежата: Интегриране на контейнери в общата мрежа на Kubernetes.
• Почистване на мрежови ресурси: Освобождаване на ресурси, когато pod-овете се прекратяват.

Как работят CNI плъгините

Когато в Kubernetes се създаде нов pod, kubelet (агентът, който работи на всеки възел) извиква CNI плъгина, за да конфигурира мрежата на pod-а. Процесът обикновено включва следните стъпки:

1. Kubelet получава заявка за създаване на pod.
2. Kubelet определя кой CNI плъгин да използва въз основа на конфигурацията на клъстера.
3. Kubelet извиква CNI плъгина, като предоставя информация за pod-а, като например неговото namespace, име и етикети.
4. CNI плъгинът разпределя IP адрес за pod-а от предварително определен диапазон от IP адреси.
5. CNI плъгинът създава виртуален мрежов интерфейс (veth pair) на хост възела. Единият край на veth двойката се прикача към мрежовия namespace на pod-а, а другият край остава в мрежовия namespace на хоста.
6. CNI плъгинът конфигурира мрежовия namespace на pod-а, като настройва IP адреса, шлюза и маршрутите.
7. CNI плъгинът актуализира таблиците за маршрутизация на хост възела, за да гарантира, че трафикът към и от pod-а се маршрутизира правилно.

Популярни CNI плъгини

Налични са няколко CNI плъгина, всеки със своите характеристики, предимства и недостатъци. Ето някои от най-популярните CNI плъгини:

Calico

Общ преглед: Calico е широко използван CNI плъгин, който предоставя мащабируемо и сигурно мрежово решение за Kubernetes. Той поддържа както overlay, така и non-overlay мрежови модели и предлага разширени функции за мрежови политики.

Основни характеристики:

• Мрежова политика: Механизмът за мрежови политики на Calico ви позволява да дефинирате детайлни правила за контрол на достъпа за pod-ове. Тези политики могат да се основават на етикети на pod-ове, namespaces и други критерии.
• BGP маршрутизация: Calico може да използва BGP (Border Gateway Protocol) за обявяване на IP адресите на pod-овете пред основната мрежова инфраструктура. Това елиминира нуждата от overlay мрежи и подобрява производителността.
• Управление на IP адреси (IPAM): Calico включва собствена IPAM система, която автоматично разпределя IP адреси на pod-ове.
• Шифроване: Calico поддържа шифроване на мрежовия трафик с помощта на WireGuard или IPsec.

Пример за употреба: Финансова институция използва Calico за налагане на строги политики за сигурност между различните микроуслуги в своя Kubernetes клъстер. Например, предотвратяване на директна комуникация между frontend и database pod-ове, като целият достъп до базата данни се осъществява през специализиран API слой.

Flannel

Общ преглед: Flannel е прост и лек CNI плъгин, който създава overlay мрежа за Kubernetes. Той е лесен за настройка и конфигуриране, което го прави популярен избор за по-малки внедрявания или за потребители, които са нови в мрежите на Kubernetes.

Основни характеристики:

• Overlay мрежа: Flannel създава виртуална мрежа върху съществуващата мрежова инфраструктура. Pod-овете комуникират помежду си чрез тази overlay мрежа.
• Проста конфигурация: Flannel е лесен за конфигуриране и изисква минимална настройка.
• Множество бекенди: Flannel поддържа различни бекенди за overlay мрежата, включително VXLAN, host-gw и UDP.

Пример за употреба: Стартъп компания използва Flannel за първоначалното си внедряване на Kubernetes поради неговата простота и лесна конфигурация. Те дават приоритет на бързото стартиране на своето приложение пред напредналите мрежови функции.

Weave Net

Общ преглед: Weave Net е друг популярен CNI плъгин, който създава overlay мрежа за Kubernetes. Той предлага редица функции, включително автоматично управление на IP адреси, мрежова политика и шифроване.

Основни характеристики:

• Автоматично управление на IP адреси: Weave Net автоматично присвоява IP адреси на pod-ове и управлява диапазона от IP адреси.
• Мрежова политика: Weave Net ви позволява да дефинирате мрежови политики за контрол на трафика между pod-ове.
• Шифроване: Weave Net поддържа шифроване на мрежовия трафик с помощта на AES-GCM.
• Откриване на услуги: Weave Net предоставя вградено откриване на услуги, което позволява на pod-овете лесно да се намират и свързват помежду си.

Пример за употреба: Компания за разработка на софтуер използва Weave Net за своите среди за разработка и тестване. Функциите за автоматично управление на IP адреси и откриване на услуги опростяват внедряването и управлението на приложения в тези среди.

Cilium

Общ преглед: Cilium е CNI плъгин, който използва eBPF (extended Berkeley Packet Filter), за да осигури високопроизводителни мрежи и сигурност за Kubernetes. Той предлага разширени функции като мрежова политика, балансиране на натоварването и наблюдаемост.

Основни характеристики:

• Мрежи, базирани на eBPF: Cilium използва eBPF за прилагане на мрежови и политики за сигурност на ниво ядро. Това осигурява висока производителност и ниски режийни разходи.
• Мрежова политика: Cilium поддържа разширени функции за мрежови политики, включително прилагане на L7 политики.
• Балансиране на натоварването: Cilium предоставя вградено балансиране на натоварването за Kubernetes услуги.
• Наблюдаемост: Cilium предоставя подробна наблюдаемост на мрежовия трафик, което ви позволява да наблюдавате и отстранявате мрежови проблеми.

Пример за употреба: Голяма компания за електронна търговия използва Cilium за обработка на големи обеми трафик и налагане на строги политики за сигурност. Базираните на eBPF мрежи и възможностите за балансиране на натоварването осигуряват оптимална производителност, докато разширените функции за мрежови политики предпазват от потенциални заплахи.

Избор на правилния CNI плъгин

Изборът на подходящ CNI плъгин зависи от специфичните изисквания на вашата Kubernetes среда. Обмислете следните фактори:

• Мащабируемост: Може ли CNI плъгинът да се справи с очаквания брой pod-ове и възли във вашия клъстер?
• Сигурност: Предоставя ли CNI плъгинът необходимите функции за сигурност, като мрежова политика и шифроване?
• Производителност: Предлага ли CNI плъгинът приемлива производителност за вашите приложения?
• Лекота на използване: Колко лесен е CNI плъгинът за настройка, конфигуриране и поддръжка?
• Функции: Предоставя ли CNI плъгинът функциите, от които се нуждаете, като управление на IP адреси, откриване на услуги и наблюдаемост?
• Поддръжка от общността: Поддържа ли се CNI плъгинът активно и подкрепя ли се от силна общност?

За прости внедрявания Flannel може да е достатъчен. За по-сложни среди със строги изисквания за сигурност, Calico или Cilium може да са по-добър избор. Weave Net осигурява добър баланс между функции и лекота на използване. Оценете вашите специфични нужди и изберете CNI плъгина, който най-добре отговаря на вашите изисквания.

Конфигуриране на CNI плъгини

CNI плъгините обикновено се конфигурират с помощта на CNI конфигурационен файл, който е JSON файл, указващ настройките на плъгина. Местоположението на CNI конфигурационния файл се определя от флага --cni-conf-dir на kubelet. По подразбиране този флаг е настроен на /etc/cni/net.d.

CNI конфигурационният файл съдържа следната информация:

• cniVersion: Версията на CNI спецификацията.
• name: Името на мрежата.
• type: Името на CNI плъгина, който да се използва.
• capabilities: Списък с възможности, поддържани от плъгина.
• ipam: Конфигурация за управление на IP адреси.
• plugins: (По избор) Списък с допълнителни CNI плъгини, които да се изпълняват.

Ето пример за CNI конфигурационен файл за Flannel:

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

Този конфигурационен файл казва на Kubernetes да използва CNI плъгина Flannel за създаване на мрежа с име "mynet". Секцията delegate указва допълнителни опции за конфигурация за плъгина Flannel.

Специфичните опции за конфигурация варират в зависимост от използвания CNI плъгин. Обърнете се към документацията на избрания от вас CNI плъгин за подробна информация относно наличните опции за конфигурация.

Най-добри практики за CNI плъгини

Следвайте тези най-добри практики, за да осигурите стабилна и мащабируема мрежова среда в Kubernetes:

• Изберете правилния CNI плъгин: Изберете CNI плъгина, който най-добре отговаря на вашите специфични изисквания, като вземете предвид фактори като мащабируемост, сигурност, производителност и лекота на използване.
• Използвайте мрежови политики: Прилагайте мрежови политики, за да контролирате трафика между pod-ове и да налагате граници на сигурност.
• Наблюдавайте производителността на мрежата: Използвайте инструменти за наблюдение, за да проследявате производителността на мрежата и да идентифицирате потенциални проблеми.
• Поддържайте CNI плъгините актуални: Редовно актуализирайте вашите CNI плъгини, за да се възползвате от корекции на грешки, пачове за сигурност и нови функции.
• Използвайте специален диапазон от IP адреси: Разпределете специален диапазон от IP адреси за вашите Kubernetes pod-ове, за да избегнете конфликти с други мрежи.
• Планирайте за мащабируемост: Проектирайте мрежовата си инфраструктура така, че да поеме бъдещ растеж и да гарантира, че вашият CNI плъгин може да се справи с нарастващия брой pod-ове и възли.

Отстраняване на проблеми с CNI плъгини

Мрежовите проблеми могат да бъдат сложни и трудни за отстраняване. Ето някои често срещани проблеми и как да подходите към тях:

• Pod не може да се свърже с други pod-ове:
  • Проверете мрежовите политики: Уверете се, че мрежовите политики не блокират трафика.
  • Проверете таблиците за маршрутизация: Уверете се, че таблиците за маршрутизация на хост възлите са правилно конфигурирани.
  • Проверете DNS резолюцията: Уверете се, че DNS резолюцията работи правилно в клъстера.
  • Проверете CNI логовете: Разгледайте логовете на CNI плъгина за грешки или предупреждения.
• Pod не може да се свърже с външни услуги:
  • Проверете правилата за изходящ трафик (egress rules): Уверете се, че правилата за изходящ трафик са конфигурирани правилно, за да позволяват трафик към външни услуги.
  • Проверете DNS резолюцията: Уверете се, че DNS резолюцията работи правилно за външни домейни.
  • Проверете правилата на защитната стена: Уверете се, че правилата на защитната стена не блокират трафика.
• Проблеми с производителността на мрежата:
  • Наблюдавайте мрежовия трафик: Използвайте инструменти за наблюдение, за да проследявате мрежовия трафик и да идентифицирате тесни места.
  • Проверете латентността на мрежата: Измерете латентността на мрежата между pod-ове и възли.
  • Оптимизирайте мрежовата конфигурация: Оптимизирайте мрежовата конфигурация, за да подобрите производителността.

CNI и Service Meshes

Докато CNI плъгините се занимават с основната мрежова свързаност на pod-овете, service meshes осигуряват допълнителен слой функционалност за управление и защита на микроуслуги. Service meshes като Istio, Linkerd и Consul Connect работят съвместно с CNI плъгини, за да предоставят функции като:

• Управление на трафика: Маршрутизация, балансиране на натоварването и оформяне на трафика.
• Сигурност: Взаимна TLS автентикация, оторизация и шифроване.
• Наблюдаемост: Метрики, проследяване и регистриране.

Service meshes обикновено инжектират sidecar прокси във всеки pod, който прихваща целия мрежов трафик и прилага политиките на service mesh. CNI плъгинът е отговорен за настройката на основната мрежова свързаност за sidecar проксито, докато service mesh се занимава с по-напредналите функции за управление на трафика и сигурност. Обмислете service meshes за сложни архитектури на микроуслуги, за да подобрите сигурността, наблюдаемостта и контрола.

Бъдещето на мрежите в Kubernetes

Мрежите в Kubernetes постоянно се развиват, като непрекъснато се появяват нови технологии и функции. Някои от ключовите тенденции в мрежите на Kubernetes включват:

• eBPF: eBPF става все по-популярен за прилагане на мрежови и политики за сигурност в Kubernetes поради високата си производителност и ниските режийни разходи.
• Интеграция със Service Mesh: Очаква се по-тясната интеграция между CNI плъгини и service meshes да опрости допълнително управлението и сигурността на микроуслугите.
• Мрежи с множество клъстери: Тъй като организациите все повече възприемат архитектури с множество клъстери, решенията за свързване и управление на мрежи в няколко Kubernetes клъстера стават все по-важни.
• Cloud-Native Network Functions (CNFs): Използването на Kubernetes за внедряване и управление на мрежови функции набира популярност, движено от възприемането на 5G и други напреднали мрежови технологии.

Заключение

Разбирането на CNI плъгините е от съществено значение за изграждането и управлението на стабилни и мащабируеми Kubernetes среди. Като изберете правилния CNI плъгин, конфигурирате го правилно и следвате най-добрите практики, можете да гарантирате, че вашите Kubernetes приложения имат мрежовата свързаност и сигурността, от които се нуждаят, за да успеят. Тъй като мрежите в Kubernetes продължават да се развиват, информираността за най-новите тенденции и технологии ще бъде от решаващо значение за максимизиране на ползите от тази мощна платформа за оркестрация на контейнери. От малки внедрявания до големи корпоративни среди, обхващащи няколко континента, овладяването на CNI плъгините отключва истинския потенциал на мрежите в Kubernetes.