Sítě v Kubernetes: Podrobný pohled na CNI pluginy

Kubernetes způsobil revoluci v orchestraci kontejnerů, což umožňuje nasazování a správu aplikací ve velkém měřítku. Srdcem sítí v Kubernetes je Container Network Interface (CNI), standardní rozhraní, které Kubernetes umožňuje spolupracovat s různými síťovými řešeními. Porozumění CNI pluginům je klíčové pro budování robustních a škálovatelných prostředí Kubernetes. Tento komplexní průvodce podrobně prozkoumá CNI pluginy, jejich roli, populární možnosti, konfiguraci a osvědčené postupy.

Co je Container Network Interface (CNI)?

Container Network Interface (CNI) je specifikace vyvinutá nadací Cloud Native Computing Foundation (CNCF) pro konfiguraci síťových rozhraní pro linuxové kontejnery. Poskytuje standardní API, které umožňuje Kubernetes interagovat s různými poskytovateli síťových služeb. Tato standardizace činí Kubernetes vysoce flexibilním a umožňuje uživatelům vybrat si síťové řešení, které nejlépe vyhovuje jejich potřebám.

CNI pluginy jsou zodpovědné za následující úkoly:

Alokace síťových zdrojů: Přidělování IP adres a dalších síťových parametrů podům.
Konfigurace sítě kontejneru: Nastavení síťových rozhraní uvnitř kontejneru.
Připojení kontejnerů k síti: Integrace kontejnerů do celkové sítě Kubernetes.
Uvolnění síťových zdrojů: Uvolňování zdrojů při ukončení podů.

Jak fungují CNI pluginy

Když je v Kubernetes vytvořen nový pod, kubelet (agent, který běží na každém uzlu) zavolá CNI plugin ke konfiguraci sítě podu. Proces obvykle zahrnuje následující kroky:

Kubelet obdrží požadavek na vytvoření podu.
Kubelet určí, který CNI plugin použít na základě konfigurace clusteru.
Kubelet zavolá CNI plugin a poskytne mu informace o podu, jako je jeho jmenný prostor, název a štítky.
CNI plugin přidělí podu IP adresu z předdefinovaného rozsahu IP adres.
CNI plugin vytvoří na hostitelském uzlu virtuální síťové rozhraní (pár veth). Jeden konec páru veth je připojen do síťového jmenného prostoru podu a druhý konec zůstává v síťovém jmenném prostoru hostitele.
CNI plugin nakonfiguruje síťový jmenný prostor podu, nastaví IP adresu, bránu a směrovací pravidla.
CNI plugin aktualizuje směrovací tabulky na hostitelském uzlu, aby zajistil, že provoz do a z podu je správně směrován.

Populární CNI pluginy

K dispozici je několik CNI pluginů, z nichž každý má své vlastní vlastnosti, výhody a nevýhody. Zde jsou některé z nejpopulárnějších CNI pluginů:

Calico

Přehled: Calico je široce používaný CNI plugin, který poskytuje škálovatelné a bezpečné síťové řešení pro Kubernetes. Podporuje jak overlay, tak non-overlay síťové modely a nabízí pokročilé funkce síťových politik.

Klíčové vlastnosti:

Síťová politika: Mechanismus síťových politik Calico umožňuje definovat podrobná pravidla pro řízení přístupu pro pody. Tyto politiky mohou být založeny na štítcích podů, jmenných prostorech a dalších kritériích.
BGP směrování: Calico může používat BGP (Border Gateway Protocol) k oznamování IP adres podů podkladové síťové infrastruktuře. To eliminuje potřebu overlay sítí a zlepšuje výkon.
Správa IP adres (IPAM): Calico zahrnuje vlastní IPAM systém, který automaticky přiděluje IP adresy podům.
Šifrování: Calico podporuje šifrování síťového provozu pomocí WireGuard nebo IPsec.

Příklad použití: Finanční instituce používající Calico k prosazování přísných bezpečnostních politik mezi různými mikroslužbami ve svém Kubernetes clusteru. Například zabránění přímé komunikaci mezi frontend a databázovými pody a vynucení veškerého přístupu k databázi přes vyhrazenou API vrstvu.

Flannel

Přehled: Flannel je jednoduchý a lehký CNI plugin, který vytváří overlay síť pro Kubernetes. Je snadné ho nastavit a konfigurovat, což z něj činí populární volbu pro menší nasazení nebo pro uživatele, kteří jsou v oblasti sítí Kubernetes nováčky.

Klíčové vlastnosti:

Overlay síť: Flannel vytváří virtuální síť nad existující síťovou infrastrukturou. Pody spolu komunikují prostřednictvím této overlay sítě.
Jednoduchá konfigurace: Flannel je snadno konfigurovatelný a vyžaduje minimální nastavení.
Více backendů: Flannel podporuje různé backendy pro overlay síť, včetně VXLAN, host-gw a UDP.

Příklad použití: Startup používající Flannel pro své počáteční nasazení Kubernetes kvůli jeho jednoduchosti a snadné konfiguraci. Upřednostňují rychlé spuštění své aplikace před pokročilými síťovými funkcemi.

Weave Net

Přehled: Weave Net je další populární CNI plugin, který vytváří overlay síť pro Kubernetes. Nabízí řadu funkcí, včetně automatické správy IP adres, síťových politik a šifrování.

Klíčové vlastnosti:

Automatická správa IP adres: Weave Net automaticky přiděluje IP adresy podům a spravuje rozsah IP adres.
Síťová politika: Weave Net umožňuje definovat síťové politiky pro řízení provozu mezi pody.
Šifrování: Weave Net podporuje šifrování síťového provozu pomocí AES-GCM.
Objevování služeb (Service Discovery): Weave Net poskytuje vestavěné objevování služeb, což umožňuje podům snadno se navzájem najít a připojit.

Příklad použití: Softwarová vývojová společnost používající Weave Net pro svá vývojová a testovací prostředí. Funkce automatické správy IP adres a objevování služeb zjednodušují nasazení a správu aplikací v těchto prostředích.

Cilium

Přehled: Cilium je CNI plugin, který využívá eBPF (extended Berkeley Packet Filter) k poskytování vysoce výkonných sítí a zabezpečení pro Kubernetes. Nabízí pokročilé funkce jako síťové politiky, vyvažování zátěže a pozorovatelnost.

Klíčové vlastnosti:

Sítě založené na eBPF: Cilium používá eBPF k implementaci síťových a bezpečnostních politik na úrovni jádra. To poskytuje vysoký výkon a nízkou režii.
Síťová politika: Cilium podporuje pokročilé funkce síťových politik, včetně vynucování politik na L7.
Vyvažování zátěže: Cilium poskytuje vestavěné vyvažování zátěže pro služby Kubernetes.
Pozorovatelnost: Cilium poskytuje detailní přehled o síťovém provozu, což umožňuje monitorovat a řešit problémy se sítí.

Příklad použití: Velká e-commerce společnost používající Cilium ke zvládání vysokých objemů provozu a prosazování přísných bezpečnostních politik. Sítě založené на eBPF a schopnosti vyvažování zátěže zajišťují optimální výkon, zatímco pokročilé funkce síťových politik chrání před potenciálními hrozbami.

Výběr správného CNI pluginu

Výběr vhodného CNI pluginu závisí na specifických požadavcích vašeho prostředí Kubernetes. Zvažte následující faktory:

Škálovatelnost: Dokáže CNI plugin zvládnout očekávaný počet podů a uzlů ve vašem clusteru?
Bezpečnost: Poskytuje CNI plugin potřebné bezpečnostní funkce, jako jsou síťové politiky a šifrování?
Výkon: Nabízí CNI plugin přijatelný výkon pro vaše aplikace?
Snadnost použití: Jak snadné je CNI plugin nastavit, konfigurovat a udržovat?
Funkce: Poskytuje CNI plugin funkce, které potřebujete, jako je správa IP adres, objevování služeb a pozorovatelnost?
Komunitní podpora: Je CNI plugin aktivně udržován a podporován silnou komunitou?

Pro jednoduchá nasazení může být dostačující Flannel. Pro složitější prostředí s přísnými bezpečnostními požadavky mohou být lepší volbou Calico nebo Cilium. Weave Net poskytuje dobrou rovnováhu mezi funkcemi a snadností použití. Zhodnoťte své specifické potřeby a vyberte CNI plugin, který nejlépe odpovídá vašim požadavkům.

Konfigurace CNI pluginů

CNI pluginy se obvykle konfigurují pomocí konfiguračního souboru CNI, což je soubor JSON, který specifikuje nastavení pluginu. Umístění konfiguračního souboru CNI je určeno parametrem --cni-conf-dir kubeletu. Standardně je tento parametr nastaven na /etc/cni/net.d.

Konfigurační soubor CNI obsahuje následující informace:

cniVersion: Verze specifikace CNI.
name: Název sítě.
type: Název CNI pluginu, který se má použít.
capabilities: Seznam schopností podporovaných pluginem.
ipam: Konfigurace pro správu IP adres.
plugins: (Volitelné) Seznam dalších CNI pluginů, které se mají spustit.

Zde je příklad konfiguračního souboru CNI pro Flannel:

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

Tento konfigurační soubor říká Kubernetes, aby použil CNI plugin Flannel k vytvoření sítě s názvem "mynet". Sekce delegate specifikuje další konfigurační možnosti pro plugin Flannel.

Specifické konfigurační možnosti se liší v závislosti na použitém CNI pluginu. Pro podrobné informace o dostupných konfiguračních možnostech se obraťte na dokumentaci vámi vybraného CNI pluginu.

Osvědčené postupy pro CNI pluginy

Dodržujte tyto osvědčené postupy, abyste zajistili robustní a škálovatelné síťové prostředí Kubernetes:

Vyberte správný CNI plugin: Zvolte CNI plugin, který nejlépe vyhovuje vašim specifickým požadavkům, s ohledem na faktory jako škálovatelnost, bezpečnost, výkon a snadnost použití.
Používejte síťové politiky: Implementujte síťové politiky pro řízení provozu mezi pody a vynucení bezpečnostních hranic.
Monitorujte výkon sítě: Používejte monitorovací nástroje ke sledování výkonu sítě a identifikaci potenciálních problémů.
Udržujte CNI pluginy aktuální: Pravidelně aktualizujte své CNI pluginy, abyste mohli těžit z oprav chyb, bezpečnostních záplat a nových funkcí.
Použijte vyhrazený rozsah IP adres: Přidělte vyhrazený rozsah IP adres pro vaše pody v Kubernetes, abyste předešli konfliktům s jinými sítěmi.
Plánujte škálovatelnost: Navrhněte svou síťovou infrastrukturu tak, aby vyhovovala budoucímu růstu a zajistěte, že váš CNI plugin zvládne rostoucí počet podů a uzlů.

Řešení problémů s CNI pluginy

Problémy se sítěmi mohou být složité a náročné na řešení. Zde jsou některé běžné problémy a jak k nim přistupovat:

Pod se nemůže připojit k jiným podům:
- Zkontrolujte síťové politiky: Ujistěte se, že síťové politiky neblokují provoz.
- Ověřte směrovací tabulky: Ověřte, že směrovací tabulky na hostitelských uzlech jsou správně nakonfigurovány.
- Zkontrolujte DNS překlad: Ujistěte se, že DNS překlad v clusteru funguje správně.
- Prozkoumejte logy CNI: Zkontrolujte logy CNI pluginu na přítomnost chyb nebo varování.
Pod se nemůže připojit k externím službám:
- Zkontrolujte pravidla pro odchozí provoz (egress): Ujistěte se, že pravidla pro odchozí provoz jsou správně nakonfigurována tak, aby umožňovala provoz k externím službám.
- Ověřte DNS překlad: Ujistěte se, že DNS překlad pro externí domény funguje správně.
- Zkontrolujte pravidla firewallu: Ověřte, že pravidla firewallu neblokují provoz.
Problémy s výkonem sítě:
- Monitorujte síťový provoz: Používejte monitorovací nástroje ke sledování síťového provozu a identifikaci úzkých míst.
- Zkontrolujte latenci sítě: Měřte latenci sítě mezi pody a uzly.
- Optimalizujte konfiguraci sítě: Optimalizujte konfiguraci sítě pro zlepšení výkonu.

CNI a Service Meshes

Zatímco CNI pluginy se starají o základní síťování podů, service meshes poskytují další vrstvu funkcionality pro správu a zabezpečení mikroslužeb. Service meshes jako Istio, Linkerd a Consul Connect pracují ve spojení s CNI pluginy a poskytují funkce jako:

Řízení provozu: Směrování, vyvažování zátěže a tvarování provozu.
Bezpečnost: Vzájemná TLS autentizace, autorizace a šifrování.
Pozorovatelnost: Metriky, trasování a logování.

Service meshes obvykle vkládají do každého podu sidecar proxy, která zachytává veškerý síťový provoz a aplikuje politiky service meshe. CNI plugin je zodpovědný za nastavení základní síťové konektivity pro sidecar proxy, zatímco service mesh se stará o pokročilejší funkce řízení provozu a zabezpečení. Zvažte použití service mesh pro komplexní architektury mikroslužeb k posílení bezpečnosti, pozorovatelnosti a kontroly.

Budoucnost sítí v Kubernetes

Sítě v Kubernetes se neustále vyvíjejí a neustále se objevují nové technologie a funkce. Mezi klíčové trendy v oblasti sítí Kubernetes patří:

eBPF: eBPF se stává stále populárnějším pro implementaci síťových a bezpečnostních politik v Kubernetes díky svému vysokému výkonu a nízké režii.
Integrace se Service Mesh: Očekává se, že užší integrace mezi CNI pluginy a service meshes dále zjednoduší správu a zabezpečení mikroslužeb.
Sítě napříč více clustery (Multicluster Networking): Jak organizace stále více přecházejí na architektury s více clustery, stávají se důležitějšími řešení pro připojení a správu sítí napříč několika Kubernetes clustery.
Cloud-Native Network Functions (CNFs): Využití Kubernetes k nasazování a správě síťových funkcí získává na síle, poháněno přijetím 5G a dalších pokročilých síťových technologií.

Závěr

Porozumění CNI pluginům je nezbytné pro budování a správu robustních a škálovatelných prostředí Kubernetes. Výběrem správného CNI pluginu, jeho správnou konfigurací a dodržováním osvědčených postupů můžete zajistit, že vaše aplikace v Kubernetes budou mít síťovou konektivitu a bezpečnost, které potřebují k úspěchu. Vzhledem k tomu, že se sítě v Kubernetes neustále vyvíjejí, bude pro maximalizaci přínosů této výkonné platformy pro orchestraci kontejnerů klíčové zůstat informován o nejnovějších trendech a technologiích. Od malých nasazení až po velká podniková prostředí napříč kontinenty, zvládnutí CNI pluginů odemyká skutečný potenciál sítí v Kubernetes.