Kubernetes-Networking: Ein tiefer Einblick in CNI-Plugins

Kubernetes hat die Container-Orchestrierung revolutioniert und ermöglicht die Bereitstellung und Verwaltung von Anwendungen im großen Stil. Im Zentrum des Kubernetes-Networking steht das Container Network Interface (CNI), eine Standardschnittstelle, die es Kubernetes ermöglicht, mit einer Vielzahl von Netzwerklösungen zusammenzuarbeiten. Das Verständnis von CNI-Plugins ist entscheidend für den Aufbau robuster und skalierbarer Kubernetes-Umgebungen. Dieser umfassende Leitfaden wird CNI-Plugins im Detail untersuchen und ihre Rolle, beliebte Optionen, Konfiguration und Best Practices behandeln.

Was ist das Container Network Interface (CNI)?

Das Container Network Interface (CNI) ist eine von der Cloud Native Computing Foundation (CNCF) entwickelte Spezifikation zur Konfiguration von Netzwerkschnittstellen für Linux-Container. Es bietet eine Standard-API, die es Kubernetes ermöglicht, mit verschiedenen Netzwerkanbietern zu interagieren. Diese Standardisierung macht Kubernetes äußerst flexibel und erlaubt es den Benutzern, die Netzwerklösung zu wählen, die ihren Anforderungen am besten entspricht.

CNI-Plugins sind für die folgenden Aufgaben verantwortlich:

Netzwerkressourcen zuweisen: Zuweisung von IP-Adressen und anderen Netzwerkparametern an Pods.
Das Container-Netzwerk konfigurieren: Einrichten von Netzwerkschnittstellen innerhalb des Containers.
Container mit dem Netzwerk verbinden: Integration von Containern in das gesamte Kubernetes-Netzwerk.
Netzwerkressourcen bereinigen: Freigabe von Ressourcen, wenn Pods beendet werden.

Wie CNI-Plugins funktionieren

Wenn ein neuer Pod in Kubernetes erstellt wird, ruft das Kubelet (der Agent, der auf jedem Knoten läuft) das CNI-Plugin auf, um das Netzwerk des Pods zu konfigurieren. Der Prozess umfasst in der Regel die folgenden Schritte:

Das Kubelet erhält eine Anfrage zur Erstellung eines Pods.
Das Kubelet bestimmt anhand der Cluster-Konfiguration, welches CNI-Plugin verwendet werden soll.
Das Kubelet ruft das CNI-Plugin auf und stellt Informationen über den Pod bereit, wie z. B. seinen Namespace, Namen und seine Labels.
Das CNI-Plugin weist dem Pod eine IP-Adresse aus einem vordefinierten IP-Adressbereich zu.
Das CNI-Plugin erstellt eine virtuelle Netzwerkschnittstelle (veth-Paar) auf dem Host-Knoten. Ein Ende des veth-Paares wird an den Netzwerk-Namespace des Pods angehängt, und das andere Ende verbleibt im Netzwerk-Namespace des Hosts.
Das CNI-Plugin konfiguriert den Netzwerk-Namespace des Pods und richtet die IP-Adresse, das Gateway und die Routen ein.
Das CNI-Plugin aktualisiert die Routing-Tabellen auf dem Host-Knoten, um sicherzustellen, dass der Datenverkehr zum und vom Pod korrekt weitergeleitet wird.

Beliebte CNI-Plugins

Es sind mehrere CNI-Plugins verfügbar, jedes mit seinen eigenen Merkmalen, Vor- und Nachteilen. Hier sind einige der beliebtesten CNI-Plugins:

Calico

Übersicht: Calico ist ein weit verbreitetes CNI-Plugin, das eine skalierbare und sichere Netzwerklösung für Kubernetes bietet. Es unterstützt sowohl Overlay- als auch Non-Overlay-Netzwerkmodelle und bietet erweiterte Funktionen für Netzwerkrichtlinien.

Hauptmerkmale:

Netzwerkrichtlinien: Die Engine für Netzwerkrichtlinien von Calico ermöglicht es Ihnen, feingranulare Zugriffskontrollregeln für Pods zu definieren. Diese Richtlinien können auf Pod-Labels, Namespaces und anderen Kriterien basieren.
BGP-Routing: Calico kann BGP (Border Gateway Protocol) verwenden, um Pod-IP-Adressen an die zugrunde liegende Netzwerkinfrastruktur zu annoncieren. Dies eliminiert die Notwendigkeit von Overlay-Netzwerken und verbessert die Leistung.
IP-Adressverwaltung (IPAM): Calico enthält ein eigenes IPAM-System, das Pods automatisch IP-Adressen zuweist.
Verschlüsselung: Calico unterstützt die Verschlüsselung des Netzwerkverkehrs mit WireGuard oder IPsec.

Anwendungsbeispiel: Ein Finanzinstitut, das Calico verwendet, um strenge Sicherheitsrichtlinien zwischen verschiedenen Microservices innerhalb seines Kubernetes-Clusters durchzusetzen. Zum Beispiel die Verhinderung der direkten Kommunikation zwischen den Frontend- und Datenbank-Pods, wobei der gesamte Datenbankzugriff über eine dedizierte API-Schicht erzwungen wird.

Flannel

Übersicht: Flannel ist ein einfaches und leichtes CNI-Plugin, das ein Overlay-Netzwerk für Kubernetes erstellt. Es ist einfach einzurichten und zu konfigurieren, was es zu einer beliebten Wahl für kleinere Bereitstellungen oder für Benutzer macht, die neu im Bereich Kubernetes-Networking sind.

Hauptmerkmale:

Overlay-Netzwerk: Flannel erstellt ein virtuelles Netzwerk über der bestehenden Netzwerkinfrastruktur. Pods kommunizieren über dieses Overlay-Netzwerk miteinander.
Einfache Konfiguration: Flannel ist einfach zu konfigurieren und erfordert nur minimalen Einrichtungsaufwand.
Mehrere Backends: Flannel unterstützt verschiedene Backends für das Overlay-Netzwerk, einschließlich VXLAN, host-gw und UDP.

Anwendungsbeispiel: Ein Startup, das Flannel für seine erste Kubernetes-Bereitstellung aufgrund seiner Einfachheit und leichten Konfiguration verwendet. Sie legen mehr Wert darauf, ihre Anwendung schnell zum Laufen zu bringen, als auf erweiterte Netzwerkfunktionen.

Weave Net

Übersicht: Weave Net ist ein weiteres beliebtes CNI-Plugin, das ein Overlay-Netzwerk für Kubernetes erstellt. Es bietet eine Reihe von Funktionen, darunter automatische IP-Adressverwaltung, Netzwerkrichtlinien und Verschlüsselung.

Hauptmerkmale:

Automatische IP-Adressverwaltung: Weave Net weist Pods automatisch IP-Adressen zu und verwaltet den IP-Adressbereich.
Netzwerkrichtlinien: Mit Weave Net können Sie Netzwerkrichtlinien definieren, um den Datenverkehr zwischen Pods zu steuern.
Verschlüsselung: Weave Net unterstützt die Verschlüsselung des Netzwerkverkehrs mit AES-GCM.
Diensterkennung: Weave Net bietet eine integrierte Diensterkennung, die es Pods ermöglicht, sich leicht zu finden und miteinander zu verbinden.

Anwendungsbeispiel: Ein Softwareentwicklungsunternehmen, das Weave Net für seine Entwicklungs- und Testumgebungen verwendet. Die automatische IP-Adressverwaltung und die Diensterkennungsfunktionen vereinfachen die Bereitstellung und Verwaltung von Anwendungen in diesen Umgebungen.

Cilium

Übersicht: Cilium ist ein CNI-Plugin, das eBPF (extended Berkeley Packet Filter) nutzt, um hochleistungsfähiges Networking und Sicherheit für Kubernetes bereitzustellen. Es bietet erweiterte Funktionen wie Netzwerkrichtlinien, Lastausgleich und Beobachtbarkeit.

Hauptmerkmale:

eBPF-basiertes Networking: Cilium verwendet eBPF, um Netzwerk- und Sicherheitsrichtlinien auf Kernel-Ebene zu implementieren. Dies sorgt für hohe Leistung und geringen Overhead.
Netzwerkrichtlinien: Cilium unterstützt erweiterte Funktionen für Netzwerkrichtlinien, einschließlich der Durchsetzung von L7-Richtlinien.
Lastausgleich: Cilium bietet einen integrierten Lastausgleich für Kubernetes-Dienste.
Beobachtbarkeit: Cilium bietet detaillierte Einblicke in den Netzwerkverkehr, sodass Sie Netzwerkprobleme überwachen und beheben können.

Anwendungsbeispiel: Ein großes E-Commerce-Unternehmen, das Cilium verwendet, um hohe Verkehrsaufkommen zu bewältigen und strenge Sicherheitsrichtlinien durchzusetzen. Das eBPF-basierte Networking und die Lastausgleichsfunktionen gewährleisten eine optimale Leistung, während die erweiterten Funktionen für Netzwerkrichtlinien vor potenziellen Bedrohungen schützen.

Auswahl des richtigen CNI-Plugins

Die Auswahl des geeigneten CNI-Plugins hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Kubernetes-Umgebung ab. Berücksichtigen Sie die folgenden Faktoren:

Skalierbarkeit: Kann das CNI-Plugin die erwartete Anzahl von Pods und Knoten in Ihrem Cluster bewältigen?
Sicherheit: Bietet das CNI-Plugin die notwendigen Sicherheitsfunktionen wie Netzwerkrichtlinien und Verschlüsselung?
Leistung: Bietet das CNI-Plugin eine akzeptable Leistung für Ihre Anwendungen?
Benutzerfreundlichkeit: Wie einfach ist das CNI-Plugin einzurichten, zu konfigurieren und zu warten?
Funktionen: Bietet das CNI-Plugin die Funktionen, die Sie benötigen, wie z. B. IP-Adressverwaltung, Diensterkennung und Beobachtbarkeit?
Community-Support: Wird das CNI-Plugin aktiv von einer starken Community gepflegt und unterstützt?

Für einfache Bereitstellungen könnte Flannel ausreichen. Für komplexere Umgebungen mit strengen Sicherheitsanforderungen könnten Calico oder Cilium die bessere Wahl sein. Weave Net bietet eine gute Balance zwischen Funktionen und Benutzerfreundlichkeit. Bewerten Sie Ihre spezifischen Bedürfnisse und wählen Sie das CNI-Plugin, das Ihren Anforderungen am besten entspricht.

Konfiguration von CNI-Plugins

CNI-Plugins werden normalerweise über eine CNI-Konfigurationsdatei konfiguriert, eine JSON-Datei, die die Einstellungen des Plugins festlegt. Der Speicherort der CNI-Konfigurationsdatei wird durch das Flag --cni-conf-dir des Kubelets bestimmt. Standardmäßig ist dieses Flag auf /etc/cni/net.d gesetzt.

Die CNI-Konfigurationsdatei enthält die folgenden Informationen:

cniVersion: Die Version der CNI-Spezifikation.
name: Der Name des Netzwerks.
type: Der Name des zu verwendenden CNI-Plugins.
capabilities: Eine Liste der vom Plugin unterstützten Fähigkeiten.
ipam: Konfiguration für die IP-Adressverwaltung.
plugins: (Optional) Eine Liste zusätzlicher CNI-Plugins, die ausgeführt werden sollen.

Hier ist ein Beispiel für eine CNI-Konfigurationsdatei für Flannel:

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

Diese Konfigurationsdatei weist Kubernetes an, das Flannel CNI-Plugin zu verwenden, um ein Netzwerk namens "mynet" zu erstellen. Der Abschnitt delegate gibt zusätzliche Konfigurationsoptionen für das Flannel-Plugin an.

Die spezifischen Konfigurationsoptionen variieren je nach verwendetem CNI-Plugin. Detaillierte Informationen zu den verfügbaren Konfigurationsoptionen finden Sie in der Dokumentation des von Ihnen gewählten CNI-Plugins.

Best Practices für CNI-Plugins

Befolgen Sie diese Best Practices, um eine robuste und skalierbare Kubernetes-Networking-Umgebung zu gewährleisten:

Wählen Sie das richtige CNI-Plugin: Wählen Sie das CNI-Plugin, das Ihren spezifischen Anforderungen am besten entspricht, und berücksichtigen Sie dabei Faktoren wie Skalierbarkeit, Sicherheit, Leistung und Benutzerfreundlichkeit.
Verwenden Sie Netzwerkrichtlinien: Implementieren Sie Netzwerkrichtlinien, um den Datenverkehr zwischen Pods zu steuern und Sicherheitsgrenzen durchzusetzen.
Überwachen Sie die Netzwerkleistung: Verwenden Sie Überwachungstools, um die Netzwerkleistung zu verfolgen und potenzielle Probleme zu identifizieren.
Halten Sie CNI-Plugins auf dem neuesten Stand: Aktualisieren Sie Ihre CNI-Plugins regelmäßig, um von Fehlerbehebungen, Sicherheitspatches und neuen Funktionen zu profitieren.
Verwenden Sie einen dedizierten IP-Adressbereich: Weisen Sie Ihren Kubernetes-Pods einen dedizierten IP-Adressbereich zu, um Konflikte mit anderen Netzwerken zu vermeiden.
Planen Sie für Skalierbarkeit: Entwerfen Sie Ihre Netzwerkinfrastruktur so, dass sie zukünftiges Wachstum aufnehmen kann, und stellen Sie sicher, dass Ihr CNI-Plugin die zunehmende Anzahl von Pods und Knoten bewältigen kann.

Fehlerbehebung bei CNI-Plugins

Netzwerkprobleme können komplex und schwer zu beheben sein. Hier sind einige häufige Probleme und wie man sie angehen kann:

Pod kann keine Verbindung zu anderen Pods herstellen:
- Netzwerkrichtlinien überprüfen: Stellen Sie sicher, dass Netzwerkrichtlinien den Datenverkehr nicht blockieren.
- Routing-Tabellen verifizieren: Überprüfen Sie, ob die Routing-Tabellen auf den Host-Knoten korrekt konfiguriert sind.
- DNS-Auflösung prüfen: Stellen Sie sicher, dass die DNS-Auflösung innerhalb des Clusters korrekt funktioniert.
- CNI-Protokolle inspizieren: Untersuchen Sie die Protokolle des CNI-Plugins auf Fehler oder Warnungen.
Pod kann keine Verbindung zu externen Diensten herstellen:
- Egress-Regeln überprüfen: Stellen Sie sicher, dass die Egress-Regeln korrekt konfiguriert sind, um den Datenverkehr zu externen Diensten zu ermöglichen.
- DNS-Auflösung verifizieren: Stellen Sie sicher, dass die DNS-Auflösung für externe Domänen korrekt funktioniert.
- Firewall-Regeln überprüfen: Überprüfen Sie, dass Firewall-Regeln den Datenverkehr nicht blockieren.
Probleme mit der Netzwerkleistung:
- Netzwerkverkehr überwachen: Verwenden Sie Überwachungstools, um den Netzwerkverkehr zu verfolgen und Engpässe zu identifizieren.
- Netzwerklatenz prüfen: Messen Sie die Netzwerklatenz zwischen Pods und Knoten.
- Netzwerkkonfiguration optimieren: Optimieren Sie die Netzwerkkonfiguration, um die Leistung zu verbessern.

CNI und Service Meshes

Während CNI-Plugins das grundlegende Pod-Networking übernehmen, bieten Service Meshes eine zusätzliche Funktionsebene für die Verwaltung und Sicherung von Microservices. Service Meshes wie Istio, Linkerd und Consul Connect arbeiten in Verbindung mit CNI-Plugins, um Funktionen wie die folgenden bereitzustellen:

Verkehrsmanagement: Routing, Lastausgleich und Traffic Shaping.
Sicherheit: Gegenseitige TLS-Authentifizierung, Autorisierung und Verschlüsselung.
Beobachtbarkeit: Metriken, Tracing und Protokollierung.

Service Meshes injizieren typischerweise einen Sidecar-Proxy in jeden Pod, der den gesamten Netzwerkverkehr abfängt und die Service-Mesh-Richtlinien anwendet. Das CNI-Plugin ist für die Einrichtung der grundlegenden Netzwerkkonnektivität für den Sidecar-Proxy verantwortlich, während das Service Mesh die fortschrittlicheren Verkehrsmanagement- und Sicherheitsfunktionen übernimmt. Ziehen Sie Service Meshes für komplexe Microservice-Architekturen in Betracht, um Sicherheit, Beobachtbarkeit und Kontrolle zu verbessern.

Die Zukunft des Kubernetes-Networking

Das Kubernetes-Networking entwickelt sich ständig weiter, und es entstehen ständig neue Technologien und Funktionen. Einige der wichtigsten Trends im Kubernetes-Networking sind:

eBPF: eBPF wird aufgrund seiner hohen Leistung und seines geringen Overheads immer beliebter für die Implementierung von Netzwerk- und Sicherheitsrichtlinien in Kubernetes.
Service-Mesh-Integration: Eine engere Integration zwischen CNI-Plugins und Service Meshes wird voraussichtlich die Verwaltung und Sicherung von Microservices weiter vereinfachen.
Multicluster-Networking: Da Unternehmen zunehmend Multicluster-Architekturen einführen, werden Lösungen für die Verbindung und Verwaltung von Netzwerken über mehrere Kubernetes-Cluster hinweg immer wichtiger.
Cloud-Native Network Functions (CNFs): Die Nutzung von Kubernetes zur Bereitstellung und Verwaltung von Netzwerkfunktionen gewinnt an Bedeutung, angetrieben durch die Einführung von 5G und anderen fortschrittlichen Netzwerktechnologien.

Fazit

Das Verständnis von CNI-Plugins ist unerlässlich für den Aufbau und die Verwaltung robuster und skalierbarer Kubernetes-Umgebungen. Indem Sie das richtige CNI-Plugin auswählen, es korrekt konfigurieren und Best Practices befolgen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Kubernetes-Anwendungen die Netzwerkkonnektivität und Sicherheit haben, die sie für ihren Erfolg benötigen. Da sich das Kubernetes-Networking ständig weiterentwickelt, ist es entscheidend, über die neuesten Trends und Technologien informiert zu bleiben, um die Vorteile dieser leistungsstarken Container-Orchestrierungsplattform zu maximieren. Von kleinen Bereitstellungen bis hin zu großen Unternehmensumgebungen, die sich über mehrere Kontinente erstrecken, erschließt die Beherrschung von CNI-Plugins das wahre Potenzial des Kubernetes-Networking.