Kubernetes-verkotus: Syväsukellus CNI-lisäosiin

Kubernetes on mullistanut konttien orkestroinnin mahdollistaen sovellusten käyttöönoton ja hallinnan laajassa mittakaavassa. Kubernetes-verkotuksen ytimessä on Container Network Interface (CNI), standardoitu rajapinta, joka antaa Kubernetesin työskennellä erilaisten verkkoratkaisujen kanssa. CNI-lisäosien ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää kestävien ja skaalautuvien Kubernetes-ympäristöjen rakentamisessa. Tämä kattava opas tutkii CNI-lisäosia yksityiskohtaisesti, kattaen niiden roolin, suositut vaihtoehdot, konfiguroinnin ja parhaat käytännöt.

Mitä on Container Network Interface (CNI)?

Container Network Interface (CNI) on Cloud Native Computing Foundationin (CNCF) kehittämä määrittely Linux-konttien verkkoliitäntöjen konfigurointiin. Se tarjoaa standardin APIn, jonka avulla Kubernetes voi olla vuorovaikutuksessa eri verkkotoimittajien kanssa. Tämä standardointi tekee Kubernetesista erittäin joustavan ja antaa käyttäjien valita juuri heidän tarpeisiinsa parhaiten sopivan verkkoratkaisun.

CNI-lisäosat ovat vastuussa seuraavista tehtävistä:

Verkkoresurssien jakaminen: IP-osoitteiden ja muiden verkkoparametrien osoittaminen podeille.
Kontin verkon konfigurointi: Verkkoliitäntöjen asettaminen kontin sisällä.
Konttien yhdistäminen verkkoon: Konttien integroiminen osaksi koko Kubernetes-verkkoa.
Verkkoresurssien siivoaminen: Resurssien vapauttaminen, kun podit lopetetaan.

Miten CNI-lisäosat toimivat

Kun Kubernetesissa luodaan uusi podi, kubelet (kullakin solmulla toimiva agentti) kutsuu CNI-lisäosaa konfiguroimaan podin verkon. Prosessi sisältää tyypillisesti seuraavat vaiheet:

Kubelet vastaanottaa pyynnön luoda podi.
Kubelet päättää klusterin konfiguraation perusteella, mitä CNI-lisäosaa käytetään.
Kubelet kutsuu CNI-lisäosaa ja antaa sille tietoja podista, kuten sen nimitilan, nimen ja tunnisteet.
CNI-lisäosa jakaa podille IP-osoitteen ennalta määritellystä IP-osoitealueesta.
CNI-lisäosa luo virtuaalisen verkkoliitännän (veth-parin) isäntäsolmulle. Veth-parin toinen pää liitetään podin verkkonimitilaan ja toinen pää jää isännän verkkonimitilaan.
CNI-lisäosa konfiguroi podin verkkonimitilan asettaen IP-osoitteen, yhdyskäytävän ja reitit.
CNI-lisäosa päivittää isäntäsolmun reititystaulut varmistaakseen, että liikenne podiin ja podista reititetään oikein.

Suositut CNI-lisäosat

Saatavilla on useita CNI-lisäosia, joilla kullakin on omat ominaisuutensa, etunsa ja haittansa. Tässä on joitakin suosituimmista CNI-lisäosista:

Calico

Yleiskatsaus: Calico on laajalti käytetty CNI-lisäosa, joka tarjoaa skaalautuvan ja turvallisen verkkoratkaisun Kubernetesille. Se tukee sekä overlay- että non-overlay-verkkoratkaisuja ja tarjoaa edistyneitä verkkokäytäntöominaisuuksia.

Avainominaisuudet:

Verkkokäytäntö: Calicon verkkokäytäntömoottori antaa sinun määrittää hienojakoisia pääsynvalvontasääntöjä podeille. Nämä käytännöt voivat perustua podien tunnisteisiin, nimitiloihin ja muihin kriteereihin.
BGP-reititys: Calico voi käyttää BGP-protokollaa (Border Gateway Protocol) podien IP-osoitteiden mainostamiseen alla olevalle verkkoinfrastruktuurille. Tämä poistaa overlay-verkkojen tarpeen ja parantaa suorituskykyä.
IP-osoitteiden hallinta (IPAM): Calico sisältää oman IPAM-järjestelmänsä, joka jakaa automaattisesti IP-osoitteita podeille.
Salaus: Calico tukee verkkoliikenteen salausta WireGuardilla tai IPsecillä.

Esimerkkikäyttötapaus: Rahoituslaitos käyttää Calicoa tiukkojen turvallisuuskäytäntöjen toimeenpanemiseksi eri mikropalveluiden välillä Kubernetes-klusterissaan. Esimerkiksi estämällä suoran viestinnän frontend- ja tietokantapodien välillä ja pakottamalla kaiken tietokantayhteyden kulkemaan erillisen API-kerroksen kautta.

Flannel

Yleiskatsaus: Flannel on yksinkertainen ja kevyt CNI-lisäosa, joka luo overlay-verkon Kubernetesille. Se on helppo asentaa ja konfiguroida, mikä tekee siitä suositun valinnan pienempiin käyttöönottoihin tai käyttäjille, jotka ovat uusia Kubernetes-verkotuksen parissa.

Avainominaisuudet:

Overlay-verkko: Flannel luo virtuaalisen verkon olemassa olevan verkkoinfrastruktuurin päälle. Podit kommunikoivat keskenään tämän overlay-verkon kautta.
Yksinkertainen konfigurointi: Flannel on helppo konfiguroida ja vaatii minimaalisen asennuksen.
Useita taustajärjestelmiä: Flannel tukee erilaisia taustajärjestelmiä overlay-verkolle, mukaan lukien VXLAN, host-gw ja UDP.

Esimerkkikäyttötapaus: Startup-yritys käyttää Flannelia ensimmäisessä Kubernetes-käyttöönotossaan sen yksinkertaisuuden ja helpon konfiguroinnin vuoksi. He priorisoivat sovelluksensa nopean käynnistämisen edistyneiden verkko-ominaisuuksien sijaan.

Weave Net

Yleiskatsaus: Weave Net on toinen suosittu CNI-lisäosa, joka luo overlay-verkon Kubernetesille. Se tarjoaa useita ominaisuuksia, kuten automaattisen IP-osoitteiden hallinnan, verkkokäytännöt ja salauksen.

Avainominaisuudet:

Automaattinen IP-osoitteiden hallinta: Weave Net jakaa automaattisesti IP-osoitteita podeille ja hallinnoi IP-osoitealuetta.
Verkkokäytäntö: Weave Net antaa sinun määrittää verkkokäytäntöjä podien välisen liikenteen hallitsemiseksi.
Salaus: Weave Net tukee verkkoliikenteen salausta AES-GCM:llä.
Palvelujen löytäminen: Weave Net tarjoaa sisäänrakennetun palvelujen löytämisen, jonka avulla podit voivat helposti löytää toisensa ja yhdistää toisiinsa.

Esimerkkikäyttötapaus: Ohjelmistokehitysyritys käyttää Weave Netiä kehitys- ja testausympäristöissään. Automaattinen IP-osoitteiden hallinta ja palvelujen löytämisominaisuudet yksinkertaistavat sovellusten käyttöönottoa ja hallintaa näissä ympäristöissä.

Cilium

Yleiskatsaus: Cilium on CNI-lisäosa, joka hyödyntää eBPF:ää (extended Berkeley Packet Filter) tarjotakseen korkean suorituskyvyn verkotuksen ja turvallisuuden Kubernetesille. Se tarjoaa edistyneitä ominaisuuksia, kuten verkkokäytännöt, kuormituksen tasauksen ja havaittavuuden.

Avainominaisuudet:

eBPF-pohjainen verkotus: Cilium käyttää eBPF:ää verkotus- ja turvallisuuskäytäntöjen toteuttamiseen kernel-tasolla. Tämä tarjoaa korkean suorituskyvyn ja vähäisen kuormituksen.
Verkkokäytäntö: Cilium tukee edistyneitä verkkokäytäntöominaisuuksia, mukaan lukien L7-tason käytäntöjen toimeenpanon.
Kuormituksen tasaus: Cilium tarjoaa sisäänrakennetun kuormituksen tasauksen Kubernetes-palveluille.
Havaittavuus: Cilium tarjoaa yksityiskohtaista tietoa verkkoliikenteestä, mikä mahdollistaa verkko-ongelmien seurannan ja vianmäärityksen.

Esimerkkikäyttötapaus: Suuri verkkokauppayritys käyttää Ciliumia suurten liikennemäärien käsittelyyn ja tiukkojen turvallisuuskäytäntöjen toimeenpanoon. eBPF-pohjainen verkotus ja kuormituksen tasausominaisuudet takaavat optimaalisen suorituskyvyn, kun taas edistyneet verkkokäytäntöominaisuudet suojaavat mahdollisilta uhilta.

Oikean CNI-lisäosan valinta

Sopivan CNI-lisäosan valinta riippuu Kubernetes-ympäristösi erityisvaatimuksista. Harkitse seuraavia tekijöitä:

Skaalautuvuus: Kestääkö CNI-lisäosa odotetun podien ja solmujen määrän klusterissasi?
Turvallisuus: Tarjoaako CNI-lisäosa tarvittavat turvallisuusominaisuudet, kuten verkkokäytännöt ja salauksen?
Suorituskyky: Tarjoaako CNI-lisäosa riittävän suorituskyvyn sovelluksillesi?
Helppokäyttöisyys: Kuinka helppo CNI-lisäosa on asentaa, konfiguroida ja ylläpitää?
Ominaisuudet: Tarjoaako CNI-lisäosa tarvitsemasi ominaisuudet, kuten IP-osoitteiden hallinnan, palvelujen löytämisen ja havaittavuuden?
Yhteisön tuki: Onko CNI-lisäosaa aktiivisesti ylläpidetty ja tuetaanko sitä vahvan yhteisön toimesta?

Yksinkertaisiin käyttöönottoihin Flannel saattaa riittää. Monimutkaisemmissa ympäristöissä, joissa on tiukat turvallisuusvaatimukset, Calico tai Cilium voivat olla parempia valintoja. Weave Net tarjoaa hyvän tasapainon ominaisuuksien ja helppokäyttöisyyden välillä. Arvioi erityistarpeesi ja valitse CNI-lisäosa, joka sopii parhaiten vaatimuksiisi.

CNI-lisäosien konfigurointi

CNI-lisäosat konfiguroidaan tyypillisesti CNI-konfiguraatiotiedostolla, joka on JSON-tiedosto, joka määrittää lisäosan asetukset. CNI-konfiguraatiotiedoston sijainti määritetään kubeletin --cni-conf-dir-lipulla. Oletuksena tämä lippu on asetettu arvoon /etc/cni/net.d.

CNI-konfiguraatiotiedosto sisältää seuraavat tiedot:

cniVersion: CNI-määrittelyn versio.
name: Verkon nimi.
type: Käytettävän CNI-lisäosan nimi.
capabilities: Luettelo lisäosan tukemista ominaisuuksista.
ipam: IP-osoitteiden hallinnan konfiguraatio.
plugins: (Valinnainen) Luettelo lisättävistä CNI-lisäosista.

Tässä on esimerkki CNI-konfiguraatiotiedostosta Flannelille:

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

Tämä konfiguraatiotiedosto kertoo Kubernetesille, että se käyttää Flannel CNI-lisäosaa luodakseen verkon nimeltä "mynet". delegate-osio määrittää lisäkonfiguraatioasetuksia Flannel-lisäosalle.

Erityiset konfiguraatioasetukset vaihtelevat käytettävän CNI-lisäosan mukaan. Katso valitsemasi CNI-lisäosan dokumentaatiosta yksityiskohtaisia tietoja saatavilla olevista konfiguraatioasetuksista.

CNI-lisäosien parhaat käytännöt

Noudata näitä parhaita käytäntöjä varmistaaksesi kestävän ja skaalautuvan Kubernetes-verkkoympäristön:

Valitse oikea CNI-lisäosa: Valitse CNI-lisäosa, joka sopii parhaiten erityisvaatimuksiisi, ottaen huomioon tekijöitä kuten skaalautuvuus, turvallisuus, suorituskyky ja helppokäyttöisyys.
Käytä verkkokäytäntöjä: Toteuta verkkokäytäntöjä podien välisen liikenteen hallitsemiseksi ja turvallisuusrajojen toimeenpanemiseksi.
Seuraa verkon suorituskykyä: Käytä seurantatyökaluja verkon suorituskyvyn seuraamiseen ja mahdollisten ongelmien tunnistamiseen.
Pidä CNI-lisäosat ajan tasalla: Päivitä CNI-lisäosasi säännöllisesti hyötyäksesi virheenkorjauksista, tietoturvakorjauksista ja uusista ominaisuuksista.
Käytä erillistä IP-osoitealuetta: Varaa erillinen IP-osoitealue Kubernetes-podeillesi välttääksesi ristiriitoja muiden verkkojen kanssa.
Suunnittele skaalautuvuutta varten: Suunnittele verkkoinfrastruktuurisi tulevaa kasvua varten ja varmista, että CNI-lisäosasi pystyy käsittelemään kasvavan podien ja solmujen määrän.

CNI-lisäosien vianmääritys

Verkko-ongelmat voivat olla monimutkaisia ja haastavia selvittää. Tässä on joitakin yleisiä ongelmia ja miten niitä lähestyä:

Podi ei voi yhdistää muihin podeihin:
- Tarkista verkkokäytännöt: Varmista, että verkkokäytännöt eivät estä liikennettä.
- Vahvista reititystaulut: Varmista, että isäntäsolmujen reititystaulut on konfiguroitu oikein.
- Tarkista DNS-nimenselvitys: Varmista, että DNS-nimenselvitys toimii oikein klusterin sisällä.
- Tarkasta CNI-lokit: Tutki CNI-lisäosan lokeja mahdollisten virheiden tai varoitusten varalta.
Podi ei voi yhdistää ulkoisiin palveluihin:
- Tarkista lähtevän liikenteen säännöt: Varmista, että lähtevän liikenteen säännöt on konfiguroitu oikein sallimaan liikenne ulkoisiin palveluihin.
- Vahvista DNS-nimenselvitys: Varmista, että DNS-nimenselvitys toimii oikein ulkoisille verkkotunnuksille.
- Tarkista palomuurisäännöt: Varmista, että palomuurisäännöt eivät estä liikennettä.
Verkon suorituskykyongelmat:
- Seuraa verkkoliikennettä: Käytä seurantatyökaluja verkkoliikenteen seuraamiseen ja pullonkaulojen tunnistamiseen.
- Tarkista verkon viive: Mittaa verkon viive podien ja solmujen välillä.
- Optimoi verkkokonfiguraatio: Optimoi verkkokonfiguraatio suorituskyvyn parantamiseksi.

CNI ja palveluverkot

Vaikka CNI-lisäosat hoitavat perus pod-verkotuksen, palveluverkot tarjoavat lisäkerroksen toiminnallisuutta mikropalvelujen hallintaan ja turvaamiseen. Palveluverkot, kuten Istio, Linkerd ja Consul Connect, toimivat yhdessä CNI-lisäosien kanssa tarjotakseen ominaisuuksia kuten:

Liikenteen hallinta: Reititys, kuormituksen tasaus ja liikenteen muotoilu.
Turvallisuus: Keskinäinen TLS-todennus, valtuutus ja salaus.
Havaittavuus: Mittarit, jäljitys ja lokitiedot.

Palveluverkot tyypillisesti lisäävät jokaiseen podiin sidecar-proxyn, joka sieppaa kaiken verkkoliikenteen ja soveltaa palveluverkon käytäntöjä. CNI-lisäosa on vastuussa sidecar-proxyn perusverkkoyhteyden luomisesta, kun taas palveluverkko hoitaa edistyneemmät liikenteenhallinta- ja turvallisuusominaisuudet. Harkitse palveluverkkoja monimutkaisissa mikropalveluarkkitehtuureissa parantaaksesi turvallisuutta, havaittavuutta ja hallintaa.

Kubernetes-verkotuksen tulevaisuus

Kubernetes-verkotus kehittyy jatkuvasti, ja uusia teknologioita ja ominaisuuksia syntyy koko ajan. Joitakin keskeisiä suuntauksia Kubernetes-verkotuksessa ovat:

eBPF: eBPF:stä on tulossa yhä suositumpi tapa toteuttaa verkotus- ja turvallisuuskäytäntöjä Kubernetesissa sen korkean suorituskyvyn ja vähäisen kuormituksen ansiosta.
Palveluverkkojen integraatio: Tiiviimmän integraation CNI-lisäosien ja palveluverkkojen välillä odotetaan yksinkertaistavan entisestään mikropalvelujen hallintaa ja turvallisuutta.
Moniklusteriverkotus: Kun organisaatiot omaksuvat yhä enemmän moniklusteriarkkitehtuureja, ratkaisut verkkojen yhdistämiseen ja hallintaan useiden Kubernetes-klustereiden välillä tulevat yhä tärkeämmiksi.
Pilvinatiivit verkkofunktiot (CNF): Kubernetesin käyttö verkkofunktioiden käyttöönotossa ja hallinnassa on yleistymässä, mikä johtuu 5G:n ja muiden edistyneiden verkkoteknologioiden käyttöönotosta.

Yhteenveto

CNI-lisäosien ymmärtäminen on olennaista kestävien ja skaalautuvien Kubernetes-ympäristöjen rakentamisessa ja hallinnassa. Valitsemalla oikean CNI-lisäosan, konfiguroimalla sen oikein ja noudattamalla parhaita käytäntöjä voit varmistaa, että Kubernetes-sovelluksillasi on tarvittava verkkoyhteys ja turvallisuus menestyäkseen. Kun Kubernetes-verkotus jatkaa kehittymistään, ajan tasalla pysyminen uusimmista trendeistä ja teknologioista on ratkaisevan tärkeää tämän tehokkaan konttien orkestrointialustan etujen maksimoimiseksi. Pienistä käyttöönotoista suuriin, useita mantereita kattaviin yritysympäristöihin, CNI-lisäosien hallitseminen avaa Kubernetes-verkotuksen todellisen potentiaalin.