Réseau Kubernetes : Une Plongée en Profondeur dans les Plugins CNI

Kubernetes a révolutionné l'orchestration de conteneurs, permettant le déploiement et la gestion d'applications à grande échelle. Au cœur du réseau Kubernetes se trouve l'Interface Réseau de Conteneur (CNI), une interface standard qui permet à Kubernetes de fonctionner avec une variété de solutions réseau. Comprendre les plugins CNI est crucial pour construire des environnements Kubernetes robustes et évolutifs. Ce guide complet explorera en détail les plugins CNI, couvrant leur rôle, les options populaires, la configuration et les meilleures pratiques.

Qu'est-ce que l'Interface Réseau de Conteneur (CNI) ?

L'Interface Réseau de Conteneur (CNI) est une spécification développée par la Cloud Native Computing Foundation (CNCF) pour configurer les interfaces réseau pour les conteneurs Linux. Elle fournit une API standard qui permet à Kubernetes d'interagir avec différents fournisseurs de réseau. Cette standardisation rend Kubernetes très flexible et permet aux utilisateurs de choisir la solution réseau qui correspond le mieux à leurs besoins.

Les plugins CNI sont responsables des tâches suivantes :

Allouer les ressources réseau : Attribuer des adresses IP et d'autres paramètres réseau aux pods.
Configurer le réseau du conteneur : Mettre en place les interfaces réseau à l'intérieur du conteneur.
Connecter les conteneurs au réseau : Intégrer les conteneurs dans le réseau global de Kubernetes.
Nettoyer les ressources réseau : Libérer les ressources lorsque les pods sont terminés.

Comment fonctionnent les plugins CNI

Lorsqu'un nouveau pod est créé dans Kubernetes, le kubelet (l'agent qui s'exécute sur chaque nœud) invoque le plugin CNI pour configurer le réseau du pod. Le processus implique généralement les étapes suivantes :

Le kubelet reçoit une demande de création de pod.
Le kubelet détermine quel plugin CNI utiliser en fonction de la configuration du cluster.
Le kubelet appelle le plugin CNI, en fournissant des informations sur le pod, telles que son espace de noms, son nom et ses étiquettes.
Le plugin CNI alloue une adresse IP pour le pod à partir d'une plage d'adresses IP prédéfinie.
Le plugin CNI crée une interface réseau virtuelle (paire veth) sur le nœud hôte. Une extrémité de la paire veth est attachée à l'espace de noms réseau du pod, et l'autre extrémité reste dans l'espace de noms réseau de l'hôte.
Le plugin CNI configure l'espace de noms réseau du pod, en définissant l'adresse IP, la passerelle et les routes.
Le plugin CNI met à jour les tables de routage sur le nœud hôte pour s'assurer que le trafic à destination et en provenance du pod est correctement acheminé.

Plugins CNI populaires

Plusieurs plugins CNI sont disponibles, chacun avec ses propres fonctionnalités, avantages et inconvénients. Voici quelques-uns des plugins CNI les plus populaires :

Calico

Aperçu : Calico est un plugin CNI largement utilisé qui fournit une solution réseau évolutive et sécurisée pour Kubernetes. Il prend en charge les modèles de réseau en superposition (overlay) et sans superposition et offre des fonctionnalités avancées de politique réseau.

Caractéristiques principales :

Politique réseau : Le moteur de politique réseau de Calico vous permet de définir des règles de contrôle d'accès granulaires pour les pods. Ces politiques peuvent être basées sur les étiquettes des pods, les espaces de noms et d'autres critères.
Routage BGP : Calico peut utiliser le protocole BGP (Border Gateway Protocol) pour annoncer les adresses IP des pods à l'infrastructure réseau sous-jacente. Cela élimine le besoin de réseaux en superposition et améliore les performances.
Gestion des adresses IP (IPAM) : Calico inclut son propre système IPAM, qui alloue automatiquement les adresses IP aux pods.
Chiffrement : Calico prend en charge le chiffrement du trafic réseau à l'aide de WireGuard ou IPsec.

Exemple de cas d'utilisation : Une institution financière utilisant Calico pour appliquer des politiques de sécurité strictes entre différents microservices au sein de son cluster Kubernetes. Par exemple, empêcher la communication directe entre les pods front-end et de base de données, en forçant tout accès à la base de données via une couche API dédiée.

Flannel

Aperçu : Flannel est un plugin CNI simple et léger qui crée un réseau en superposition pour Kubernetes. Il est facile à installer et à configurer, ce qui en fait un choix populaire pour les déploiements plus petits ou pour les utilisateurs qui découvrent le réseau Kubernetes.

Caractéristiques principales :

Réseau en superposition : Flannel crée un réseau virtuel par-dessus l'infrastructure réseau existante. Les pods communiquent entre eux via ce réseau en superposition.
Configuration simple : Flannel est facile à configurer et ne nécessite qu'une configuration minimale.
Plusieurs backends : Flannel prend en charge différents backends pour le réseau en superposition, notamment VXLAN, host-gw et UDP.

Exemple de cas d'utilisation : Une startup utilisant Flannel pour son déploiement Kubernetes initial en raison de sa simplicité et de sa facilité de configuration. Ils privilégient la mise en service rapide de leur application par rapport aux fonctionnalités réseau avancées.

Weave Net

Aperçu : Weave Net est un autre plugin CNI populaire qui crée un réseau en superposition pour Kubernetes. Il offre une gamme de fonctionnalités, notamment la gestion automatique des adresses IP, la politique réseau et le chiffrement.

Caractéristiques principales :

Gestion automatique des adresses IP : Weave Net attribue automatiquement des adresses IP aux pods et gère la plage d'adresses IP.
Politique réseau : Weave Net vous permet de définir des politiques réseau pour contrôler le trafic entre les pods.
Chiffrement : Weave Net prend en charge le chiffrement du trafic réseau à l'aide d'AES-GCM.
Découverte de services : Weave Net fournit une découverte de services intégrée, permettant aux pods de se trouver et de se connecter facilement les uns aux autres.

Exemple de cas d'utilisation : Une société de développement de logiciels utilisant Weave Net pour ses environnements de développement et de test. La gestion automatique des adresses IP et les fonctionnalités de découverte de services simplifient le déploiement et la gestion des applications dans ces environnements.

Cilium

Aperçu : Cilium est un plugin CNI qui s'appuie sur eBPF (extended Berkeley Packet Filter) pour fournir un réseau et une sécurité haute performance pour Kubernetes. Il offre des fonctionnalités avancées telles que la politique réseau, l'équilibrage de charge et l'observabilité.

Caractéristiques principales :

Réseau basé sur eBPF : Cilium utilise eBPF pour mettre en œuvre les politiques de réseau et de sécurité au niveau du noyau. Cela offre des performances élevées et une faible surcharge.
Politique réseau : Cilium prend en charge des fonctionnalités avancées de politique réseau, y compris l'application de politiques de niveau 7 (L7).
Équilibrage de charge : Cilium fournit un équilibrage de charge intégré pour les services Kubernetes.
Observabilité : Cilium fournit une observabilité détaillée du trafic réseau, vous permettant de surveiller et de dépanner les problèmes de réseau.

Exemple de cas d'utilisation : Une grande entreprise de commerce électronique utilisant Cilium pour gérer des volumes de trafic élevés et appliquer des politiques de sécurité strictes. Les capacités de réseau et d'équilibrage de charge basées sur eBPF garantissent des performances optimales, tandis que les fonctionnalités avancées de politique réseau protègent contre les menaces potentielles.

Choisir le bon plugin CNI

La sélection du plugin CNI approprié dépend des exigences spécifiques de votre environnement Kubernetes. Considérez les facteurs suivants :

Évolutivité : Le plugin CNI peut-il gérer le nombre attendu de pods et de nœuds dans votre cluster ?
Sécurité : Le plugin CNI fournit-il les fonctionnalités de sécurité nécessaires, telles que la politique réseau et le chiffrement ?
Performance : Le plugin CNI offre-t-il des performances acceptables pour vos applications ?
Facilité d'utilisation : Le plugin CNI est-il facile à installer, à configurer et à maintenir ?
Fonctionnalités : Le plugin CNI fournit-il les fonctionnalités dont vous avez besoin, telles que la gestion des adresses IP, la découverte de services et l'observabilité ?
Support communautaire : Le plugin CNI est-il activement maintenu et soutenu par une forte communauté ?

Pour les déploiements simples, Flannel peut être suffisant. Pour les environnements plus complexes avec des exigences de sécurité strictes, Calico ou Cilium pourraient être de meilleurs choix. Weave Net offre un bon équilibre entre fonctionnalités et facilité d'utilisation. Évaluez vos besoins spécifiques et choisissez le plugin CNI qui correspond le mieux à vos exigences.

Configurer les plugins CNI

Les plugins CNI sont généralement configurés à l'aide d'un fichier de configuration CNI, qui est un fichier JSON spécifiant les paramètres du plugin. L'emplacement du fichier de configuration CNI est déterminé par l'indicateur --cni-conf-dir du kubelet. Par défaut, cet indicateur est défini sur /etc/cni/net.d.

Le fichier de configuration CNI contient les informations suivantes :

cniVersion : La version de la spécification CNI.
name : Le nom du réseau.
type : Le nom du plugin CNI à utiliser.
capabilities : Une liste des capacités prises en charge par le plugin.
ipam : Configuration pour la gestion des adresses IP.
plugins : (Facultatif) Une liste de plugins CNI supplémentaires à exécuter.

Voici un exemple de fichier de configuration CNI pour Flannel :

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

Ce fichier de configuration indique à Kubernetes d'utiliser le plugin CNI Flannel pour créer un réseau nommé "mynet". La section delegate spécifie des options de configuration supplémentaires pour le plugin Flannel.

Les options de configuration spécifiques varient en fonction du plugin CNI utilisé. Consultez la documentation de votre plugin CNI choisi pour des informations détaillées sur les options de configuration disponibles.

Bonnes pratiques pour les plugins CNI

Suivez ces bonnes pratiques pour garantir un environnement réseau Kubernetes robuste et évolutif :

Choisissez le bon plugin CNI : Sélectionnez le plugin CNI qui correspond le mieux à vos exigences spécifiques, en tenant compte de facteurs tels que l'évolutivité, la sécurité, les performances et la facilité d'utilisation.
Utilisez des politiques réseau : Mettez en œuvre des politiques réseau pour contrôler le trafic entre les pods et renforcer les frontières de sécurité.
Surveillez les performances du réseau : Utilisez des outils de surveillance pour suivre les performances du réseau et identifier les problèmes potentiels.
Maintenez les plugins CNI à jour : Mettez régulièrement à jour vos plugins CNI pour bénéficier des corrections de bogues, des correctifs de sécurité et des nouvelles fonctionnalités.
Utilisez une plage d'adresses IP dédiée : Allouez une plage d'adresses IP dédiée à vos pods Kubernetes pour éviter les conflits avec d'autres réseaux.
Planifiez l'évolutivité : Concevez votre infrastructure réseau pour accueillir la croissance future et assurez-vous que votre plugin CNI peut gérer le nombre croissant de pods et de nœuds.

Dépannage des plugins CNI

Les problèmes de réseau peuvent être complexes et difficiles à dépanner. Voici quelques problèmes courants et comment les aborder :

Le pod ne peut pas se connecter à d'autres pods :
- Vérifiez les politiques réseau : Assurez-vous que les politiques réseau ne bloquent pas le trafic.
- Vérifiez les tables de routage : Vérifiez que les tables de routage sur les nœuds hôtes sont correctement configurées.
- Vérifiez la résolution DNS : Assurez-vous que la résolution DNS fonctionne correctement au sein du cluster.
- Inspectez les journaux CNI : Examinez les journaux du plugin CNI pour toute erreur ou avertissement.
Le pod ne peut pas se connecter aux services externes :
- Vérifiez les règles de sortie (egress) : Assurez-vous que les règles de sortie sont correctement configurées pour autoriser le trafic vers les services externes.
- Vérifiez la résolution DNS : Assurez-vous que la résolution DNS fonctionne correctement pour les domaines externes.
- Vérifiez les règles de pare-feu : Vérifiez que les règles de pare-feu ne bloquent pas le trafic.
Problèmes de performance réseau :
- Surveillez le trafic réseau : Utilisez des outils de surveillance pour suivre le trafic réseau et identifier les goulots d'étranglement.
- Vérifiez la latence du réseau : Mesurez la latence du réseau entre les pods et les nœuds.
- Optimisez la configuration réseau : Optimisez la configuration réseau pour améliorer les performances.

CNI et maillages de services

Alors que les plugins CNI gèrent la mise en réseau de base des pods, les maillages de services (service meshes) fournissent une couche supplémentaire de fonctionnalités pour la gestion et la sécurisation des microservices. Les maillages de services comme Istio, Linkerd et Consul Connect fonctionnent en conjonction avec les plugins CNI pour fournir des fonctionnalités telles que :

Gestion du trafic : Routage, équilibrage de charge et modelage du trafic.
Sécurité : Authentification mutuelle TLS, autorisation et chiffrement.
Observabilité : Métriques, traçage et journalisation.

Les maillages de services injectent généralement un proxy sidecar dans chaque pod, qui intercepte tout le trafic réseau et applique les politiques du maillage de services. Le plugin CNI est responsable de la mise en place de la connectivité réseau de base pour le proxy sidecar, tandis que le maillage de services gère les fonctionnalités plus avancées de gestion du trafic et de sécurité. Envisagez les maillages de services pour les architectures de microservices complexes afin d'améliorer la sécurité, l'observabilité et le contrôle.

L'avenir du réseau Kubernetes

Le réseau Kubernetes est en constante évolution, avec de nouvelles technologies et fonctionnalités qui émergent sans cesse. Certaines des tendances clés dans le réseau Kubernetes incluent :

eBPF : eBPF devient de plus en plus populaire pour la mise en œuvre de politiques de réseau et de sécurité dans Kubernetes en raison de ses hautes performances et de sa faible surcharge.
Intégration du maillage de services : Une intégration plus étroite entre les plugins CNI et les maillages de services devrait simplifier davantage la gestion et la sécurité des microservices.
Réseau multi-cluster : À mesure que les organisations adoptent de plus en plus d'architectures multi-clusters, les solutions pour connecter et gérer les réseaux sur plusieurs clusters Kubernetes deviennent plus importantes.
Fonctions réseau natives du cloud (CNF) : L'utilisation de Kubernetes pour déployer et gérer des fonctions réseau gagne du terrain, tirée par l'adoption de la 5G et d'autres technologies réseau avancées.

Conclusion

Comprendre les plugins CNI est essentiel pour construire et gérer des environnements Kubernetes robustes et évolutifs. En choisissant le bon plugin CNI, en le configurant correctement et en suivant les meilleures pratiques, vous pouvez vous assurer que vos applications Kubernetes disposent de la connectivité réseau et de la sécurité nécessaires pour réussir. Alors que le réseau Kubernetes continue d'évoluer, rester informé des dernières tendances et technologies sera crucial pour maximiser les avantages de cette puissante plateforme d'orchestration de conteneurs. Des déploiements à petite échelle aux grands environnements d'entreprise s'étendant sur plusieurs continents, la maîtrise des plugins CNI libère le véritable potentiel du réseau Kubernetes.