Kubernetesネットワーキング: CNIプラグインの深掘り

Kubernetesはコンテナオーケストレーションに革命をもたらし、大規模なアプリケーションのデプロイと管理を可能にしました。Kubernetesネットワーキングの中心にあるのがContainer Network Interface (CNI)です。これは、Kubernetesがさまざまなネットワーキングソリューションと連携できるようにする標準インターフェースです。CNIプラグインを理解することは、堅牢でスケーラブルなKubernetes環境を構築するために不可欠です。この包括的なガイドでは、CNIプラグインの役割、人気のオプション、設定、ベストプラクティスについて詳しく探ります。

Container Network Interface (CNI)とは？

Container Network Interface (CNI)は、Cloud Native Computing Foundation (CNCF)によって開発された、Linuxコンテナ用のネットワークインターフェースを設定するための仕様です。これは、Kubernetesが異なるネットワークプロバイダーと対話するための標準APIを提供します。この標準化により、Kubernetesは非常に柔軟になり、ユーザーは自分のニーズに最適なネットワーキングソリューションを選択できます。

CNIプラグインは、以下のタスクを担当します:

• ネットワークリソースの割り当て: ポッドにIPアドレスやその他のネットワークパラメータを割り当てる。
• コンテナネットワークの設定: コンテナ内にネットワークインターフェースをセットアップする。
• コンテナのネットワークへの接続: コンテナをKubernetesネットワーク全体に統合する。
• ネットワークリソースのクリーンアップ: ポッドが終了したときにリソースを解放する。

CNIプラグインの仕組み

Kubernetesで新しいポッドが作成されると、kubelet（各ノードで実行されるエージェント）がCNIプラグインを呼び出してポッドのネットワークを設定します。このプロセスは通常、以下の手順を含みます:

1. kubeletがポッド作成のリクエストを受け取ります。
2. kubeletはクラスター設定に基づいて使用するCNIプラグインを決定します。
3. kubeletはCNIプラグインを呼び出し、ポッドの名前空間、名前、ラベルなどの情報を提供します。
4. CNIプラグインは、事前定義されたIPアドレス範囲からポッドのIPアドレスを割り当てます。
5. CNIプラグインは、ホストノード上に仮想ネットワークインターフェース（vethペア）を作成します。vethペアの一方の端はポッドのネットワーク名前空間にアタッチされ、もう一方の端はホストのネットワーク名前空間に残ります。
6. CNIプラグインは、ポッドのネットワーク名前空間を設定し、IPアドレス、ゲートウェイ、ルートをセットアップします。
7. CNIプラグインは、ポッドとの間のトラフィックが正しくルーティングされるように、ホストノードのルーティングテーブルを更新します。

人気のCNIプラグイン

いくつかのCNIプラグインが利用可能で、それぞれに独自の特徴、利点、欠点があります。以下は、最も人気のあるCNIプラグインのいくつかです:

Calico

概要: Calicoは広く使用されているCNIプラグインで、Kubernetesにスケーラブルでセキュアなネットワーキングソリューションを提供します。オーバーレイと非オーバーレイの両方のネットワーキングモデルをサポートし、高度なネットワークポリシー機能を提供します。

主な特徴:

• ネットワークポリシー: Calicoのネットワークポリシーエンジンにより、ポッドに対してきめ細かいアクセスコントロールルールを定義できます。これらのポリシーは、ポッドのラベル、名前空間、その他の基準に基づいています。
• BGPルーティング: CalicoはBGP（Border Gateway Protocol）を使用して、ポッドのIPアドレスを基盤となるネットワークインフラストラクチャにアドバタイズできます。これにより、オーバーレイネットワークの必要がなくなり、パフォーマンスが向上します。
• IPアドレス管理（IPAM）: Calicoには独自のIPAMシステムが含まれており、ポッドにIPアドレスを自動的に割り当てます。
• 暗号化: CalicoはWireGuardまたはIPsecを使用したネットワークトラフィックの暗号化をサポートしています。

使用例: 金融機関がCalicoを使用して、Kubernetesクラスター内の異なるマイクロサービス間で厳格なセキュリティポリシーを強制する場合。例えば、フロントエンドとデータベースポッド間の直接通信を防ぎ、すべてのデータベースアクセスを専用のAPIレイヤー経由で強制します。

Flannel

概要: Flannelは、Kubernetes用のオーバーレイネットワークを作成する、シンプルで軽量なCNIプラグインです。セットアップと設定が簡単であるため、小規模なデプロイメントやKubernetesネットワーキングの初心者にとって人気のある選択肢です。

主な特徴:

• オーバーレイネットワーク: Flannelは、既存のネットワークインフラストラクチャの上に仮想ネットワークを作成します。ポッドはこのオーバーレイネットワークを介して相互に通信します。
• シンプルな設定: Flannelは設定が簡単で、最小限のセットアップしか必要ありません。
• 複数のバックエンド: Flannelは、VXLAN、host-gw、UDPなど、オーバーレイネットワーク用にさまざまなバックエンドをサポートしています。

使用例: スタートアップ企業が、そのシンプルさと設定の容易さから、初期のKubernetesデプロイメントにFlannelを使用する場合。彼らは高度なネットワーキング機能よりも、アプリケーションを迅速に稼働させることを優先します。

Weave Net

概要: Weave Netも、Kubernetes用のオーバーレイネットワークを作成する人気のCNIプラグインです。自動IPアドレス管理、ネットワークポリシー、暗号化など、さまざまな機能を提供します。

主な特徴:

• 自動IPアドレス管理: Weave NetはポッドにIPアドレスを自動的に割り当て、IPアドレス範囲を管理します。
• ネットワークポリシー: Weave Netを使用すると、ネットワークポリシーを定義してポッド間のトラフィックを制御できます。
• 暗号化: Weave NetはAES-GCMを使用したネットワークトラフィックの暗号化をサポートしています。
• サービスディスカバリ: Weave Netは組み込みのサービスディスカバリを提供し、ポッドが互いを簡単に見つけて接続できるようにします。

使用例: ソフトウェア開発会社が、開発およびテスト環境にWeave Netを使用する場合。自動IPアドレス管理とサービスディスカバリ機能により、これらの環境でのアプリケーションのデプロイと管理が簡素化されます。

Cilium

概要: Ciliumは、eBPF（extended Berkeley Packet Filter）を活用して、Kubernetesに高性能なネットワーキングとセキュリティを提供するCNIプラグインです。ネットワークポリシー、ロードバランシング、可観測性などの高度な機能を提供します。

主な特徴:

• eBPFベースのネットワーキング: CiliumはeBPFを使用して、カーネルレベルでネットワーキングとセキュリティポリシーを実装します。これにより、高いパフォーマンスと低いオーバーヘッドが実現されます。
• ネットワークポリシー: Ciliumは、L7ポリシーの強制を含む高度なネットワークポリシー機能をサポートしています。
• ロードバランシング: CiliumはKubernetesサービス用の組み込みロードバランシングを提供します。
• 可観測性: Ciliumはネットワークトラフィックに関する詳細な可観測性を提供し、ネットワークの問題を監視およびトラブルシューティングできます。

使用例: 大規模なeコマース企業が、高いトラフィック量を処理し、厳格なセキュリティポリシーを強制するためにCiliumを使用する場合。eBPFベースのネットワーキングとロードバランシング機能が最適なパフォーマンスを保証し、高度なネットワークポリシー機能が潜在的な脅威から保護します。

適切なCNIプラグインの選択

適切なCNIプラグインの選択は、Kubernetes環境の特定の要件に依存します。以下の要素を考慮してください:

• スケーラビリティ: CNIプラグインは、クラスター内の予想されるポッドとノードの数を処理できますか？
• セキュリティ: CNIプラグインは、ネットワークポリシーや暗号化など、必要なセキュリティ機能を提供しますか？
• パフォーマンス: CNIプラグインは、アプリケーションにとって許容できるパフォーマンスを提供しますか？
• 使いやすさ: CNIプラグインのセットアップ、設定、保守はどれくらい簡単ですか？
• 機能: CNIプラグインは、IPアドレス管理、サービスディスカバリ、可観測性など、必要な機能を提供しますか？
• コミュニティサポート: CNIプラグインは、強力なコミュニティによって積極的に保守およびサポートされていますか？

シンプルなデプロイメントには、Flannelで十分かもしれません。厳格なセキュリティ要件を持つより複雑な環境では、CalicoやCiliumの方が良い選択かもしれません。Weave Netは、機能と使いやすさのバランスが取れています。特定のニーズを評価し、要件に最も適したCNIプラグインを選択してください。

CNIプラグインの設定

CNIプラグインは通常、プラグインの設定を指定するJSONファイルであるCNI設定ファイルを使用して設定されます。CNI設定ファイルの場所は、kubeletの--cni-conf-dirフラグによって決定されます。デフォルトでは、このフラグは/etc/cni/net.dに設定されています。

CNI設定ファイルには、次の情報が含まれています:

• cniVersion: CNI仕様のバージョン。
• name: ネットワークの名前。
• type: 使用するCNIプラグインの名前。
• capabilities: プラグインがサポートする機能のリスト。
• ipam: IPアドレス管理の設定。
• plugins: (オプション) 実行する追加のCNIプラグインのリスト。

以下は、Flannel用のCNI設定ファイルの例です:

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

              
                Copy
              
            
          

この設定ファイルは、KubernetesにFlannel CNIプラグインを使用して「mynet」という名前のネットワークを作成するように指示します。delegateセクションは、Flannelプラグインの追加の設定オプションを指定します。

特定の設定オプションは、使用するCNIプラグインによって異なります。利用可能な設定オプションに関する詳細情報については、選択したCNIプラグインのドキュメントを参照してください。

CNIプラグインのベストプラクティス

堅牢でスケーラブルなKubernetesネットワーキング環境を確保するために、以下のベストプラクティスに従ってください:

• 適切なCNIプラグインを選択する: スケーラビリティ、セキュリティ、パフォーマンス、使いやすさなどの要素を考慮して、特定の要件に最も適したCNIプラグインを選択します。
• ネットワークポリシーを使用する: ネットワークポリシーを実装して、ポッド間のトラフィックを制御し、セキュリティ境界を強制します。
• ネットワークパフォーマンスを監視する: 監視ツールを使用してネットワークパフォーマンスを追跡し、潜在的な問題を特定します。
• CNIプラグインを最新の状態に保つ: バグ修正、セキュリティパッチ、新機能の恩恵を受けるために、CNIプラグインを定期的に更新します。
• 専用のIPアドレス範囲を使用する: 他のネットワークとの競合を避けるために、Kubernetesポッドに専用のIPアドレス範囲を割り当てます。
• スケーラビリティを計画する: 将来の成長に対応できるようにネットワークインフラストラクチャを設計し、CNIプラグインが増加するポッドとノードの数を処理できるようにします。

CNIプラグインのトラブルシューティング

ネットワーキングの問題は複雑で、トラブルシューティングが難しい場合があります。以下は、一般的な問題とその対処法です:

• ポッドが他のポッドに接続できない:
  • ネットワークポリシーを確認する: ネットワークポリシーがトラフィックをブロックしていないことを確認します。
  • ルーティングテーブルを検証する: ホストノードのルーティングテーブルが正しく設定されていることを検証します。
  • DNS解決を確認する: クラスター内でDNS解決が正しく機能していることを確認します。
  • CNIのログを調査する: CNIプラグインのログにエラーや警告がないか調べます。
• ポッドが外部サービスに接続できない:
  • Egressルールを確認する: 外部サービスへのトラフィックを許可するようにEgressルールが正しく設定されていることを確認します。
  • DNS解決を検証する: 外部ドメインのDNS解決が正しく機能していることを確認します。
  • ファイアウォールルールを確認する: ファイアウォールルールがトラフィックをブロックしていないことを確認します。
• ネットワークパフォーマンスの問題:
  • ネットワークトラフィックを監視する: 監視ツールを使用してネットワークトラフィックを追跡し、ボトルネックを特定します。
  • ネットワーク遅延を確認する: ポッドとノード間のネットワーク遅延を測定します。
  • ネットワーク設定を最適化する: パフォーマンスを向上させるためにネットワーク設定を最適化します。

CNIとサービスメッシュ

CNIプラグインが基本的なポッドネットワーキングを処理する一方で、サービスメッシュはマイクロサービスの管理と保護のための追加機能レイヤーを提供します。Istio、Linkerd、Consul Connectなどのサービスメッシュは、CNIプラグインと連携して、次のような機能を提供します:

• トラフィック管理: ルーティング、ロードバランシング、トラフィックシェーピング。
• セキュリティ: 相互TLS認証、認可、暗号化。
• 可観測性: メトリクス、トレース、ロギング。

サービスメッシュは通常、各ポッドにサイドカープロキシを注入し、すべてのネットワークトラフィックを傍受してサービスメッシュポリシーを適用します。CNIプラグインはサイドカープロキシの基本的なネットワーク接続を設定する責任があり、サービスメッシュはより高度なトラフィック管理とセキュリティ機能を処理します。複雑なマイクロサービスアーキテクチャでは、セキュリティ、可観測性、制御を強化するためにサービスメッシュを検討してください。

Kubernetesネットワーキングの未来

Kubernetesネットワーキングは常に進化しており、新しい技術や機能が次々と登場しています。Kubernetesネットワーキングの主要なトレンドには、以下のようなものがあります:

• eBPF: eBPFは、その高いパフォーマンスと低いオーバーヘッドのため、Kubernetesでネットワーキングとセキュリティポリシーを実装するためにますます人気が高まっています。
• サービスメッシュの統合: CNIプラグインとサービスメッシュのより緊密な統合により、マイクロサービスの管理とセキュリティがさらに簡素化されると期待されています。
• マルチクラスターネットワーキング: 組織がマルチクラスターアーキテクチャをますます採用するにつれて、複数のKubernetesクラスターにまたがるネットワークの接続と管理のためのソリューションがより重要になっています。
• クラウドネイティブネットワーク機能（CNF）: 5Gやその他の高度なネットワーキング技術の採用に牽引され、ネットワーク機能をデプロイおよび管理するためにKubernetesを使用することが注目を集めています。

結論

CNIプラグインを理解することは、堅牢でスケーラブルなKubernetes環境を構築・管理するために不可欠です。適切なCNIプラグインを選択し、正しく設定し、ベストプラクティスに従うことで、Kubernetesアプリケーションが必要とするネットワーク接続性とセキュリティを確保できます。Kubernetesネットワーキングが進化し続ける中で、最新のトレンドと技術について情報を得ておくことが、この強力なコンテナオーケストレーションプラットフォームの利点を最大限に活用するために重要になります。小規模なデプロイメントから、複数の大陸にまたがる大規模なエンタープライズ環境まで、CNIプラグインを習得することで、Kubernetesネットワーキングの真の可能性が解き放たれます。