Kubernetes Networking: Een Diepgaande Blik op CNI-plugins

Kubernetes heeft een revolutie teweeggebracht in containerorkestratie, waardoor de implementatie en het beheer van applicaties op schaal mogelijk wordt. De kern van Kubernetes-netwerken wordt gevormd door de Container Network Interface (CNI), een standaardinterface die Kubernetes in staat stelt te werken met een verscheidenheid aan netwerkoplossingen. Het begrijpen van CNI-plugins is cruciaal voor het bouwen van robuuste en schaalbare Kubernetes-omgevingen. Deze uitgebreide gids zal CNI-plugins in detail verkennen, inclusief hun rol, populaire opties, configuratie en best practices.

Wat is de Container Network Interface (CNI)?

De Container Network Interface (CNI) is een specificatie, ontwikkeld door de Cloud Native Computing Foundation (CNCF), voor het configureren van netwerkinterfaces voor Linux-containers. Het biedt een standaard API die Kubernetes in staat stelt te communiceren met verschillende netwerkproviders. Deze standaardisatie maakt Kubernetes zeer flexibel en stelt gebruikers in staat de netwerkoplossing te kiezen die het beste bij hun behoeften past.

CNI-plugins zijn verantwoordelijk voor de volgende taken:

Netwerkbronnen toewijzen: IP-adressen en andere netwerkparameters toewijzen aan pods.
Het containernetwerk configureren: Netwerkinterfaces binnen de container opzetten.
Containers met het netwerk verbinden: Containers integreren in het algehele Kubernetes-netwerk.
Netwerkbronnen opschonen: Bronnen vrijgeven wanneer pods worden beëindigd.

Hoe CNI-plugins Werken

Wanneer een nieuwe pod wordt aangemaakt in Kubernetes, roept de kubelet (de agent die op elke node draait) de CNI-plugin aan om het netwerk van de pod te configureren. Het proces omvat doorgaans de volgende stappen:

De kubelet ontvangt een verzoek om een pod aan te maken.
De kubelet bepaalt welke CNI-plugin moet worden gebruikt op basis van de clusterconfiguratie.
De kubelet roept de CNI-plugin aan en verstrekt informatie over de pod, zoals de namespace, naam en labels.
De CNI-plugin wijst een IP-adres toe aan de pod uit een vooraf gedefinieerd IP-adresbereik.
De CNI-plugin maakt een virtuele netwerkinterface (veth-paar) aan op de host-node. Het ene uiteinde van het veth-paar wordt gekoppeld aan de netwerk-namespace van de pod, en het andere uiteinde blijft in de netwerk-namespace van de host.
De CNI-plugin configureert de netwerk-namespace van de pod, waarbij het IP-adres, de gateway en de routes worden ingesteld.
De CNI-plugin werkt de routeringstabellen op de host-node bij om ervoor te zorgen dat verkeer van en naar de pod correct wordt gerouteerd.

Populaire CNI-plugins

Er zijn verschillende CNI-plugins beschikbaar, elk met zijn eigen functies, voordelen en nadelen. Hier zijn enkele van de meest populaire CNI-plugins:

Calico

Overzicht: Calico is een veelgebruikte CNI-plugin die een schaalbare en veilige netwerkoplossing voor Kubernetes biedt. Het ondersteunt zowel overlay- als non-overlay netwerkmodellen en biedt geavanceerde functies voor netwerkbeleid.

Belangrijkste Kenmerken:

Netwerkbeleid: Calico's engine voor netwerkbeleid stelt u in staat om fijnmazige toegangscontroleregels voor pods te definiëren. Dit beleid kan gebaseerd zijn op pod-labels, namespaces en andere criteria.
BGP-routering: Calico kan BGP (Border Gateway Protocol) gebruiken om pod-IP-adressen te adverteren naar de onderliggende netwerkinfrastructuur. Dit elimineert de noodzaak voor overlay-netwerken en verbetert de prestaties.
IP Address Management (IPAM): Calico bevat een eigen IPAM-systeem dat automatisch IP-adressen toewijst aan pods.
Versleuteling: Calico ondersteunt versleuteling van netwerkverkeer met behulp van WireGuard of IPsec.

Voorbeeldgebruik: Een financiële instelling die Calico gebruikt om strikt beveiligingsbeleid af te dwingen tussen verschillende microservices binnen haar Kubernetes-cluster. Bijvoorbeeld, het voorkomen van directe communicatie tussen de frontend- en database-pods, en het afdwingen van alle databasetoegang via een speciale API-laag.

Flannel

Overzicht: Flannel is een eenvoudige en lichtgewicht CNI-plugin die een overlay-netwerk voor Kubernetes creëert. Het is gemakkelijk op te zetten en te configureren, wat het een populaire keuze maakt voor kleinere implementaties of voor gebruikers die nieuw zijn met Kubernetes-netwerken.

Belangrijkste Kenmerken:

Overlay-netwerk: Flannel creëert een virtueel netwerk bovenop de bestaande netwerkinfrastructuur. Pods communiceren met elkaar via dit overlay-netwerk.
Eenvoudige Configuratie: Flannel is gemakkelijk te configureren en vereist minimale installatie.
Meerdere Backends: Flannel ondersteunt verschillende backends voor het overlay-netwerk, waaronder VXLAN, host-gw en UDP.

Voorbeeldgebruik: Een startup die Flannel gebruikt voor hun initiële Kubernetes-implementatie vanwege de eenvoud en het configuratiegemak. Ze geven prioriteit aan het snel operationeel krijgen van hun applicatie boven geavanceerde netwerkfuncties.

Weave Net

Overzicht: Weave Net is een andere populaire CNI-plugin die een overlay-netwerk voor Kubernetes creëert. Het biedt een reeks functies, waaronder automatisch IP-adresbeheer, netwerkbeleid en versleuteling.

Belangrijkste Kenmerken:

Automatisch IP-adresbeheer: Weave Net wijst automatisch IP-adressen toe aan pods en beheert het IP-adresbereik.
Netwerkbeleid: Weave Net stelt u in staat om netwerkbeleid te definiëren om het verkeer tussen pods te controleren.
Versleuteling: Weave Net ondersteunt de versleuteling van netwerkverkeer met AES-GCM.
Service Discovery: Weave Net biedt ingebouwde service discovery, waardoor pods elkaar gemakkelijk kunnen vinden en met elkaar kunnen verbinden.

Voorbeeldgebruik: Een softwareontwikkelingsbedrijf dat Weave Net gebruikt voor zijn ontwikkel- en testomgevingen. De functies voor automatisch IP-adresbeheer en service discovery vereenvoudigen de implementatie en het beheer van applicaties in deze omgevingen.

Cilium

Overzicht: Cilium is een CNI-plugin die gebruikmaakt van eBPF (extended Berkeley Packet Filter) om high-performance netwerken en beveiliging voor Kubernetes te bieden. Het biedt geavanceerde functies zoals netwerkbeleid, load balancing en observeerbaarheid.

Belangrijkste Kenmerken:

eBPF-gebaseerd Netwerken: Cilium gebruikt eBPF om netwerk- en beveiligingsbeleid op kernelniveau te implementeren. Dit zorgt voor hoge prestaties en lage overhead.
Netwerkbeleid: Cilium ondersteunt geavanceerde functies voor netwerkbeleid, inclusief L7-beleidshandhaving.
Load Balancing: Cilium biedt ingebouwde load balancing voor Kubernetes-services.
Observeerbaarheid: Cilium biedt gedetailleerde observeerbaarheid van netwerkverkeer, waardoor u netwerkproblemen kunt monitoren en oplossen.

Voorbeeldgebruik: Een groot e-commercebedrijf dat Cilium gebruikt om hoge verkeersvolumes te verwerken en strikt beveiligingsbeleid af te dwingen. De eBPF-gebaseerde netwerk- en load balancing-mogelijkheden zorgen voor optimale prestaties, terwijl de geavanceerde functies voor netwerkbeleid beschermen tegen potentiële bedreigingen.

De Juiste CNI-plugin Kiezen

Het selecteren van de juiste CNI-plugin hangt af van de specifieke vereisten van uw Kubernetes-omgeving. Overweeg de volgende factoren:

Schaalbaarheid: Kan de CNI-plugin het verwachte aantal pods en nodes in uw cluster aan?
Beveiliging: Biedt de CNI-plugin de nodige beveiligingsfuncties, zoals netwerkbeleid en versleuteling?
Prestaties: Biedt de CNI-plugin acceptabele prestaties voor uw applicaties?
Gebruiksgemak: Hoe eenvoudig is de CNI-plugin in te stellen, te configureren en te onderhouden?
Functies: Biedt de CNI-plugin de functies die u nodig hebt, zoals IP-adresbeheer, service discovery en observeerbaarheid?
Community-ondersteuning: Wordt de CNI-plugin actief onderhouden en ondersteund door een sterke community?

Voor eenvoudige implementaties is Flannel wellicht voldoende. Voor complexere omgevingen met strenge beveiligingseisen zijn Calico of Cilium misschien betere keuzes. Weave Net biedt een goede balans tussen functies en gebruiksgemak. Evalueer uw specifieke behoeften en kies de CNI-plugin die het beste bij uw eisen past.

CNI-plugins Configureren

CNI-plugins worden doorgaans geconfigureerd met een CNI-configuratiebestand, een JSON-bestand dat de instellingen van de plugin specificeert. De locatie van het CNI-configuratiebestand wordt bepaald door de --cni-conf-dir vlag van de kubelet. Standaard is deze vlag ingesteld op /etc/cni/net.d.

Het CNI-configuratiebestand bevat de volgende informatie:

cniVersion: De CNI-specificatieversie.
name: De naam van het netwerk.
type: De naam van de te gebruiken CNI-plugin.
capabilities: Een lijst met mogelijkheden die door de plugin worden ondersteund.
ipam: Configuratie voor IP-adresbeheer.
plugins: (Optioneel) Een lijst met extra CNI-plugins die moeten worden uitgevoerd.

Hier is een voorbeeld van een CNI-configuratiebestand voor Flannel:

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

Dit configuratiebestand vertelt Kubernetes om de Flannel CNI-plugin te gebruiken om een netwerk met de naam "mynet" te creëren. De delegate sectie specificeert aanvullende configuratie-opties voor de Flannel-plugin.

De specifieke configuratie-opties variëren afhankelijk van de gebruikte CNI-plugin. Raadpleeg de documentatie van uw gekozen CNI-plugin voor gedetailleerde informatie over de beschikbare configuratie-opties.

Best Practices voor CNI-plugins

Volg deze best practices om een robuuste en schaalbare Kubernetes-netwerkomgeving te garanderen:

Kies de juiste CNI-plugin: Selecteer de CNI-plugin die het beste bij uw specifieke eisen past, rekening houdend met factoren als schaalbaarheid, beveiliging, prestaties en gebruiksgemak.
Gebruik netwerkbeleid: Implementeer netwerkbeleid om het verkeer tussen pods te controleren en beveiligingsgrenzen af te dwingen.
Monitor netwerkprestaties: Gebruik monitoringtools om de netwerkprestaties te volgen en potentiële problemen te identificeren.
Houd CNI-plugins up-to-date: Werk uw CNI-plugins regelmatig bij om te profiteren van bugfixes, beveiligingspatches en nieuwe functies.
Gebruik een toegewezen IP-adresbereik: Wijs een toegewezen IP-adresbereik toe voor uw Kubernetes-pods om conflicten met andere netwerken te voorkomen.
Plan voor schaalbaarheid: Ontwerp uw netwerkinfrastructuur om toekomstige groei op te vangen en zorg ervoor dat uw CNI-plugin het toenemende aantal pods en nodes aankan.

Problemen met CNI-plugins Oplossen

Netwerkproblemen kunnen complex en uitdagend zijn om op te lossen. Hier zijn enkele veelvoorkomende problemen en hoe u ze kunt aanpakken:

Pod kan geen verbinding maken met andere pods:
- Controleer netwerkbeleid: Zorg ervoor dat het netwerkbeleid het verkeer niet blokkeert.
- Verifieer routeringstabellen: Controleer of de routeringstabellen op de host-nodes correct zijn geconfigureerd.
- Controleer DNS-resolutie: Zorg ervoor dat DNS-resolutie correct werkt binnen het cluster.
- Inspecteer CNI-logs: Onderzoek de logs van de CNI-plugin op eventuele fouten of waarschuwingen.
Pod kan geen verbinding maken met externe services:
- Controleer egress-regels: Zorg ervoor dat de egress-regels correct zijn geconfigureerd om verkeer naar externe services toe te staan.
- Verifieer DNS-resolutie: Zorg ervoor dat DNS-resolutie correct werkt voor externe domeinen.
- Controleer firewall-regels: Verifieer dat firewall-regels het verkeer niet blokkeren.
Netwerkprestatieproblemen:
- Monitor netwerkverkeer: Gebruik monitoringtools om netwerkverkeer te volgen en knelpunten te identificeren.
- Controleer netwerklatentie: Meet de netwerklatentie tussen pods en nodes.
- Optimaliseer netwerkconfiguratie: Optimaliseer de netwerkconfiguratie om de prestaties te verbeteren.

CNI en Service Meshes

Terwijl CNI-plugins de basisnetwerkfunctionaliteit voor pods afhandelen, bieden service meshes een extra functionaliteitslaag voor het beheren en beveiligen van microservices. Service meshes zoals Istio, Linkerd en Consul Connect werken samen met CNI-plugins om functies te bieden zoals:

Verkeersbeheer: Routering, load balancing en traffic shaping.
Beveiliging: Wederzijdse TLS-authenticatie, autorisatie en versleuteling.
Observeerbaarheid: Metrics, tracing en logging.

Service meshes injecteren doorgaans een sidecar-proxy in elke pod, die al het netwerkverkeer onderschept en het service mesh-beleid toepast. De CNI-plugin is verantwoordelijk voor het opzetten van de basisnetwerkconnectiviteit voor de sidecar-proxy, terwijl de service mesh de meer geavanceerde functies voor verkeersbeheer en beveiliging afhandelt. Overweeg service meshes voor complexe microservice-architecturen om de beveiliging, observeerbaarheid en controle te verbeteren.

De Toekomst van Kubernetes Networking

Kubernetes-netwerken evolueren voortdurend, met steeds nieuwe technologieën en functies die opkomen. Enkele van de belangrijkste trends in Kubernetes-netwerken zijn:

eBPF: eBPF wordt steeds populairder voor het implementeren van netwerk- en beveiligingsbeleid in Kubernetes vanwege de hoge prestaties en lage overhead.
Service Mesh-integratie: Nauwere integratie tussen CNI-plugins en service meshes zal naar verwachting het beheer en de beveiliging van microservices verder vereenvoudigen.
Multicluster Networking: Naarmate organisaties steeds vaker multicluster-architecturen adopteren, worden oplossingen voor het verbinden en beheren van netwerken over meerdere Kubernetes-clusters belangrijker.
Cloud-Native Network Functions (CNF's): Het gebruik van Kubernetes voor het implementeren en beheren van netwerkfuncties wint terrein, gedreven door de adoptie van 5G en andere geavanceerde netwerktechnologieën.

Conclusie

Het begrijpen van CNI-plugins is essentieel voor het bouwen en beheren van robuuste en schaalbare Kubernetes-omgevingen. Door de juiste CNI-plugin te kiezen, deze correct te configureren en best practices te volgen, kunt u ervoor zorgen dat uw Kubernetes-applicaties de netwerkconnectiviteit en beveiliging hebben die ze nodig hebben om te slagen. Naarmate Kubernetes-netwerken blijven evolueren, is het cruciaal om op de hoogte te blijven van de laatste trends en technologieën om de voordelen van dit krachtige containerorkestratieplatform te maximaliseren. Van kleinschalige implementaties tot grote bedrijfsomgevingen die meerdere continenten omspannen, het beheersen van CNI-plugins ontsluit het ware potentieel van Kubernetes-netwerken.