Сеть в Kubernetes: Глубокое погружение в CNI-плагины

Kubernetes произвел революцию в оркестрации контейнеров, позволяя развертывать приложения и управлять ими в больших масштабах. В основе сети Kubernetes лежит Container Network Interface (CNI) — стандартный интерфейс, который позволяет Kubernetes работать с разнообразными сетевыми решениями. Понимание CNI-плагинов имеет решающее значение для создания надежных и масштабируемых сред Kubernetes. В этом всеобъемлющем руководстве мы подробно рассмотрим CNI-плагины, их роль, популярные варианты, настройку и лучшие практики.

Что такое Container Network Interface (CNI)?

Container Network Interface (CNI) — это спецификация, разработанная Cloud Native Computing Foundation (CNCF) для настройки сетевых интерфейсов для контейнеров Linux. Она предоставляет стандартный API, который позволяет Kubernetes взаимодействовать с различными сетевыми провайдерами. Эта стандартизация делает Kubernetes очень гибким и позволяет пользователям выбирать сетевое решение, которое наилучшим образом соответствует их потребностям.

CNI-плагины отвечают за следующие задачи:

• Выделение сетевых ресурсов: Назначение IP-адресов и других сетевых параметров подам.
• Настройка сети контейнера: Настройка сетевых интерфейсов внутри контейнера.
• Подключение контейнеров к сети: Интеграция контейнеров в общую сеть Kubernetes.
• Очистка сетевых ресурсов: Освобождение ресурсов при завершении работы подов.

Как работают CNI-плагины

Когда в Kubernetes создается новый под, kubelet (агент, работающий на каждом узле) вызывает CNI-плагин для настройки сети пода. Процесс обычно включает следующие шаги:

1. Kubelet получает запрос на создание пода.
2. Kubelet определяет, какой CNI-плагин использовать, на основе конфигурации кластера.
3. Kubelet вызывает CNI-плагин, предоставляя информацию о поде, такую как его пространство имен, имя и метки.
4. CNI-плагин выделяет IP-адрес для пода из предопределенного диапазона IP-адресов.
5. CNI-плагин создает виртуальный сетевой интерфейс (veth-пару) на хост-узле. Один конец veth-пары подключается к сетевому пространству имен пода, а другой остается в сетевом пространстве имен хоста.
6. CNI-плагин настраивает сетевое пространство имен пода, устанавливая IP-адрес, шлюз и маршруты.
7. CNI-плагин обновляет таблицы маршрутизации на хост-узле, чтобы обеспечить правильную маршрутизацию трафика к поду и от него.

Популярные CNI-плагины

Существует несколько CNI-плагинов, каждый со своими особенностями, преимуществами и недостатками. Вот некоторые из самых популярных CNI-плагинов:

Calico

Обзор: Calico — это широко используемый CNI-плагин, который предоставляет масштабируемое и безопасное сетевое решение для Kubernetes. Он поддерживает как оверлейные, так и не-оверлейные модели сети и предлагает расширенные функции сетевых политик.

Ключевые особенности:

• Сетевая политика: Механизм сетевых политик Calico позволяет определять гранулярные правила контроля доступа для подов. Эти политики могут основываться на метках подов, пространствах имен и других критериях.
• BGP-маршрутизация: Calico может использовать BGP (Border Gateway Protocol) для анонсирования IP-адресов подов в базовую сетевую инфраструктуру. Это устраняет необходимость в оверлейных сетях и повышает производительность.
• Управление IP-адресами (IPAM): Calico включает собственную систему IPAM, которая автоматически выделяет IP-адреса подам.
• Шифрование: Calico поддерживает шифрование сетевого трафика с использованием WireGuard или IPsec.

Пример использования: Финансовое учреждение использует Calico для обеспечения строгих политик безопасности между различными микросервисами в своем кластере Kubernetes. Например, предотвращение прямого обмена данными между подами фронтенда и базы данных, обеспечивая весь доступ к базе данных через выделенный слой API.

Flannel

Обзор: Flannel — это простой и легковесный CNI-плагин, который создает оверлейную сеть для Kubernetes. Он прост в установке и настройке, что делает его популярным выбором для небольших развертываний или для пользователей, которые только начинают знакомиться с сетями в Kubernetes.

Ключевые особенности:

• Оверлейная сеть: Flannel создает виртуальную сеть поверх существующей сетевой инфраструктуры. Поды общаются друг с другом через эту оверлейную сеть.
• Простая настройка: Flannel легко настраивается и требует минимальной подготовки.
• Несколько бэкендов: Flannel поддерживает различные бэкенды для оверлейной сети, включая VXLAN, host-gw и UDP.

Пример использования: Стартап использует Flannel для своего первоначального развертывания Kubernetes из-за его простоты и легкости настройки. Они отдают приоритет быстрому запуску своего приложения, а не расширенным сетевым функциям.

Weave Net

Обзор: Weave Net — еще один популярный CNI-плагин, который создает оверлейную сеть для Kubernetes. Он предлагает ряд функций, включая автоматическое управление IP-адресами, сетевые политики и шифрование.

Ключевые особенности:

• Автоматическое управление IP-адресами: Weave Net автоматически назначает IP-адреса подам и управляет диапазоном IP-адресов.
• Сетевая политика: Weave Net позволяет определять сетевые политики для контроля трафика между подами.
• Шифрование: Weave Net поддерживает шифрование сетевого трафика с использованием AES-GCM.
• Обнаружение сервисов: Weave Net предоставляет встроенное обнаружение сервисов, позволяя подам легко находить друг друга и подключаться.

Пример использования: Компания по разработке программного обеспечения использует Weave Net для своих сред разработки и тестирования. Функции автоматического управления IP-адресами и обнаружения сервисов упрощают развертывание и управление приложениями в этих средах.

Cilium

Обзор: Cilium — это CNI-плагин, который использует eBPF (extended Berkeley Packet Filter) для обеспечения высокопроизводительной сети и безопасности в Kubernetes. Он предлагает расширенные функции, такие как сетевые политики, балансировка нагрузки и наблюдаемость.

Ключевые особенности:

• Сеть на основе eBPF: Cilium использует eBPF для реализации сетевых политик и политик безопасности на уровне ядра. Это обеспечивает высокую производительность и низкие накладные расходы.
• Сетевая политика: Cilium поддерживает расширенные функции сетевых политик, включая применение политик на уровне L7.
• Балансировка нагрузки: Cilium предоставляет встроенную балансировку нагрузки для сервисов Kubernetes.
• Наблюдаемость: Cilium обеспечивает детальную наблюдаемость сетевого трафика, что позволяет отслеживать и устранять сетевые проблемы.

Пример использования: Крупная компания в сфере электронной коммерции использует Cilium для обработки больших объемов трафика и применения строгих политик безопасности. Сеть на основе eBPF и возможности балансировки нагрузки обеспечивают оптимальную производительность, а расширенные функции сетевых политик защищают от потенциальных угроз.

Выбор подходящего CNI-плагина

Выбор подходящего CNI-плагина зависит от конкретных требований вашей среды Kubernetes. Учитывайте следующие факторы:

• Масштабируемость: Может ли CNI-плагин справиться с ожидаемым количеством подов и узлов в вашем кластере?
• Безопасность: Предоставляет ли CNI-плагин необходимые функции безопасности, такие как сетевые политики и шифрование?
• Производительность: Обеспечивает ли CNI-плагин приемлемую производительность для ваших приложений?
• Простота использования: Насколько легко устанавливать, настраивать и поддерживать CNI-плагин?
• Функции: Предоставляет ли CNI-плагин необходимые вам функции, такие как управление IP-адресами, обнаружение сервисов и наблюдаемость?
• Поддержка сообщества: Активно ли поддерживается CNI-плагин сильным сообществом?

Для простых развертываний может быть достаточно Flannel. Для более сложных сред со строгими требованиями к безопасности лучшим выбором могут стать Calico или Cilium. Weave Net обеспечивает хороший баланс между функциями и простотой использования. Оцените свои конкретные потребности и выберите CNI-плагин, который наилучшим образом соответствует вашим требованиям.

Настройка CNI-плагинов

CNI-плагины обычно настраиваются с помощью конфигурационного файла CNI — JSON-файла, который определяет настройки плагина. Расположение конфигурационного файла CNI определяется флагом --cni-conf-dir у kubelet. По умолчанию этот флаг установлен в /etc/cni/net.d.

Конфигурационный файл CNI содержит следующую информацию:

• cniVersion: Версия спецификации CNI.
• name: Имя сети.
• type: Имя используемого CNI-плагина.
• capabilities: Список возможностей, поддерживаемых плагином.
• ipam: Конфигурация для управления IP-адресами.
• plugins: (Опционально) Список дополнительных CNI-плагинов для запуска.

Вот пример конфигурационного файла CNI для Flannel:

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

Этот конфигурационный файл указывает Kubernetes использовать CNI-плагин Flannel для создания сети с именем "mynet". Раздел delegate определяет дополнительные параметры конфигурации для плагина Flannel.

Конкретные параметры конфигурации зависят от используемого CNI-плагина. Обратитесь к документации выбранного вами CNI-плагина для получения подробной информации о доступных параметрах конфигурации.

Лучшие практики для CNI-плагинов

Следуйте этим лучшим практикам, чтобы обеспечить надежную и масштабируемую сетевую среду Kubernetes:

• Выбирайте правильный CNI-плагин: Выберите CNI-плагин, который наилучшим образом соответствует вашим конкретным требованиям, учитывая такие факторы, как масштабируемость, безопасность, производительность и простота использования.
• Используйте сетевые политики: Внедряйте сетевые политики для контроля трафика между подами и обеспечения границ безопасности.
• Отслеживайте производительность сети: Используйте инструменты мониторинга для отслеживания производительности сети и выявления потенциальных проблем.
• Своевременно обновляйте CNI-плагины: Регулярно обновляйте свои CNI-плагины, чтобы получать исправления ошибок, патчи безопасности и новые функции.
• Используйте выделенный диапазон IP-адресов: Выделите специальный диапазон IP-адресов для подов Kubernetes, чтобы избежать конфликтов с другими сетями.
• Планируйте масштабируемость: Проектируйте свою сетевую инфраструктуру с учетом будущего роста и убедитесь, что ваш CNI-плагин сможет справиться с растущим количеством подов и узлов.

Устранение неисправностей CNI-плагинов

Сетевые проблемы могут быть сложными и трудными для диагностики. Вот некоторые распространенные проблемы и способы их решения:

• Под не может подключиться к другим подам:
  • Проверьте сетевые политики: Убедитесь, что сетевые политики не блокируют трафик.
  • Проверьте таблицы маршрутизации: Убедитесь, что таблицы маршрутизации на хост-узлах настроены правильно.
  • Проверьте разрешение DNS: Убедитесь, что разрешение DNS внутри кластера работает корректно.
  • Изучите логи CNI: Проверьте логи CNI-плагина на наличие ошибок или предупреждений.
• Под не может подключиться к внешним сервисам:
  • Проверьте правила исходящего трафика: Убедитесь, что правила исходящего трафика настроены правильно, чтобы разрешать трафик к внешним сервисам.
  • Проверьте разрешение DNS: Убедитесь, что разрешение DNS для внешних доменов работает корректно.
  • Проверьте правила брандмауэра: Убедитесь, что правила брандмауэра не блокируют трафик.
• Проблемы с производительностью сети:
  • Отслеживайте сетевой трафик: Используйте инструменты мониторинга для отслеживания сетевого трафика и выявления узких мест.
  • Проверьте сетевую задержку: Измерьте сетевую задержку между подами и узлами.
  • Оптимизируйте конфигурацию сети: Оптимизируйте сетевые настройки для повышения производительности.

CNI и Service Mesh

В то время как CNI-плагины обеспечивают базовую сетевую связность подов, service mesh (сервисные сетки) предоставляют дополнительный уровень функциональности для управления и защиты микросервисов. Service mesh, такие как Istio, Linkerd и Consul Connect, работают совместно с CNI-плагинами для предоставления таких функций, как:

• Управление трафиком: Маршрутизация, балансировка нагрузки и формирование трафика.
• Безопасность: Взаимная аутентификация TLS, авторизация и шифрование.
• Наблюдаемость: Метрики, трассировка и логирование.

Service mesh обычно внедряют в каждый под прокси-сайдкар, который перехватывает весь сетевой трафик и применяет политики сервисной сетки. CNI-плагин отвечает за настройку базовой сетевой связности для прокси-сайдкара, в то время как service mesh обрабатывает более сложные функции управления трафиком и безопасности. Рассмотрите возможность использования service mesh для сложных микросервисных архитектур, чтобы повысить безопасность, наблюдаемость и контроль.

Будущее сетей в Kubernetes

Сети в Kubernetes постоянно развиваются, постоянно появляются новые технологии и функции. Некоторые из ключевых тенденций в сетях Kubernetes включают:

• eBPF: eBPF становится все более популярным для реализации сетевых политик и политик безопасности в Kubernetes благодаря своей высокой производительности и низким накладным расходам.
• Интеграция с Service Mesh: Ожидается, что более тесная интеграция между CNI-плагинами и service mesh еще больше упростит управление и безопасность микросервисов.
• Межкластерные сети: По мере того как организации все чаще внедряют многокластерные архитектуры, решения для подключения и управления сетями между несколькими кластерами Kubernetes становятся все более важными.
• Облачные сетевые функции (CNF): Использование Kubernetes для развертывания и управления сетевыми функциями набирает обороты, что обусловлено внедрением 5G и других передовых сетевых технологий.

Заключение

Понимание CNI-плагинов необходимо для создания и управления надежными и масштабируемыми средами Kubernetes. Выбрав правильный CNI-плагин, корректно его настроив и следуя лучшим практикам, вы можете обеспечить своим приложениям в Kubernetes необходимую сетевую связность и безопасность для успешной работы. Поскольку сети в Kubernetes продолжают развиваться, оставаться в курсе последних тенденций и технологий будет иметь решающее значение для максимального использования преимуществ этой мощной платформы оркестрации контейнеров. От мелкомасштабных развертываний до крупных корпоративных сред, охватывающих несколько континентов, освоение CNI-плагинов раскрывает истинный потенциал сетей Kubernetes.