Sieťovanie v Kubernetes: Hĺbkový pohľad na CNI pluginy

Kubernetes priniesol revolúciu v orchestrácii kontajnerov, umožňujúc nasadenie a správu aplikácií vo veľkom meradle. Srdcom sieťovania v Kubernetes je Container Network Interface (CNI), štandardné rozhranie, ktoré umožňuje Kubernetes pracovať s rôznymi sieťovými riešeniami. Pochopenie CNI pluginov je kľúčové pre budovanie robustných a škálovateľných prostredí Kubernetes. Tento komplexný sprievodca podrobne preskúma CNI pluginy, ich úlohu, populárne možnosti, konfiguráciu a osvedčené postupy.

Čo je Container Network Interface (CNI)?

Container Network Interface (CNI) je špecifikácia vyvinutá nadáciou Cloud Native Computing Foundation (CNCF) na konfiguráciu sieťových rozhraní pre linuxové kontajnery. Poskytuje štandardné API, ktoré umožňuje Kubernetes interagovať s rôznymi poskytovateľmi sieťových riešení. Táto štandardizácia robí Kubernetes vysoko flexibilným a umožňuje používateľom vybrať si sieťové riešenie, ktoré najlepšie vyhovuje ich potrebám.

CNI pluginy sú zodpovedné za nasledujúce úlohy:

Alokácia sieťových zdrojov: Prideľovanie IP adries a ďalších sieťových parametrov podom.
Konfigurácia siete kontajnera: Nastavenie sieťových rozhraní v rámci kontajnera.
Pripojenie kontajnerov k sieti: Integrácia kontajnerov do celkovej siete Kubernetes.
Uvoľnenie sieťových zdrojov: Uvoľňovanie zdrojov po ukončení podov.

Ako fungujú CNI pluginy

Keď sa v Kubernetes vytvorí nový pod, kubelet (agent, ktorý beží na každom uzle) zavolá CNI plugin na nakonfigurovanie siete podu. Proces zvyčajne zahŕňa nasledujúce kroky:

Kubelet prijme požiadavku na vytvorenie podu.
Kubelet určí, ktorý CNI plugin sa má použiť na základe konfigurácie klastra.
Kubelet zavolá CNI plugin a poskytne informácie o pode, ako sú jeho menný priestor, názov a štítky.
CNI plugin alokuje IP adresu pre pod z preddefinovaného rozsahu IP adries.
CNI plugin vytvorí virtuálne sieťové rozhranie (pár veth) na hostiteľskom uzle. Jeden koniec páru veth je pripojený k sieťovému mennému priestoru podu a druhý koniec zostáva v sieťovom mennom priestore hostiteľa.
CNI plugin nakonfiguruje sieťový menný priestor podu, nastaví IP adresu, bránu a smerovacie cesty.
CNI plugin aktualizuje smerovacie tabuľky na hostiteľskom uzle, aby sa zabezpečilo správne smerovanie premávky do a z podu.

Populárne CNI pluginy

K dispozícii je niekoľko CNI pluginov, z ktorých každý má svoje vlastné funkcie, výhody a nevýhody. Tu sú niektoré z najpopulárnejších CNI pluginov:

Calico

Prehľad: Calico je široko používaný CNI plugin, ktorý poskytuje škálovateľné a bezpečné sieťové riešenie pre Kubernetes. Podporuje overlay aj non-overlay sieťové modely a ponúka pokročilé funkcie sieťových politík.

Kľúčové vlastnosti:

Sieťové politiky: Mechanizmus sieťových politík Calico umožňuje definovať jemne granulované pravidlá riadenia prístupu pre pody. Tieto politiky môžu byť založené na štítkoch podov, menných priestoroch a ďalších kritériách.
Smerovanie BGP: Calico môže používať BGP (Border Gateway Protocol) na ohlasovanie IP adries podov do základnej sieťovej infraštruktúry. To eliminuje potrebu overlay sietí a zlepšuje výkon.
Správa IP adries (IPAM): Calico zahŕňa vlastný systém IPAM, ktorý automaticky prideľuje IP adresy podom.
Šifrovanie: Calico podporuje šifrovanie sieťovej premávky pomocou WireGuard alebo IPsec.

Príklad použitia: Finančná inštitúcia používa Calico na presadzovanie prísnych bezpečnostných politík medzi rôznymi mikroslužbami v rámci svojho klastra Kubernetes. Napríklad zabraňuje priamej komunikácii medzi frontendovými a databázovými podmi a vynucuje všetok prístup k databáze cez vyhradenú API vrstvu.

Flannel

Prehľad: Flannel je jednoduchý a odľahčený CNI plugin, ktorý vytvára overlay sieť pre Kubernetes. Je ľahké ho nastaviť a konfigurovať, čo z neho robí populárnu voľbu pre menšie nasadenia alebo pre používateľov, ktorí sú v oblasti sieťovania Kubernetes noví.

Kľúčové vlastnosti:

Overlay sieť: Flannel vytvára virtuálnu sieť na existujúcej sieťovej infraštruktúre. Pody medzi sebou komunikujú prostredníctvom tejto overlay siete.
Jednoduchá konfigurácia: Flannel sa ľahko konfiguruje a vyžaduje minimálne nastavenie.
Viacero backendov: Flannel podporuje rôzne backendy pre overlay sieť, vrátane VXLAN, host-gw a UDP.

Príklad použitia: Startup používa Flannel pre svoje počiatočné nasadenie Kubernetes kvôli jeho jednoduchosti a ľahkej konfigurácii. Uprednostňujú rýchle spustenie svojej aplikácie pred pokročilými sieťovými funkciami.

Weave Net

Prehľad: Weave Net je ďalší populárny CNI plugin, ktorý vytvára overlay sieť pre Kubernetes. Ponúka rad funkcií vrátane automatickej správy IP adries, sieťových politík a šifrovania.

Kľúčové vlastnosti:

Automatická správa IP adries: Weave Net automaticky prideľuje IP adresy podom a spravuje rozsah IP adries.
Sieťové politiky: Weave Net umožňuje definovať sieťové politiky na riadenie premávky medzi podmi.
Šifrovanie: Weave Net podporuje šifrovanie sieťovej premávky pomocou AES-GCM.
Zisťovanie služieb: Weave Net poskytuje vstavané zisťovanie služieb, čo umožňuje podom ľahko sa navzájom nájsť a pripojiť.

Príklad použitia: Softvérová vývojová spoločnosť používa Weave Net pre svoje vývojové a testovacie prostredia. Funkcie automatickej správy IP adries a zisťovania služieb zjednodušujú nasadenie a správu aplikácií v týchto prostrediach.

Cilium

Prehľad: Cilium je CNI plugin, ktorý využíva eBPF (extended Berkeley Packet Filter) na poskytovanie vysokovýkonného sieťovania a bezpečnosti pre Kubernetes. Ponúka pokročilé funkcie, ako sú sieťové politiky, vyvažovanie záťaže a pozorovateľnosť.

Kľúčové vlastnosti:

Sieťovanie založené na eBPF: Cilium používa eBPF na implementáciu sieťových a bezpečnostných politík na úrovni jadra. To poskytuje vysoký výkon a nízku réžiu.
Sieťové politiky: Cilium podporuje pokročilé funkcie sieťových politík, vrátane presadzovania politík na L7.
Vyvažovanie záťaže: Cilium poskytuje vstavané vyvažovanie záťaže pre služby Kubernetes.
Pozorovateľnosť: Cilium poskytuje podrobnú pozorovateľnosť sieťovej premávky, čo umožňuje monitorovať a riešiť problémy so sieťou.

Príklad použitia: Veľká e-commerce spoločnosť používa Cilium na zvládanie vysokých objemov premávky a presadzovanie prísnych bezpečnostných politík. Sieťovanie založené na eBPF a možnosti vyvažovania záťaže zaisťujú optimálny výkon, zatiaľ čo pokročilé funkcie sieťových politík chránia pred potenciálnymi hrozbami.

Výber správneho CNI pluginu

Výber vhodného CNI pluginu závisí od špecifických požiadaviek vášho prostredia Kubernetes. Zvážte nasledujúce faktory:

Škálovateľnosť: Dokáže CNI plugin zvládnuť očakávaný počet podov a uzlov vo vašom klastri?
Bezpečnosť: Poskytuje CNI plugin potrebné bezpečnostné funkcie, ako sú sieťové politiky a šifrovanie?
Výkon: Ponúka CNI plugin prijateľný výkon pre vaše aplikácie?
Jednoduchosť použitia: Ako ľahko sa CNI plugin nastavuje, konfiguruje a udržiava?
Funkcie: Poskytuje CNI plugin funkcie, ktoré potrebujete, ako je správa IP adries, zisťovanie služieb a pozorovateľnosť?
Podpora komunity: Je CNI plugin aktívne udržiavaný a podporovaný silnou komunitou?

Pre jednoduché nasadenia môže byť Flannel postačujúci. Pre zložitejšie prostredia s prísnymi bezpečnostnými požiadavkami môžu byť lepšou voľbou Calico alebo Cilium. Weave Net poskytuje dobrú rovnováhu medzi funkciami a jednoduchosťou použitia. Zhodnoťte svoje špecifické potreby a vyberte si CNI plugin, ktorý najlepšie vyhovuje vašim požiadavkám.

Konfigurácia CNI pluginov

CNI pluginy sa zvyčajne konfigurujú pomocou konfiguračného súboru CNI, čo je JSON súbor, ktorý špecifikuje nastavenia pluginu. Umiestnenie konfiguračného súboru CNI je určené príznakom --cni-conf-dir kubeletu. V predvolenom nastavení je tento príznak nastavený na /etc/cni/net.d.

Konfiguračný súbor CNI obsahuje nasledujúce informácie:

cniVersion: Verzia špecifikácie CNI.
name: Názov siete.
type: Názov CNI pluginu, ktorý sa má použiť.
capabilities: Zoznam schopností podporovaných pluginom.
ipam: Konfigurácia pre správu IP adries.
plugins: (Voliteľné) Zoznam ďalších CNI pluginov, ktoré sa majú spustiť.

Tu je príklad konfiguračného súboru CNI pre Flannel:

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

Tento konfiguračný súbor hovorí Kubernetes, aby použil CNI plugin Flannel na vytvorenie siete s názvom "mynet". Sekcia delegate špecifikuje ďalšie možnosti konfigurácie pre plugin Flannel.

Špecifické možnosti konfigurácie sa líšia v závislosti od použitého CNI pluginu. Podrobné informácie o dostupných možnostiach konfigurácie nájdete v dokumentácii pre vami zvolený CNI plugin.

Osvedčené postupy pre CNI pluginy

Dodržiavajte tieto osvedčené postupy, aby ste zaistili robustné a škálovateľné sieťové prostredie Kubernetes:

Vyberte si správny CNI plugin: Zvoľte CNI plugin, ktorý najlepšie vyhovuje vašim špecifickým požiadavkám, berúc do úvahy faktory ako škálovateľnosť, bezpečnosť, výkon a jednoduchosť použitia.
Používajte sieťové politiky: Implementujte sieťové politiky na riadenie premávky medzi podmi a presadzovanie bezpečnostných hraníc.
Monitorujte výkon siete: Používajte monitorovacie nástroje na sledovanie výkonu siete a identifikáciu potenciálnych problémov.
Udržujte CNI pluginy aktuálne: Pravidelne aktualizujte svoje CNI pluginy, aby ste mohli využívať opravy chýb, bezpečnostné záplaty a nové funkcie.
Používajte vyhradený rozsah IP adries: Alokujte vyhradený rozsah IP adries pre vaše Kubernetes pody, aby ste sa vyhli konfliktom s inými sieťami.
Plánujte škálovateľnosť: Navrhnite svoju sieťovú infraštruktúru tak, aby vyhovovala budúcemu rastu a zabezpečte, aby váš CNI plugin dokázal zvládnuť rastúci počet podov a uzlov.

Riešenie problémov s CNI pluginmi

Problémy so sieťovaním môžu byť zložité a náročné na riešenie. Tu sú niektoré bežné problémy a ako k nim pristupovať:

Pod sa nemôže pripojiť k iným podom:
- Skontrolujte sieťové politiky: Uistite sa, že sieťové politiky neblokujú premávku.
- Overte smerovacie tabuľky: Overte, či sú smerovacie tabuľky na hostiteľských uzloch správne nakonfigurované.
- Skontrolujte DNS rozlíšenie: Uistite sa, že DNS rozlíšenie v klastri funguje správne.
- Skontrolujte logy CNI: Preskúmajte logy CNI pluginu na prítomnosť chýb alebo varovaní.
Pod sa nemôže pripojiť k externým službám:
- Skontrolujte pravidlá odchádzajúcej premávky (egress): Uistite sa, že pravidlá odchádzajúcej premávky sú správne nakonfigurované, aby umožnili premávku k externým službám.
- Overte DNS rozlíšenie: Uistite sa, že DNS rozlíšenie pre externé domény funguje správne.
- Skontrolujte pravidlá firewallu: Overte, či pravidlá firewallu neblokujú premávku.
Problémy s výkonom siete:
- Monitorujte sieťovú premávku: Používajte monitorovacie nástroje na sledovanie sieťovej premávky a identifikáciu úzkych miest.
- Skontrolujte latenciu siete: Merajte latenciu siete medzi podmi a uzlami.
- Optimalizujte konfiguráciu siete: Optimalizujte konfiguráciu siete na zlepšenie výkonu.

CNI a Service Meshes

Zatiaľ čo CNI pluginy sa starajú o základné sieťovanie podov, service meshes poskytujú ďalšiu vrstvu funkcionality na správu a zabezpečenie mikroslužieb. Service meshes ako Istio, Linkerd a Consul Connect pracujú v spojení s CNI pluginmi a poskytujú funkcie ako:

Správa premávky: Smerovanie, vyvažovanie záťaže a tvarovanie premávky.
Bezpečnosť: Vzájomná TLS autentifikácia, autorizácia a šifrovanie.
Pozorovateľnosť: Metriky, trasovanie a logovanie.

Service meshes zvyčajne vkladajú do každého podu sidecar proxy, ktorý zachytáva všetku sieťovú premávku a aplikuje politiky service meshu. CNI plugin je zodpovedný za nastavenie základnej sieťovej konektivity pre sidecar proxy, zatiaľ čo service mesh sa stará o pokročilejšie funkcie správy premávky a bezpečnosti. Zvážte service meshes pre komplexné architektúry mikroslužieb na zlepšenie bezpečnosti, pozorovateľnosti a kontroly.

Budúcnosť sieťovania v Kubernetes

Sieťovanie v Kubernetes sa neustále vyvíja a neustále sa objavujú nové technológie a funkcie. Niektoré z kľúčových trendov v sieťovaní Kubernetes zahŕňajú:

eBPF: eBPF sa stáva čoraz populárnejším pre implementáciu sieťových a bezpečnostných politík v Kubernetes vďaka svojmu vysokému výkonu a nízkej réžii.
Integrácia Service Mesh: Očakáva sa, že užšia integrácia medzi CNI pluginmi a service meshes ďalej zjednoduší správu a bezpečnosť mikroslužieb.
Sieťovanie viacerých klastrov: Keďže organizácie čoraz viac prijímajú architektúry s viacerými klastrami, riešenia pre pripojenie a správu sietí naprieč viacerými klastrami Kubernetes sa stávajú dôležitejšími.
Cloud-Native Network Functions (CNFs): Využívanie Kubernetes na nasadzovanie a správu sieťových funkcií naberá na popularite, poháňané adopciou 5G a ďalších pokročilých sieťových technológií.

Záver

Pochopenie CNI pluginov je nevyhnutné pre budovanie a správu robustných a škálovateľných prostredí Kubernetes. Výberom správneho CNI pluginu, jeho správnou konfiguráciou a dodržiavaním osvedčených postupov môžete zabezpečiť, že vaše aplikácie v Kubernetes budú mať sieťovú konektivitu a bezpečnosť, ktorú potrebujú na úspech. Keďže sieťovanie v Kubernetes sa naďalej vyvíja, informovanosť o najnovších trendoch a technológiách bude kľúčová pre maximalizáciu výhod tejto výkonnej platformy na orchestráciu kontajnerov. Od malých nasadení až po veľké podnikové prostredia naprieč viacerými kontinentmi, zvládnutie CNI pluginov odomyká skutočný potenciál sieťovania v Kubernetes.