Omrežje v Kubernetesu: Poglobljen pregled vtičnikov CNI

Kubernetes je revolucioniral orkestracijo vsebovalnikov ter omogočil uvajanje in upravljanje aplikacij v velikem obsegu. V središču omrežja Kubernetes je vmesnik za omrežje vsebovalnikov (CNI), standardni vmesnik, ki omogoča, da Kubernetes deluje z različnimi omrežnimi rešitvami. Razumevanje vtičnikov CNI je ključnega pomena za izgradnjo robustnih in razširljivih okolij Kubernetes. Ta celovit vodnik bo podrobno raziskal vtičnike CNI, njihovo vlogo, priljubljene možnosti, konfiguracijo in najboljše prakse.

Kaj je vmesnik za omrežje vsebovalnikov (CNI)?

Vmesnik za omrežje vsebovalnikov (CNI) je specifikacija, ki jo je razvila fundacija Cloud Native Computing Foundation (CNCF) za konfiguriranje omrežnih vmesnikov za vsebovalnike v okolju Linux. Zagotavlja standardni API, ki omogoča Kubernetesu interakcijo z različnimi ponudniki omrežnih rešitev. Ta standardizacija omogoča veliko prilagodljivost Kubernetesa in uporabnikom omogoča izbiro omrežne rešitve, ki najbolje ustreza njihovim potrebam.

Vtičniki CNI so odgovorni za naslednje naloge:

Dodeljevanje omrežnih virov: Dodeljevanje IP-naslovov in drugih omrežnih parametrov podom.
Konfiguriranje omrežja vsebovalnika: Nastavitev omrežnih vmesnikov znotraj vsebovalnika.
Povezovanje vsebovalnikov v omrežje: Vključevanje vsebovalnikov v celotno omrežje Kubernetes.
Čiščenje omrežnih virov: Sprostitev virov, ko so podi ukinjeni.

Kako delujejo vtičniki CNI

Ko je v Kubernetesu ustvarjen nov pod, kubelet (agent, ki se izvaja na vsakem vozlišču) pokliče vtičnik CNI za konfiguracijo omrežja poda. Postopek običajno vključuje naslednje korake:

Kubelet prejme zahtevo za ustvarjanje poda.
Kubelet na podlagi konfiguracije gruče določi, kateri vtičnik CNI naj uporabi.
Kubelet pokliče vtičnik CNI in mu posreduje informacije o podu, kot so njegov imenski prostor, ime in oznake.
Vtičnik CNI dodeli IP-naslov za pod iz vnaprej določenega obsega IP-naslovov.
Vtičnik CNI na gostiteljskem vozlišču ustvari virtualni omrežni vmesnik (par veth). En konec para veth je priključen na omrežni imenski prostor poda, drugi konec pa ostane v omrežnem imenskem prostoru gostitelja.
Vtičnik CNI konfigurira omrežni imenski prostor poda, nastavi IP-naslov, prehod in poti.
Vtičnik CNI posodobi usmerjevalne tabele na gostiteljskem vozlišču, da zagotovi pravilno usmerjanje prometa do poda in iz njega.

Priljubljeni vtičniki CNI

Na voljo je več vtičnikov CNI, vsak s svojimi značilnostmi, prednostmi in slabostmi. Tu so nekateri izmed najbolj priljubljenih vtičnikov CNI:

Calico

Pregled: Calico je široko uporabljen vtičnik CNI, ki zagotavlja razširljivo in varno omrežno rešitev za Kubernetes. Podpira tako prekrivne kot neprekrivne omrežne modele in ponuja napredne funkcije omrežnih politik.

Ključne značilnosti:

Omrežna politika: Mehanizem za omrežne politike vtičnika Calico vam omogoča definiranje natančnih pravil za nadzor dostopa za pode. Te politike lahko temeljijo na oznakah podov, imenskih prostorih in drugih kriterijih.
Usmerjanje BGP: Calico lahko uporablja BGP (Border Gateway Protocol) za oglaševanje IP-naslovov podov v osnovni omrežni infrastrukturi. To odpravlja potrebo po prekrivnih omrežjih in izboljšuje zmogljivost.
Upravljanje IP-naslovov (IPAM): Calico vključuje lasten sistem IPAM, ki samodejno dodeljuje IP-naslove podom.
Šifriranje: Calico podpira šifriranje omrežnega prometa z uporabo WireGuard ali IPsec.

Primer uporabe: Finančna institucija uporablja Calico za uveljavljanje strogih varnostnih politik med različnimi mikrostoritvami znotraj svoje gruče Kubernetes. Na primer, preprečevanje neposredne komunikacije med podi uporabniškega vmesnika in podatkovne baze ter uveljavljanje dostopa do podatkovne baze prek namenskega sloja API.

Flannel

Pregled: Flannel je preprost in lahek vtičnik CNI, ki ustvari prekrivno omrežje za Kubernetes. Je enostaven za nastavitev in konfiguracijo, zato je priljubljena izbira za manjše postavitve ali za uporabnike, ki so novi v omrežjih Kubernetes.

Ključne značilnosti:

Prekrivno omrežje: Flannel ustvari virtualno omrežje na vrhu obstoječe omrežne infrastrukture. Podi komunicirajo med seboj prek tega prekrivnega omrežja.
Preprosta konfiguracija: Flannel je enostaven za konfiguracijo in zahteva minimalno nastavitev.
Več zalednih sistemov: Flannel podpira različne zaledne sisteme za prekrivno omrežje, vključno z VXLAN, host-gw in UDP.

Primer uporabe: Zagonsko podjetje uporablja Flannel za svojo začetno postavitev Kubernetesa zaradi njegove preprostosti in enostavne konfiguracije. Prednost dajejo hitremu zagonu svoje aplikacije pred naprednimi omrežnimi funkcijami.

Weave Net

Pregled: Weave Net je še en priljubljen vtičnik CNI, ki ustvari prekrivno omrežje za Kubernetes. Ponuja vrsto funkcij, vključno s samodejnim upravljanjem IP-naslovov, omrežno politiko in šifriranjem.

Ključne značilnosti:

Samodejno upravljanje IP-naslovov: Weave Net samodejno dodeljuje IP-naslove podom in upravlja obseg IP-naslovov.
Omrežna politika: Weave Net omogoča definiranje omrežnih politik za nadzor prometa med podi.
Šifriranje: Weave Net podpira šifriranje omrežnega prometa z uporabo AES-GCM.
Odkrivanje storitev: Weave Net zagotavlja vgrajeno odkrivanje storitev, kar podom omogoča enostavno iskanje in povezovanje med seboj.

Primer uporabe: Podjetje za razvoj programske opreme uporablja Weave Net za svoja razvojna in testna okolja. Funkciji samodejnega upravljanja IP-naslovov in odkrivanja storitev poenostavita uvajanje in upravljanje aplikacij v teh okoljih.

Cilium

Pregled: Cilium je vtičnik CNI, ki uporablja eBPF (extended Berkeley Packet Filter) za zagotavljanje visoko zmogljivega omrežja in varnosti za Kubernetes. Ponuja napredne funkcije, kot so omrežna politika, uravnoteženje bremena in opazljivost.

Ključne značilnosti:

Omrežje na osnovi eBPF: Cilium uporablja eBPF za implementacijo omrežnih in varnostnih politik na ravni jedra. To zagotavlja visoko zmogljivost in nizko obremenitev.
Omrežna politika: Cilium podpira napredne funkcije omrežnih politik, vključno z uveljavljanjem politik na L7.
Uravnoteženje bremena: Cilium zagotavlja vgrajeno uravnoteženje bremena za storitve Kubernetes.
Opazljivost: Cilium zagotavlja podroben vpogled v omrežni promet, kar vam omogoča spremljanje in odpravljanje težav v omrežju.

Primer uporabe: Veliko podjetje za e-trgovino uporablja Cilium za obvladovanje velikega obsega prometa in uveljavljanje strogih varnostnih politik. Omrežje na osnovi eBPF in zmožnosti uravnoteženja bremena zagotavljajo optimalno delovanje, medtem ko napredne funkcije omrežnih politik ščitijo pred potencialnimi grožnjami.

Izbira pravega vtičnika CNI

Izbira ustreznega vtičnika CNI je odvisna od specifičnih zahtev vašega okolja Kubernetes. Upoštevajte naslednje dejavnike:

Razširljivost: Ali lahko vtičnik CNI obvlada pričakovano število podov in vozlišč v vaši gruči?
Varnost: Ali vtičnik CNI zagotavlja potrebne varnostne funkcije, kot sta omrežna politika in šifriranje?
Zmogljivost: Ali vtičnik CNI ponuja sprejemljivo zmogljivost za vaše aplikacije?
Enostavnost uporabe: Kako enostaven je vtičnik CNI za nastavitev, konfiguracijo in vzdrževanje?
Funkcije: Ali vtičnik CNI zagotavlja funkcije, ki jih potrebujete, kot so upravljanje IP-naslovov, odkrivanje storitev in opazljivost?
Podpora skupnosti: Ali je vtičnik CNI aktivno vzdrževan in podprt s strani močne skupnosti?

Za preproste postavitve je morda dovolj Flannel. Za bolj zapletena okolja s strogimi varnostnimi zahtevami sta morda boljša izbira Calico ali Cilium. Weave Net zagotavlja dobro ravnovesje med funkcijami in enostavnostjo uporabe. Ocenite svoje specifične potrebe in izberite vtičnik CNI, ki najbolje ustreza vašim zahtevam.

Konfiguriranje vtičnikov CNI

Vtičniki CNI se običajno konfigurirajo z uporabo konfiguracijske datoteke CNI, ki je datoteka JSON, ki določa nastavitve vtičnika. Lokacija konfiguracijske datoteke CNI je določena z zastavico --cni-conf-dir kubeleta. Privzeto je ta zastavica nastavljena na /etc/cni/net.d.

Konfiguracijska datoteka CNI vsebuje naslednje informacije:

cniVersion: Različica specifikacije CNI.
name: Ime omrežja.
type: Ime vtičnika CNI, ki ga želite uporabiti.
capabilities: Seznam zmožnosti, ki jih podpira vtičnik.
ipam: Konfiguracija za upravljanje IP-naslovov.
plugins: (Izbirno) Seznam dodatnih vtičnikov CNI za zagon.

Tukaj je primer konfiguracijske datoteke CNI za Flannel:

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

Ta konfiguracijska datoteka Kubernetesu pove, naj uporabi vtičnik CNI Flannel za ustvarjanje omrežja z imenom "mynet". Odsek delegate določa dodatne možnosti konfiguracije za vtičnik Flannel.

Specifične možnosti konfiguracije se razlikujejo glede na uporabljeni vtičnik CNI. Za podrobne informacije o razpoložljivih možnostih konfiguracije si oglejte dokumentacijo izbranega vtičnika CNI.

Najboljše prakse za vtičnike CNI

Sledite tem najboljšim praksam, da zagotovite robustno in razširljivo omrežno okolje Kubernetes:

Izberite pravi vtičnik CNI: Izberite vtičnik CNI, ki najbolje ustreza vašim specifičnim zahtevam, upoštevajoč dejavnike, kot so razširljivost, varnost, zmogljivost in enostavnost uporabe.
Uporabljajte omrežne politike: Implementirajte omrežne politike za nadzor prometa med podi in uveljavljanje varnostnih meja.
Spremljajte zmogljivost omrežja: Uporabljajte orodja za spremljanje, da sledite zmogljivosti omrežja in prepoznate morebitne težave.
Posodabljajte vtičnike CNI: Redno posodabljajte svoje vtičnike CNI, da boste imeli koristi od popravkov napak, varnostnih popravkov in novih funkcij.
Uporabite namenski obseg IP-naslovov: Dodelite namenski obseg IP-naslovov za svoje pode v Kubernetesu, da se izognete sporom z drugimi omrežji.
Načrtujte razširljivost: Načrtujte svojo omrežno infrastrukturo tako, da bo omogočala prihodnjo rast in zagotovite, da bo vaš vtičnik CNI lahko obvladoval naraščajoče število podov in vozlišč.

Odpravljanje težav z vtičniki CNI

Težave z omrežjem so lahko zapletene in zahtevne za odpravljanje. Tu so nekatere pogoste težave in kako se jih lotiti:

Pod se ne more povezati z drugimi podi:
- Preverite omrežne politike: Zagotovite, da omrežne politike ne blokirajo prometa.
- Preverite usmerjevalne tabele: Preverite, ali so usmerjevalne tabele na gostiteljskih vozliščih pravilno konfigurirane.
- Preverite ločevanje DNS: Zagotovite, da ločevanje DNS v gruči deluje pravilno.
- Preglejte dnevnike CNI: Preverite dnevnike vtičnika CNI za morebitne napake ali opozorila.
Pod se ne more povezati z zunanjimi storitvami:
- Preverite pravila za odhodni promet (egress): Zagotovite, da so pravila za odhodni promet pravilno konfigurirana za dovoljenje prometa do zunanjih storitev.
- Preverite ločevanje DNS: Zagotovite, da ločevanje DNS za zunanje domene deluje pravilno.
- Preverite pravila požarnega zidu: Preverite, da pravila požarnega zidu ne blokirajo prometa.
Težave z zmogljivostjo omrežja:
- Spremljajte omrežni promet: Uporabljajte orodja za spremljanje, da sledite omrežnemu prometu in prepoznate ozka grla.
- Preverite zakasnitev omrežja: Izmerite zakasnitev omrežja med podi in vozlišči.
- Optimizirajte konfiguracijo omrežja: Optimizirajte konfiguracijo omrežja za izboljšanje zmogljivosti.

CNI in servisne mreže

Medtem ko vtičniki CNI skrbijo za osnovno omrežje podov, servisne mreže zagotavljajo dodatno plast funkcionalnosti za upravljanje in varovanje mikrostoritev. Servisne mreže, kot so Istio, Linkerd in Consul Connect, delujejo v sodelovanju z vtičniki CNI in zagotavljajo funkcije, kot so:

Upravljanje prometa: Usmerjanje, uravnoteženje bremena in oblikovanje prometa.
Varnost: Medsebojna avtentikacija TLS, avtorizacija in šifriranje.
Opazljivost: Meritve, sledenje in beleženje.

Servisne mreže običajno v vsak pod vbrizgajo postranski proxy (sidecar proxy), ki prestreže ves omrežni promet in uporabi politike servisne mreže. Vtičnik CNI je odgovoren za vzpostavitev osnovne omrežne povezljivosti za sidecar proxy, medtem ko servisna mreža skrbi za naprednejše funkcije upravljanja prometa in varnosti. Razmislite o servisnih mrežah za kompleksne arhitekture mikrostoritev za izboljšanje varnosti, opazljivosti in nadzora.

Prihodnost omrežja v Kubernetesu

Omrežje v Kubernetesu se nenehno razvija, ves čas se pojavljajo nove tehnologije in funkcije. Nekateri ključni trendi v omrežju Kubernetes vključujejo:

eBPF: eBPF postaja vse bolj priljubljen za implementacijo omrežnih in varnostnih politik v Kubernetesu zaradi svoje visoke zmogljivosti in nizke obremenitve.
Integracija servisnih mrež: Pričakuje se, da bo tesnejša integracija med vtičniki CNI in servisnimi mrežami še dodatno poenostavila upravljanje in varnost mikrostoritev.
Omrežje med več gručami (Multicluster Networking): Ker organizacije vse bolj sprejemajo arhitekture z več gručami, postajajo rešitve za povezovanje in upravljanje omrežij med več gručami Kubernetes vse pomembnejše.
Omrežne funkcije, prilagojene oblaku (CNF): Uporaba Kubernetesa za uvajanje in upravljanje omrežnih funkcij pridobiva na veljavi, kar poganja sprejemanje 5G in drugih naprednih omrežnih tehnologij.

Zaključek

Razumevanje vtičnikov CNI je bistvenega pomena za izgradnjo in upravljanje robustnih in razširljivih okolij Kubernetes. Z izbiro pravega vtičnika CNI, njegovo pravilno konfiguracijo in upoštevanjem najboljših praks lahko zagotovite, da imajo vaše aplikacije v Kubernetesu omrežno povezljivost in varnost, ki ju potrebujejo za uspeh. Ker se omrežje v Kubernetesu še naprej razvija, bo obveščenost o najnovejših trendih in tehnologijah ključnega pomena za maksimiziranje prednosti te močne platforme za orkestracijo vsebovalnikov. Od majhnih postavitev do velikih podjetniških okolij, ki se raztezajo čez več celin, obvladovanje vtičnikov CNI odklepa resnični potencial omrežja v Kubernetesu.