Kubernetes-nätverk: En djupdykning i CNI-plugins

Kubernetes har revolutionerat containerorkestrering, vilket möjliggör driftsättning och hantering av applikationer i stor skala. Kärnan i Kubernetes-nätverk är Container Network Interface (CNI), ett standardgränssnitt som låter Kubernetes arbeta med en mängd olika nätverkslösningar. Att förstå CNI-plugins är avgörande för att bygga robusta och skalbara Kubernetes-miljöer. Denna omfattande guide kommer att utforska CNI-plugins i detalj och täcka deras roll, populära alternativ, konfiguration och bästa praxis.

Vad är Container Network Interface (CNI)?

Container Network Interface (CNI) är en specifikation utvecklad av Cloud Native Computing Foundation (CNCF) för att konfigurera nätverksgränssnitt för Linux-containrar. Det tillhandahåller ett standard-API som låter Kubernetes interagera med olika nätverksleverantörer. Denna standardisering gör Kubernetes mycket flexibelt och låter användare välja den nätverkslösning som bäst passar deras behov.

CNI-plugins ansvarar för följande uppgifter:

Allokera nätverksresurser: Tilldela IP-adresser och andra nätverksparametrar till poddar.
Konfigurera containernätverket: Sätta upp nätverksgränssnitt inuti containern.
Ansluta containrar till nätverket: Integrera containrar i det övergripande Kubernetes-nätverket.
Städa upp nätverksresurser: Frigöra resurser när poddar avslutas.

Hur CNI-plugins fungerar

När en ny pod skapas i Kubernetes anropar kubelet (agenten som körs på varje nod) CNI-pluginet för att konfigurera poddens nätverk. Processen innefattar vanligtvis följande steg:

Kubelet tar emot en begäran om att skapa en pod.
Kubelet bestämmer vilket CNI-plugin som ska användas baserat på klusterkonfigurationen.
Kubelet anropar CNI-pluginet och tillhandahåller information om podden, såsom dess namespace, namn och etiketter.
CNI-pluginet allokerar en IP-adress för podden från ett fördefinierat IP-adressintervall.
CNI-pluginet skapar ett virtuellt nätverksgränssnitt (veth-par) på värdnoden. Den ena änden av veth-paret ansluts till poddens network namespace, och den andra änden förblir på värdens network namespace.
CNI-pluginet konfigurerar poddens network namespace, ställer in IP-adress, gateway och rutter.
CNI-pluginet uppdaterar routingtabellerna på värdnoden för att säkerställa att trafik till och från podden dirigeras korrekt.

Populära CNI-plugins

Flera CNI-plugins finns tillgängliga, var och en med sina egna funktioner, fördelar och nackdelar. Här är några av de mest populära CNI-pluginsen:

Calico

Översikt: Calico är ett välanvänt CNI-plugin som tillhandahåller en skalbar och säker nätverkslösning för Kubernetes. Det stöder både overlay- och icke-overlay-nätverksmodeller och erbjuder avancerade funktioner för nätverkspolicyer.

Nyckelfunktioner:

Nätverkspolicy: Calicos motor för nätverkspolicyer låter dig definiera finkorniga åtkomstkontrollregler för poddar. Dessa policyer kan baseras på pod-etiketter, namespaces och andra kriterier.
BGP-routing: Calico kan använda BGP (Border Gateway Protocol) för att annonsera pod-IP-adresser till den underliggande nätverksinfrastrukturen. Detta eliminerar behovet av overlay-nätverk och förbättrar prestandan.
IP-adresshantering (IPAM): Calico inkluderar sitt eget IPAM-system, som automatiskt allokerar IP-adresser till poddar.
Kryptering: Calico stöder kryptering av nätverkstrafik med WireGuard eller IPsec.

Exempel på användningsfall: En finansiell institution som använder Calico för att upprätthålla strikta säkerhetspolicyer mellan olika mikrotjänster i sitt Kubernetes-kluster. Till exempel, förhindra direkt kommunikation mellan frontend- och databas-poddar och tvinga all databasåtkomst att gå genom ett dedikerat API-lager.

Flannel

Översikt: Flannel är ett enkelt och lättviktigt CNI-plugin som skapar ett overlay-nätverk för Kubernetes. Det är enkelt att installera och konfigurera, vilket gör det till ett populärt val för mindre driftsättningar eller för användare som är nya inom Kubernetes-nätverk.

Nyckelfunktioner:

Overlay-nätverk: Flannel skapar ett virtuellt nätverk ovanpå den befintliga nätverksinfrastrukturen. Poddar kommunicerar med varandra genom detta overlay-nätverk.
Enkel konfiguration: Flannel är lätt att konfigurera och kräver minimal installation.
Flera backends: Flannel stöder olika backends för overlay-nätverket, inklusive VXLAN, host-gw och UDP.

Exempel på användningsfall: En startup som använder Flannel för sin första Kubernetes-driftsättning på grund av dess enkelhet och lätta konfiguration. De prioriterar att få sin applikation igång snabbt framför avancerade nätverksfunktioner.

Weave Net

Översikt: Weave Net är ett annat populärt CNI-plugin som skapar ett overlay-nätverk för Kubernetes. Det erbjuder en rad funktioner, inklusive automatisk IP-adresshantering, nätverkspolicy och kryptering.

Nyckelfunktioner:

Automatisk IP-adresshantering: Weave Net tilldelar automatiskt IP-adresser till poddar och hanterar IP-adressintervallet.
Nätverkspolicy: Weave Net låter dig definiera nätverkspolicyer för att kontrollera trafik mellan poddar.
Kryptering: Weave Net stöder kryptering av nätverkstrafik med AES-GCM.
Tjänsteupptäckt: Weave Net tillhandahåller inbyggd tjänsteupptäckt, vilket gör att poddar enkelt kan hitta och ansluta till varandra.

Exempel på användningsfall: Ett mjukvaruutvecklingsföretag som använder Weave Net för sina utvecklings- och testmiljöer. De automatiska funktionerna för IP-adresshantering och tjänsteupptäckt förenklar driftsättningen och hanteringen av applikationer i dessa miljöer.

Cilium

Översikt: Cilium är ett CNI-plugin som utnyttjar eBPF (extended Berkeley Packet Filter) för att tillhandahålla högpresterande nätverk och säkerhet för Kubernetes. Det erbjuder avancerade funktioner som nätverkspolicy, lastbalansering och observerbarhet.

Nyckelfunktioner:

eBPF-baserat nätverk: Cilium använder eBPF för att implementera nätverks- och säkerhetspolicyer på kärnnivå. Detta ger hög prestanda och låg overhead.
Nätverkspolicy: Cilium stöder avancerade funktioner för nätverkspolicyer, inklusive L7-policytillämpning.
Lastbalansering: Cilium tillhandahåller inbyggd lastbalansering för Kubernetes-tjänster.
Observerbarhet: Cilium ger detaljerad insyn i nätverkstrafik, vilket gör att du kan övervaka och felsöka nätverksproblem.

Exempel på användningsfall: Ett stort e-handelsföretag som använder Cilium för att hantera höga trafikvolymer och upprätthålla strikta säkerhetspolicyer. Det eBPF-baserade nätverket och lastbalanseringsfunktionerna säkerställer optimal prestanda, medan de avancerade nätverkspolicyfunktionerna skyddar mot potentiella hot.

Att välja rätt CNI-plugin

Valet av lämpligt CNI-plugin beror på de specifika kraven i din Kubernetes-miljö. Tänk på följande faktorer:

Skalbarhet: Kan CNI-pluginet hantera det förväntade antalet poddar och noder i ditt kluster?
Säkerhet: Tillhandahåller CNI-pluginet de nödvändiga säkerhetsfunktionerna, såsom nätverkspolicy och kryptering?
Prestanda: Erbjuder CNI-pluginet acceptabel prestanda för dina applikationer?
Användarvänlighet: Hur lätt är CNI-pluginet att installera, konfigurera och underhålla?
Funktioner: Tillhandahåller CNI-pluginet de funktioner du behöver, såsom IP-adresshantering, tjänsteupptäckt och observerbarhet?
Community-stöd: Underhålls och stöds CNI-pluginet aktivt av en stark community?

För enkla driftsättningar kan Flannel vara tillräckligt. För mer komplexa miljöer med stränga säkerhetskrav kan Calico eller Cilium vara bättre val. Weave Net erbjuder en bra balans mellan funktioner och användarvänlighet. Utvärdera dina specifika behov och välj det CNI-plugin som bäst passar dina krav.

Konfigurera CNI-plugins

CNI-plugins konfigureras vanligtvis med en CNI-konfigurationsfil, vilket är en JSON-fil som specificerar pluginets inställningar. Platsen för CNI-konfigurationsfilen bestäms av flaggan --cni-conf-dir för kubelet. Som standard är denna flagga inställd på /etc/cni/net.d.

CNI-konfigurationsfilen innehåller följande information:

cniVersion: CNI-specifikationens version.
name: Nätverkets namn.
type: Namnet på det CNI-plugin som ska användas.
capabilities: En lista över funktioner som stöds av pluginet.
ipam: Konfiguration för IP-adresshantering.
plugins: (Valfritt) En lista över ytterligare CNI-plugins som ska köras.

Här är ett exempel på en CNI-konfigurationsfil för Flannel:

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

Denna konfigurationsfil instruerar Kubernetes att använda Flannel CNI-pluginet för att skapa ett nätverk med namnet "mynet". Sektionen delegate specificerar ytterligare konfigurationsalternativ för Flannel-pluginet.

De specifika konfigurationsalternativen varierar beroende på vilket CNI-plugin som används. Se dokumentationen för ditt valda CNI-plugin för detaljerad information om tillgängliga konfigurationsalternativ.

Bästa praxis för CNI-plugins

Följ dessa bästa praxis för att säkerställa en robust och skalbar nätverksmiljö i Kubernetes:

Välj rätt CNI-plugin: Välj det CNI-plugin som bäst passar dina specifika krav, med hänsyn till faktorer som skalbarhet, säkerhet, prestanda och användarvänlighet.
Använd nätverkspolicyer: Implementera nätverkspolicyer för att kontrollera trafik mellan poddar och upprätthålla säkerhetsgränser.
Övervaka nätverksprestanda: Använd övervakningsverktyg för att spåra nätverksprestanda och identifiera potentiella problem.
Håll CNI-plugins uppdaterade: Uppdatera regelbundet dina CNI-plugins för att dra nytta av buggfixar, säkerhetsuppdateringar och nya funktioner.
Använd ett dedikerat IP-adressintervall: Allokera ett dedikerat IP-adressintervall för dina Kubernetes-poddar för att undvika konflikter med andra nätverk.
Planera för skalbarhet: Designa din nätverksinfrastruktur för att rymma framtida tillväxt och se till att ditt CNI-plugin kan hantera ett ökande antal poddar och noder.

Felsökning av CNI-plugins

Nätverksproblem kan vara komplexa och utmanande att felsöka. Här är några vanliga problem och hur man kan hantera dem:

Pod kan inte ansluta till andra poddar:
- Kontrollera nätverkspolicyer: Säkerställ att nätverkspolicyer inte blockerar trafiken.
- Verifiera routingtabeller: Verifiera att routingtabellerna på värdnoderna är korrekt konfigurerade.
- Kontrollera DNS-uppslagning: Säkerställ att DNS-uppslagning fungerar korrekt inom klustret.
- Inspektera CNI-loggar: Granska loggarna för CNI-pluginet efter eventuella fel eller varningar.
Pod kan inte ansluta till externa tjänster:
- Kontrollera egress-regler: Säkerställ att egress-regler är korrekt konfigurerade för att tillåta trafik till externa tjänster.
- Verifiera DNS-uppslagning: Säkerställ att DNS-uppslagning fungerar korrekt för externa domäner.
- Kontrollera brandväggsregler: Verifiera att brandväggsregler inte blockerar trafiken.
Problem med nätverksprestanda:
- Övervaka nätverkstrafik: Använd övervakningsverktyg för att spåra nätverkstrafik och identifiera flaskhalsar.
- Kontrollera nätverkslatens: Mät nätverkslatens mellan poddar och noder.
- Optimera nätverkskonfiguration: Optimera nätverkskonfigurationen för att förbättra prestandan.

CNI och Service Meshes

Medan CNI-plugins hanterar grundläggande pod-nätverk, tillhandahåller service meshes ett ytterligare lager av funktionalitet för att hantera och säkra mikrotjänster. Service meshes som Istio, Linkerd och Consul Connect arbetar tillsammans med CNI-plugins för att erbjuda funktioner som:

Trafikhantering: Routing, lastbalansering och trafikformning.
Säkerhet: Ömsesidig TLS-autentisering, auktorisering och kryptering.
Observerbarhet: Mätvärden, spårning och loggning.

Service meshes injicerar vanligtvis en sidecar-proxy i varje pod, som avlyssnar all nätverkstrafik och tillämpar service mesh-policyerna. CNI-pluginet ansvarar för att sätta upp den grundläggande nätverksanslutningen för sidecar-proxyn, medan service meshen hanterar de mer avancerade funktionerna för trafikhantering och säkerhet. Överväg service meshes för komplexa mikrotjänstarkitekturer för att förbättra säkerhet, observerbarhet och kontroll.

Framtiden för Kubernetes-nätverk

Kubernetes-nätverk utvecklas ständigt, med nya teknologier och funktioner som dyker upp hela tiden. Några av de viktigaste trenderna inom Kubernetes-nätverk inkluderar:

eBPF: eBPF blir alltmer populärt för att implementera nätverks- och säkerhetspolicyer i Kubernetes på grund av dess höga prestanda och låga overhead.
Integration med Service Mesh: Närmare integration mellan CNI-plugins och service meshes förväntas ytterligare förenkla hanteringen och säkerheten för mikrotjänster.
Multikluster-nätverk: I takt med att organisationer i allt högre grad antar multiklusterarkitekturer blir lösningar för att ansluta och hantera nätverk över flera Kubernetes-kluster allt viktigare.
Cloud-Native Network Functions (CNFs): Användningen av Kubernetes för att driftsätta och hantera nätverksfunktioner vinner mark, drivet av anammandet av 5G och andra avancerade nätverksteknologier.

Slutsats

Att förstå CNI-plugins är avgörande för att bygga och hantera robusta och skalbara Kubernetes-miljöer. Genom att välja rätt CNI-plugin, konfigurera det korrekt och följa bästa praxis kan du säkerställa att dina Kubernetes-applikationer har den nätverksanslutning och säkerhet de behöver för att lyckas. I takt med att Kubernetes-nätverk fortsätter att utvecklas kommer det att vara avgörande att hålla sig informerad om de senaste trenderna och teknologierna för att maximera fördelarna med denna kraftfulla containerorkestreringsplattform. Från småskaliga driftsättningar till stora företagsmiljöer som sträcker sig över flera kontinenter, låser bemästrandet av CNI-plugins upp den sanna potentialen hos Kubernetes-nätverk.