เครือข่าย Kubernetes: เจาะลึกปลั๊กอิน CNI

Kubernetes ได้ปฏิวัติการจัดการคอนเทนเนอร์ (container orchestration) ทำให้สามารถปรับใช้และจัดการแอปพลิเคชันในระดับสเกลใหญ่ได้ หัวใจสำคัญของเครือข่าย Kubernetes คือ Container Network Interface (CNI) ซึ่งเป็นอินเทอร์เฟซมาตรฐานที่ช่วยให้ Kubernetes สามารถทำงานร่วมกับโซลูชันเครือข่ายที่หลากหลายได้ การทำความเข้าใจปลั๊กอิน CNI เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างสภาพแวดล้อม Kubernetes ที่แข็งแกร่งและขยายขนาดได้ คู่มือฉบับสมบูรณ์นี้จะสำรวจปลั๊กอิน CNI อย่างละเอียด ครอบคลุมถึงบทบาท ตัวเลือกยอดนิยม การกำหนดค่า และแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

Container Network Interface (CNI) คืออะไร?

Container Network Interface (CNI) คือข้อกำหนดที่พัฒนาโดย Cloud Native Computing Foundation (CNCF) สำหรับการกำหนดค่าอินเทอร์เฟซเครือข่ายสำหรับคอนเทนเนอร์ของ Linux โดยมี API มาตรฐานที่ช่วยให้ Kubernetes สามารถโต้ตอบกับผู้ให้บริการเครือข่ายต่างๆ ได้ การสร้างมาตรฐานนี้ทำให้ Kubernetes มีความยืดหยุ่นสูงและช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกโซลูชันเครือข่ายที่เหมาะสมกับความต้องการของตนเองได้ดีที่สุด

ปลั๊กอิน CNI มีหน้าที่รับผิดชอบงานต่อไปนี้:

• จัดสรรทรัพยากรเครือข่าย: การกำหนด IP address และพารามิเตอร์เครือข่ายอื่นๆ ให้กับพ็อด
• กำหนดค่าเครือข่ายคอนเทนเนอร์: การตั้งค่าอินเทอร์เฟซเครือข่ายภายในคอนเทนเนอร์
• เชื่อมต่อคอนเทนเนอร์เข้ากับเครือข่าย: การรวมคอนเทนเนอร์เข้ากับเครือข่ายโดยรวมของ Kubernetes
• ล้างทรัพยากรเครือข่าย: การคืนทรัพยากรเมื่อพ็อดยุติการทำงาน

หลักการทำงานของปลั๊กอิน CNI

เมื่อมีการสร้างพ็อดใหม่ใน Kubernetes ตัว kubelet (เอเจนต์ที่ทำงานบนแต่ละโหนด) จะเรียกใช้ปลั๊กอิน CNI เพื่อกำหนดค่าเครือข่ายของพ็อด กระบวนการนี้โดยทั่วไปมีขั้นตอนดังต่อไปนี้:

1. kubelet ได้รับคำขอให้สร้างพ็อด
2. kubelet จะพิจารณาว่าจะใช้ปลั๊กอิน CNI ตัวใดโดยอิงตามการกำหนดค่าของคลัสเตอร์
3. kubelet จะเรียกปลั๊กอิน CNI พร้อมให้ข้อมูลเกี่ยวกับพ็อด เช่น namespace, ชื่อ และ label
4. ปลั๊กอิน CNI จะจัดสรร IP address สำหรับพ็อดจากช่วง IP address ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
5. ปลั๊กอิน CNI จะสร้างอินเทอร์เฟซเครือข่ายเสมือน (veth pair) บนโหนดโฮสต์ ปลายด้านหนึ่งของ veth pair จะถูกแนบไปกับ network namespace ของพ็อด และปลายอีกด้านจะยังคงอยู่บน network namespace ของโฮสต์
6. ปลั๊กอิน CNI จะกำหนดค่า network namespace ของพ็อด โดยตั้งค่า IP address, gateway และ routes
7. ปลั๊กอิน CNI จะอัปเดตตารางเส้นทาง (routing tables) บนโหนดโฮสต์เพื่อให้แน่ใจว่าทราฟฟิกไปและกลับจากพ็อดถูกส่งไปอย่างถูกต้อง

ปลั๊กอิน CNI ยอดนิยม

มีปลั๊กอิน CNI หลายตัวให้เลือกใช้งาน โดยแต่ละตัวมีคุณสมบัติ ข้อดี และข้อเสียแตกต่างกันไป นี่คือปลั๊กอิน CNI ที่ได้รับความนิยมสูงสุดบางส่วน:

Calico

ภาพรวม: Calico เป็นปลั๊กอิน CNI ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ซึ่งมอบโซลูชันเครือข่ายที่ขยายขนาดได้และปลอดภัยสำหรับ Kubernetes รองรับทั้งโมเดลเครือข่ายแบบ overlay และ non-overlay และมีคุณสมบัติด้านนโยบายเครือข่ายขั้นสูง

คุณสมบัติหลัก:

• Network Policy: กลไกนโยบายเครือข่ายของ Calico ช่วยให้คุณสามารถกำหนดกฎการควบคุมการเข้าถึงสำหรับพ็อดได้อย่างละเอียด นโยบายเหล่านี้สามารถอิงตาม pod label, namespace และเกณฑ์อื่นๆ
• BGP Routing: Calico สามารถใช้ BGP (Border Gateway Protocol) เพื่อประกาศ IP address ของพ็อดไปยังโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายเบื้องหลัง ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้เครือข่าย overlay และปรับปรุงประสิทธิภาพ
• IP Address Management (IPAM): Calico มีระบบ IPAM ของตัวเอง ซึ่งจะจัดสรร IP address ให้กับพ็อดโดยอัตโนมัติ
• Encryption: Calico รองรับการเข้ารหัสทราฟฟิกเครือข่ายโดยใช้ WireGuard หรือ IPsec

ตัวอย่างการใช้งาน: สถาบันการเงินแห่งหนึ่งใช้ Calico เพื่อบังคับใช้นโยบายความปลอดภัยที่เข้มงวดระหว่างไมโครเซอร์วิสต่างๆ ภายในคลัสเตอร์ Kubernetes ของตน ตัวอย่างเช่น การป้องกันการสื่อสารโดยตรงระหว่างพ็อดของ frontend และ database และบังคับให้การเข้าถึง database ทั้งหมดต้องผ่าน API layer ที่กำหนดไว้โดยเฉพาะ

Flannel

ภาพรวม: Flannel เป็นปลั๊กอิน CNI ที่เรียบง่ายและมีน้ำหนักเบา ซึ่งสร้างเครือข่าย overlay สำหรับ Kubernetes ติดตั้งและกำหนดค่าได้ง่าย ทำให้เป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการใช้งานขนาดเล็กหรือสำหรับผู้ใช้ที่ยังใหม่กับเครือข่าย Kubernetes

คุณสมบัติหลัก:

• Overlay Network: Flannel สร้างเครือข่ายเสมือนทับบนโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายที่มีอยู่ พ็อดจะสื่อสารกันผ่านเครือข่าย overlay นี้
• Simple Configuration: Flannel กำหนดค่าได้ง่ายและต้องการการตั้งค่าเพียงเล็กน้อย
• Multiple Backends: Flannel รองรับ backend ที่แตกต่างกันสำหรับเครือข่าย overlay รวมถึง VXLAN, host-gw และ UDP

ตัวอย่างการใช้งาน: บริษัทสตาร์ทอัพใช้ Flannel สำหรับการปรับใช้ Kubernetes ในช่วงแรก เนื่องจากความเรียบง่ายและง่ายต่อการกำหนดค่า พวกเขาให้ความสำคัญกับการทำให้แอปพลิเคชันทำงานได้อย่างรวดเร็วมากกว่าคุณสมบัติเครือข่ายขั้นสูง

Weave Net

ภาพรวม: Weave Net เป็นอีกหนึ่งปลั๊กอิน CNI ยอดนิยมที่สร้างเครือข่าย overlay สำหรับ Kubernetes มีคุณสมบัติหลากหลาย รวมถึงการจัดการ IP address อัตโนมัติ นโยบายเครือข่าย และการเข้ารหัส

คุณสมบัติหลัก:

• Automatic IP Address Management: Weave Net จะกำหนด IP address ให้กับพ็อดโดยอัตโนมัติและจัดการช่วงของ IP address
• Network Policy: Weave Net ช่วยให้คุณสามารถกำหนดนโยบายเครือข่ายเพื่อควบคุมทราฟฟิกระหว่างพ็อดได้
• Encryption: Weave Net รองรับการเข้ารหัสทราฟฟิกเครือข่ายโดยใช้ AES-GCM
• Service Discovery: Weave Net มี service discovery ในตัว ช่วยให้พ็อดสามารถค้นหาและเชื่อมต่อกันได้อย่างง่ายดาย

ตัวอย่างการใช้งาน: บริษัทพัฒนาซอฟต์แวร์ใช้ Weave Net สำหรับสภาพแวดล้อมการพัฒนาและทดสอบ คุณสมบัติการจัดการ IP address อัตโนมัติและ service discovery ช่วยลดความซับซ้อนในการปรับใช้และจัดการแอปพลิเคชันในสภาพแวดล้อมเหล่านี้

Cilium

ภาพรวม: Cilium เป็นปลั๊กอิน CNI ที่ใช้ประโยชน์จาก eBPF (extended Berkeley Packet Filter) เพื่อมอบประสิทธิภาพเครือข่ายและความปลอดภัยระดับสูงสำหรับ Kubernetes มีคุณสมบัติขั้นสูง เช่น นโยบายเครือข่าย การทำ load balancing และ observability

คุณสมบัติหลัก:

• eBPF-based Networking: Cilium ใช้ eBPF เพื่อใช้นโยบายเครือข่ายและความปลอดภัยในระดับ kernel ซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงและมี overhead ต่ำ
• Network Policy: Cilium รองรับคุณสมบัตินโยบายเครือข่ายขั้นสูง รวมถึงการบังคับใช้นโยบายระดับ L7
• Load Balancing: Cilium มี load balancing ในตัวสำหรับบริการของ Kubernetes
• Observability: Cilium ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับทราฟฟิกเครือข่ายอย่างละเอียด ช่วยให้คุณสามารถตรวจสอบและแก้ไขปัญหาเครือข่ายได้

ตัวอย่างการใช้งาน: บริษัทอีคอมเมิร์ซขนาดใหญ่ใช้ Cilium เพื่อรองรับปริมาณทราฟฟิกสูงและบังคับใช้นโยบายความปลอดภัยที่เข้มงวด เครือข่ายที่ใช้ eBPF และความสามารถในการทำ load balancing ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพสูงสุด ในขณะที่คุณสมบัตินโยบายเครือข่ายขั้นสูงช่วยป้องกันภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้น

การเลือกปลั๊กอิน CNI ที่เหมาะสม

การเลือกปลั๊กอิน CNI ที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของสภาพแวดล้อม Kubernetes ของคุณ พิจารณาปัจจัยต่อไปนี้:

• Scalability: ปลั๊กอิน CNI สามารถรองรับจำนวนพ็อดและโหนดที่คาดการณ์ไว้ในคลัสเตอร์ของคุณได้หรือไม่?
• Security: ปลั๊กอิน CNI มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่จำเป็น เช่น นโยบายเครือข่ายและการเข้ารหัสหรือไม่?
• Performance: ปลั๊กอิน CNI ให้ประสิทธิภาพที่ยอมรับได้สำหรับแอปพลิเคชันของคุณหรือไม่?
• Ease of Use: ปลั๊กอิน CNI ติดตั้ง กำหนดค่า และบำรุงรักษาง่ายเพียงใด?
• Features: ปลั๊กอิน CNI มีคุณสมบัติที่คุณต้องการ เช่น การจัดการ IP address, service discovery และ observability หรือไม่?
• Community Support: ปลั๊กอิน CNI ได้รับการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่องและได้รับการสนับสนุนจากชุมชนที่แข็งแกร่งหรือไม่?

สำหรับการปรับใช้ที่เรียบง่าย Flannel อาจเพียงพอ สำหรับสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนมากขึ้นและมีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่เข้มงวด Calico หรือ Cilium อาจเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า Weave Net ให้ความสมดุลที่ดีระหว่างคุณสมบัติและความง่ายในการใช้งาน ประเมินความต้องการเฉพาะของคุณและเลือกปลั๊กอิน CNI ที่เหมาะสมกับความต้องการของคุณมากที่สุด

การกำหนดค่าปลั๊กอิน CNI

โดยทั่วไปปลั๊กอิน CNI จะถูกกำหนดค่าโดยใช้ไฟล์การกำหนดค่า CNI ซึ่งเป็นไฟล์ JSON ที่ระบุการตั้งค่าของปลั๊กอิน ตำแหน่งของไฟล์การกำหนดค่า CNI จะถูกกำหนดโดยแฟล็ก --cni-conf-dir ของ kubelet โดยค่าเริ่มต้น แฟล็กนี้จะถูกตั้งค่าเป็น /etc/cni/net.d

ไฟล์การกำหนดค่า CNI ประกอบด้วยข้อมูลต่อไปนี้:

• cniVersion: เวอร์ชันของข้อกำหนด CNI
• name: ชื่อของเครือข่าย
• type: ชื่อของปลั๊กอิน CNI ที่จะใช้
• capabilities: รายการความสามารถที่ปลั๊กอินรองรับ
• ipam: การกำหนดค่าสำหรับการจัดการ IP address
• plugins: (ตัวเลือก) รายการของปลั๊กอิน CNI เพิ่มเติมที่จะทำงาน

นี่คือตัวอย่างไฟล์การกำหนดค่า CNI สำหรับ Flannel:

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

ไฟล์การกำหนดค่านี้บอกให้ Kubernetes ใช้ปลั๊กอิน Flannel CNI เพื่อสร้างเครือข่ายชื่อ "mynet" ส่วน delegate ระบุตัวเลือกการกำหนดค่าเพิ่มเติมสำหรับปลั๊กอิน Flannel

ตัวเลือกการกำหนดค่าเฉพาะจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปลั๊กอิน CNI ที่ใช้ โปรดดูเอกสารประกอบสำหรับปลั๊กอิน CNI ที่คุณเลือกสำหรับข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับตัวเลือกการกำหนดค่าที่มี

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับปลั๊กอิน CNI

ปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเหล่านี้เพื่อให้แน่ใจว่าสภาพแวดล้อมเครือข่าย Kubernetes ของคุณมีความแข็งแกร่งและสามารถขยายขนาดได้:

• เลือกปลั๊กอิน CNI ที่เหมาะสม: เลือกปลั๊กอิน CNI ที่เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของคุณมากที่สุด โดยพิจารณาจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความสามารถในการขยายขนาด ความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และความง่ายในการใช้งาน
• ใช้นโยบายเครือข่าย: ใช้นโยบายเครือข่ายเพื่อควบคุมทราฟฟิกระหว่างพ็อดและบังคับใช้ขอบเขตความปลอดภัย
• ตรวจสอบประสิทธิภาพเครือข่าย: ใช้เครื่องมือตรวจสอบเพื่อติดตามประสิทธิภาพเครือข่ายและระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้น
• อัปเดตปลั๊กอิน CNI ให้เป็นปัจจุบัน: อัปเดตปลั๊กอิน CNI ของคุณเป็นประจำเพื่อรับประโยชน์จากการแก้ไขข้อบกพร่อง แพตช์ความปลอดภัย และคุณสมบัติใหม่ๆ
• ใช้ช่วง IP address เฉพาะ: จัดสรรช่วง IP address เฉพาะสำหรับพ็อด Kubernetes ของคุณเพื่อหลีกเลี่ยงความขัดแย้งกับเครือข่ายอื่น
• วางแผนสำหรับการขยายขนาด: ออกแบบโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายของคุณเพื่อรองรับการเติบโตในอนาคตและตรวจสอบให้แน่ใจว่าปลั๊กอิน CNI ของคุณสามารถรองรับจำนวนพ็อดและโหนดที่เพิ่มขึ้นได้

การแก้ไขปัญหาปลั๊กอิน CNI

ปัญหาเกี่ยวกับเครือข่ายอาจซับซ้อนและท้าทายในการแก้ไขปัญหา นี่คือปัญหาที่พบบ่อยและวิธีการแก้ไข:

• พ็อดไม่สามารถเชื่อมต่อกับพ็อดอื่นได้:
  • ตรวจสอบนโยบายเครือข่าย: ตรวจสอบให้แน่ใจว่านโยบายเครือข่ายไม่ได้ปิดกั้นทราฟฟิก
  • ตรวจสอบตารางเส้นทาง: ตรวจสอบว่าตารางเส้นทางบนโหนดโฮสต์ได้รับการกำหนดค่าอย่างถูกต้อง
  • ตรวจสอบการแก้ไข DNS: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการแก้ไข DNS ทำงานอย่างถูกต้องภายในคลัสเตอร์
  • ตรวจสอบบันทึก CNI: ตรวจสอบบันทึกของปลั๊กอิน CNI เพื่อหาข้อผิดพลาดหรือคำเตือน
• พ็อดไม่สามารถเชื่อมต่อกับบริการภายนอกได้:
  • ตรวจสอบกฎ egress: ตรวจสอบให้แน่ใจว่ากฎ egress ได้รับการกำหนดค่าอย่างถูกต้องเพื่ออนุญาตทราฟฟิกไปยังบริการภายนอก
  • ตรวจสอบการแก้ไข DNS: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการแก้ไข DNS ทำงานอย่างถูกต้องสำหรับโดเมนภายนอก
  • ตรวจสอบกฎไฟร์วอลล์: ตรวจสอบว่ากฎไฟร์วอลล์ไม่ได้ปิดกั้นทราฟฟิก
• ปัญหาประสิทธิภาพเครือข่าย:
  • ตรวจสอบทราฟฟิกเครือข่าย: ใช้เครื่องมือตรวจสอบเพื่อติดตามทราฟฟิกเครือข่ายและระบุคอขวด
  • ตรวจสอบความหน่วงของเครือข่าย: วัดความหน่วงของเครือข่ายระหว่างพ็อดและโหนด
  • ปรับปรุงการกำหนดค่าเครือข่าย: ปรับปรุงการกำหนดค่าเครือข่ายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

CNI และ Service Mesh

ในขณะที่ปลั๊กอิน CNI จัดการเครือข่ายพ็อดพื้นฐาน service mesh จะให้ฟังก์ชันการทำงานอีกชั้นหนึ่งสำหรับการจัดการและรักษาความปลอดภัยของไมโครเซอร์วิส Service mesh เช่น Istio, Linkerd และ Consul Connect ทำงานร่วมกับปลั๊กอิน CNI เพื่อให้คุณสมบัติต่างๆ เช่น:

• การจัดการทราฟฟิก: การกำหนดเส้นทาง, การทำ load balancing และการควบคุมทราฟฟิก (traffic shaping)
• ความปลอดภัย: การพิสูจน์ตัวตนแบบ Mutual TLS, การให้สิทธิ์ และการเข้ารหัส
• Observability: เมตริก, การติดตาม (tracing) และการบันทึก (logging)

โดยทั่วไป Service mesh จะแทรก sidecar proxy เข้าไปในแต่ละพ็อด ซึ่งจะดักจับทราฟฟิกเครือข่ายทั้งหมดและใช้นโยบายของ service mesh ปลั๊กอิน CNI มีหน้าที่รับผิดชอบในการตั้งค่าการเชื่อมต่อเครือข่ายพื้นฐานสำหรับ sidecar proxy ในขณะที่ service mesh จะจัดการคุณสมบัติการจัดการทราฟฟิกและความปลอดภัยที่ซับซ้อนกว่า ควรพิจารณาใช้ service mesh สำหรับสถาปัตยกรรมไมโครเซอร์วิสที่ซับซ้อนเพื่อเพิ่มความปลอดภัย, observability และการควบคุม

อนาคตของเครือข่าย Kubernetes

เครือข่าย Kubernetes มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยมีเทคโนโลยีและคุณสมบัติใหม่ๆ เกิดขึ้นตลอดเวลา แนวโน้มสำคัญบางประการในเครือข่าย Kubernetes ได้แก่:

• eBPF: eBPF กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในการใช้นโยบายเครือข่ายและความปลอดภัยใน Kubernetes เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและมี overhead ต่ำ
• Service Mesh Integration: การผสานรวมที่ใกล้ชิดยิ่งขึ้นระหว่างปลั๊กอิน CNI และ service mesh คาดว่าจะช่วยให้การจัดการและความปลอดภัยของไมโครเซอร์วิสง่ายขึ้น
• Multicluster Networking: ในขณะที่องค์กรต่างๆ หันมาใช้สถาปัตยกรรมแบบหลายคลัสเตอร์มากขึ้น โซลูชันสำหรับการเชื่อมต่อและจัดการเครือข่ายข้ามคลัสเตอร์ Kubernetes หลายๆ แห่งจึงมีความสำคัญมากขึ้น
• Cloud-Native Network Functions (CNFs): การใช้ Kubernetes เพื่อปรับใช้และจัดการฟังก์ชันเครือข่ายกำลังได้รับความนิยม ซึ่งขับเคลื่อนโดยการนำ 5G และเทคโนโลยีเครือข่ายขั้นสูงอื่นๆ มาใช้

สรุป

การทำความเข้าใจปลั๊กอิน CNI เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างและจัดการสภาพแวดล้อม Kubernetes ที่แข็งแกร่งและสามารถขยายขนาดได้ ด้วยการเลือกปลั๊กอิน CNI ที่เหมาะสม การกำหนดค่าอย่างถูกต้อง และการปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด คุณสามารถมั่นใจได้ว่าแอปพลิเคชัน Kubernetes ของคุณมีการเชื่อมต่อเครือข่ายและความปลอดภัยที่จำเป็นต่อความสำเร็จ ในขณะที่เครือข่าย Kubernetes ยังคงพัฒนาต่อไป การติดตามข่าวสารเกี่ยวกับแนวโน้มและเทคโนโลยีล่าสุดจะเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มประโยชน์สูงสุดจากแพลตฟอร์มการจัดการคอนเทนเนอร์อันทรงพลังนี้ ตั้งแต่การใช้งานขนาดเล็กไปจนถึงสภาพแวดล้อมระดับองค์กรขนาดใหญ่ที่ครอบคลุมหลายทวีป การเรียนรู้ปลั๊กอิน CNI อย่างเชี่ยวชาญจะปลดล็อกศักยภาพที่แท้จริงของเครือข่าย Kubernetes