Мережі Kubernetes: Глибоке занурення в CNI-плагіни

Kubernetes зробив революцію в оркестрації контейнерів, уможлививши розгортання та керування додатками в масштабі. В основі мереж Kubernetes лежить Container Network Interface (CNI) — стандартний інтерфейс, що дозволяє Kubernetes працювати з різноманітними мережевими рішеннями. Розуміння CNI-плагінів є вирішальним для побудови надійних та масштабованих середовищ Kubernetes. Цей вичерпний посібник детально розгляне CNI-плагіни, їхню роль, популярні варіанти, конфігурацію та найкращі практики.

Що таке Container Network Interface (CNI)?

Container Network Interface (CNI) — це специфікація, розроблена Cloud Native Computing Foundation (CNCF) для конфігурування мережевих інтерфейсів для контейнерів Linux. Вона надає стандартний API, який дозволяє Kubernetes взаємодіяти з різними мережевими провайдерами. Ця стандартизація робить Kubernetes надзвичайно гнучким і дозволяє користувачам обирати мережеве рішення, що найкраще відповідає їхнім потребам.

CNI-плагіни відповідають за наступні завдання:

• Розподіл мережевих ресурсів: Призначення IP-адрес та інших мережевих параметрів подам.
• Конфігурація мережі контейнера: Налаштування мережевих інтерфейсів усередині контейнера.
• Підключення контейнерів до мережі: Інтеграція контейнерів у загальну мережу Kubernetes.
• Очищення мережевих ресурсів: Звільнення ресурсів при завершенні роботи подів.

Як працюють CNI-плагіни

Коли в Kubernetes створюється новий под, kubelet (агент, що працює на кожному вузлі) викликає CNI-плагін для налаштування мережі пода. Процес зазвичай включає наступні кроки:

1. Kubelet отримує запит на створення пода.
2. Kubelet визначає, який CNI-плагін використовувати, на основі конфігурації кластера.
3. Kubelet викликає CNI-плагін, надаючи інформацію про под, таку як його простір імен, ім'я та мітки.
4. CNI-плагін виділяє IP-адресу для пода з попередньо визначеного діапазону IP-адрес.
5. CNI-плагін створює віртуальний мережевий інтерфейс (пару veth) на вузлі-хості. Один кінець пари veth приєднується до мережевого простору імен пода, а інший залишається в мережевому просторі імен хоста.
6. CNI-плагін конфігурує мережевий простір імен пода, налаштовуючи IP-адресу, шлюз та маршрути.
7. CNI-плагін оновлює таблиці маршрутизації на вузлі-хості, щоб забезпечити правильну маршрутизацію трафіку до та від пода.

Популярні CNI-плагіни

Існує кілька CNI-плагінів, кожен зі своїми особливостями, перевагами та недоліками. Ось деякі з найпопулярніших CNI-плагінів:

Calico

Огляд: Calico — це широко використовуваний CNI-плагін, що забезпечує масштабоване та безпечне мережеве рішення для Kubernetes. Він підтримує як оверлейні, так і не оверлейні моделі мереж та пропонує розширені функції мережевих політик.

Ключові особливості:

• Мережева політика: Механізм мережевих політик Calico дозволяє визначати деталізовані правила контролю доступу для подів. Ці політики можуть базуватися на мітках подів, просторах імен та інших критеріях.
• BGP-маршрутизація: Calico може використовувати BGP (Border Gateway Protocol) для оголошення IP-адрес подів у базовій мережевій інфраструктурі. Це усуває потребу в оверлейних мережах і підвищує продуктивність.
• Керування IP-адресами (IPAM): Calico включає власну систему IPAM, яка автоматично виділяє IP-адреси подам.
• Шифрування: Calico підтримує шифрування мережевого трафіку за допомогою WireGuard або IPsec.

Приклад використання: Фінансова установа використовує Calico для забезпечення суворих політик безпеки між різними мікросервісами у своєму кластері Kubernetes. Наприклад, заборона прямої комунікації між подами фронтенду та бази даних, вимагаючи, щоб увесь доступ до бази даних здійснювався через виділений API-рівень.

Flannel

Огляд: Flannel — це простий і легкий CNI-плагін, який створює оверлейну мережу для Kubernetes. Його легко налаштовувати та конфігурувати, що робить його популярним вибором для невеликих розгортань або для користувачів, які тільки починають знайомство з мережами Kubernetes.

Ключові особливості:

• Оверлейна мережа: Flannel створює віртуальну мережу поверх наявної мережевої інфраструктури. Поди спілкуються один з одним через цю оверлейну мережу.
• Проста конфігурація: Flannel легко налаштовується і вимагає мінімальних налаштувань.
• Кілька бекендів: Flannel підтримує різні бекенди для оверлейної мережі, включаючи VXLAN, host-gw та UDP.

Приклад використання: Стартап використовує Flannel для свого початкового розгортання Kubernetes через його простоту та легкість налаштування. Вони надають перевагу швидкому запуску свого додатку над розширеними мережевими функціями.

Weave Net

Огляд: Weave Net — ще один популярний CNI-плагін, який створює оверлейну мережу для Kubernetes. Він пропонує низку функцій, включаючи автоматичне керування IP-адресами, мережеву політику та шифрування.

Ключові особливості:

• Автоматичне керування IP-адресами: Weave Net автоматично призначає IP-адреси подам та керує діапазоном IP-адрес.
• Мережева політика: Weave Net дозволяє визначати мережеві політики для контролю трафіку між подами.
• Шифрування: Weave Net підтримує шифрування мережевого трафіку за допомогою AES-GCM.
• Виявлення сервісів: Weave Net надає вбудоване виявлення сервісів, що дозволяє подам легко знаходити та підключатися один до одного.

Приклад використання: Компанія з розробки програмного забезпечення використовує Weave Net для своїх середовищ розробки та тестування. Функції автоматичного керування IP-адресами та виявлення сервісів спрощують розгортання та керування додатками в цих середовищах.

Cilium

Огляд: Cilium — це CNI-плагін, який використовує eBPF (extended Berkeley Packet Filter) для забезпечення високопродуктивних мереж та безпеки для Kubernetes. Він пропонує розширені функції, такі як мережева політика, балансування навантаження та спостережуваність.

Ключові особливості:

• Мережі на основі eBPF: Cilium використовує eBPF для реалізації мережевих політик та політик безпеки на рівні ядра. Це забезпечує високу продуктивність та низькі накладні витрати.
• Мережева політика: Cilium підтримує розширені функції мережевих політик, включаючи примусове застосування політик на рівні L7.
• Балансування навантаження: Cilium надає вбудоване балансування навантаження для сервісів Kubernetes.
• Спостережуваність: Cilium забезпечує детальну спостережуваність мережевого трафіку, що дозволяє вам моніторити та усувати мережеві проблеми.

Приклад використання: Велика e-commerce компанія використовує Cilium для обробки великих обсягів трафіку та забезпечення суворих політик безпеки. Мережі на основі eBPF та можливості балансування навантаження забезпечують оптимальну продуктивність, тоді як розширені функції мережевих політик захищають від потенційних загроз.

Вибір правильного CNI-плагіна

Вибір відповідного CNI-плагіна залежить від конкретних вимог вашого середовища Kubernetes. Враховуйте наступні фактори:

• Масштабованість: Чи може CNI-плагін впоратися з очікуваною кількістю подів та вузлів у вашому кластері?
• Безпека: Чи надає CNI-плагін необхідні функції безпеки, такі як мережева політика та шифрування?
• Продуктивність: Чи пропонує CNI-плагін прийнятну продуктивність для ваших додатків?
• Простота використання: Наскільки легко налаштовувати, конфігурувати та обслуговувати CNI-плагін?
• Функції: Чи надає CNI-плагін потрібні вам функції, такі як керування IP-адресами, виявлення сервісів та спостережуваність?
• Підтримка спільноти: Чи активно підтримується CNI-плагін сильною спільнотою?

Для простих розгортань може бути достатньо Flannel. Для більш складних середовищ із суворими вимогами до безпеки кращим вибором можуть бути Calico або Cilium. Weave Net забезпечує хороший баланс функцій та простоти використання. Оцініть свої конкретні потреби та оберіть CNI-плагін, який найкраще відповідає вашим вимогам.

Налаштування CNI-плагінів

CNI-плагіни зазвичай налаштовуються за допомогою конфігураційного файлу CNI, який є JSON-файлом, що визначає налаштування плагіна. Розташування конфігураційного файлу CNI визначається прапором --cni-conf-dir у kubelet. За замовчуванням цей прапор встановлено на /etc/cni/net.d.

Конфігураційний файл CNI містить таку інформацію:

• cniVersion: Версія специфікації CNI.
• name: Назва мережі.
• type: Назва CNI-плагіна для використання.
• capabilities: Список можливостей, що підтримуються плагіном.
• ipam: Конфігурація для керування IP-адресами.
• plugins: (Необов'язково) Список додаткових CNI-плагінів для запуску.

Ось приклад конфігураційного файлу CNI для Flannel:

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

Цей конфігураційний файл вказує Kubernetes використовувати CNI-плагін Flannel для створення мережі під назвою "mynet". Секція delegate визначає додаткові параметри конфігурації для плагіна Flannel.

Конкретні параметри конфігурації залежать від використовуваного CNI-плагіна. Зверніться до документації обраного вами CNI-плагіна для отримання детальної інформації про доступні параметри конфігурації.

Найкращі практики для CNI-плагінів

Дотримуйтесь цих найкращих практик для забезпечення надійного та масштабованого мережевого середовища Kubernetes:

• Вибирайте правильний CNI-плагін: Обирайте CNI-плагін, який найкраще відповідає вашим конкретним вимогам, враховуючи такі фактори, як масштабованість, безпека, продуктивність та простота використання.
• Використовуйте мережеві політики: Впроваджуйте мережеві політики для контролю трафіку між подами та забезпечення меж безпеки.
• Моніторте продуктивність мережі: Використовуйте інструменти моніторингу для відстеження продуктивності мережі та виявлення потенційних проблем.
• Підтримуйте CNI-плагіни в актуальному стані: Регулярно оновлюйте ваші CNI-плагіни, щоб отримувати виправлення помилок, оновлення безпеки та нові функції.
• Використовуйте виділений діапазон IP-адрес: Виділіть окремий діапазон IP-адрес для ваших подів Kubernetes, щоб уникнути конфліктів з іншими мережами.
• Плануйте масштабованість: Проектуйте свою мережеву інфраструктуру так, щоб вона могла вмістити майбутнє зростання, і переконайтеся, що ваш CNI-плагін може впоратися зі зростаючою кількістю подів та вузлів.

Усунення несправностей CNI-плагінів

Мережеві проблеми можуть бути складними та важкими для усунення. Ось деякі поширені проблеми та способи їх вирішення:

• Под не може підключитися до інших подів:
  • Перевірте мережеві політики: Переконайтеся, що мережеві політики не блокують трафік.
  • Перевірте таблиці маршрутизації: Переконайтеся, що таблиці маршрутизації на вузлах-хостах налаштовані правильно.
  • Перевірте DNS-розпізнавання: Переконайтеся, що DNS-розпізнавання працює коректно всередині кластера.
  • Перевірте логи CNI: Вивчіть логи CNI-плагіна на наявність помилок або попереджень.
• Под не може підключитися до зовнішніх сервісів:
  • Перевірте правила вихідного трафіку: Переконайтеся, що правила вихідного трафіку налаштовані правильно для дозволу трафіку до зовнішніх сервісів.
  • Перевірте DNS-розпізнавання: Переконайтеся, що DNS-розпізнавання працює коректно для зовнішніх доменів.
  • Перевірте правила брандмауера: Переконайтеся, що правила брандмауера не блокують трафік.
• Проблеми з продуктивністю мережі:
  • Моніторте мережевий трафік: Використовуйте інструменти моніторингу для відстеження мережевого трафіку та виявлення вузьких місць.
  • Перевірте затримку мережі: Виміряйте затримку мережі між подами та вузлами.
  • Оптимізуйте конфігурацію мережі: Оптимізуйте конфігурацію мережі для підвищення продуктивності.

CNI та Service Meshes

Хоча CNI-плагіни забезпечують базову мережеву взаємодію подів, service meshes (сітки сервісів) надають додатковий рівень функціональності для керування та захисту мікросервісів. Service meshes, такі як Istio, Linkerd та Consul Connect, працюють разом з CNI-плагінами, щоб забезпечити такі функції, як:

• Керування трафіком: Маршрутизація, балансування навантаження та формування трафіку.
• Безпека: Взаємна TLS-автентифікація, авторизація та шифрування.
• Спостережуваність: Метрики, трасування та логування.

Service meshes зазвичай впроваджують проксі-сайдкар у кожен под, який перехоплює весь мережевий трафік і застосовує політики service mesh. CNI-плагін відповідає за налаштування базового мережевого з'єднання для проксі-сайдкара, тоді як service mesh керує більш розширеними функціями керування трафіком та безпеки. Розгляньте використання service meshes для складних мікросервісних архітектур, щоб підвищити безпеку, спостережуваність та контроль.

Майбутнє мереж Kubernetes

Мережі Kubernetes постійно розвиваються, з'являються нові технології та функції. Деякі з ключових тенденцій у мережах Kubernetes включають:

• eBPF: eBPF стає все більш популярним для реалізації мережевих політик та політик безпеки в Kubernetes завдяки своїй високій продуктивності та низьким накладним витратам.
• Інтеграція з Service Mesh: Очікується, що тісніша інтеграція між CNI-плагінами та service meshes ще більше спростить керування та захист мікросервісів.
• Багатокластерні мережі: Оскільки організації все частіше використовують багатокластерні архітектури, рішення для підключення та керування мережами між кількома кластерами Kubernetes стають все більш важливими.
• Хмарно-нативні мережеві функції (CNF): Використання Kubernetes для розгортання та керування мережевими функціями набирає обертів, що зумовлено впровадженням 5G та інших передових мережевих технологій.

Висновок

Розуміння CNI-плагінів є важливим для побудови та керування надійними та масштабованими середовищами Kubernetes. Вибравши правильний CNI-плагін, правильно його налаштувавши та дотримуючись найкращих практик, ви можете забезпечити, щоб ваші додатки в Kubernetes мали необхідне мережеве підключення та безпеку для успіху. Оскільки мережі Kubernetes продовжують розвиватися, бути в курсі останніх тенденцій та технологій буде вирішальним для максимізації переваг цієї потужної платформи для оркестрації контейнерів. Від невеликих розгортань до великих корпоративних середовищ, що охоплюють кілька континентів, оволодіння CNI-плагінами розкриває справжній потенціал мереж Kubernetes.