Kubernetes 网络：深入解析 CNI 插件

Kubernetes 彻底改变了容器编排，实现了大规模应用的部署和管理。Kubernetes 网络的核心是容器网络接口（CNI），这是一个标准接口，允许 Kubernetes 与各种网络解决方案协同工作。理解 CNI 插件对于构建稳健且可扩展的 Kubernetes 环境至关重要。本综合指南将详细探讨 CNI 插件，涵盖其作用、流行选项、配置和最佳实践。

什么是容器网络接口（CNI）？

容器网络接口（CNI）是由云原生计算基金会（CNCF）开发的一个规范，用于为 Linux 容器配置网络接口。它提供了一个标准的 API，允许 Kubernetes 与不同的网络提供商进行交互。这种标准化使得 Kubernetes 非常灵活，允许用户选择最适合其需求网络解决方案。

CNI 插件负责以下任务：

• 分配网络资源：为 Pod 分配 IP 地址和其他网络参数。
• 配置容器网络：在容器内设置网络接口。
• 将容器连接到网络：将容器集成到整个 Kubernetes 网络中。
• 清理网络资源：在 Pod 终止时释放资源。

CNI 插件如何工作

当 Kubernetes 中创建一个新的 Pod 时，kubelet（在每个节点上运行的代理）会调用 CNI 插件来配置 Pod 的网络。该过程通常包括以下步骤：

1. kubelet 收到创建 Pod 的请求。
2. kubelet 根据集群配置确定使用哪个 CNI 插件。
3. kubelet 调用 CNI 插件，并提供有关 Pod 的信息，例如其命名空间、名称和标签。
4. CNI 插件从预定义的 IP 地址范围中为 Pod 分配一个 IP 地址。
5. CNI 插件在主机节点上创建一个虚拟网络接口（veth pair）。veth pair的一端连接到 Pod 的网络命名空间，另一端保留在主机的网络命名空间中。
6. CNI 插件配置 Pod 的网络命名空间，设置 IP 地址、网关和路由。
7. CNI 插件更新主机节点上的路由表，以确保进出 Pod 的流量被正确路由。

流行的 CNI 插件

有多种 CNI 插件可供选择，每种插件都有其自身的特性、优点和缺点。以下是一些最流行的 CNI 插件：

Calico

概述：Calico 是一款广泛使用的 CNI 插件，为 Kubernetes 提供可扩展且安全的网络解决方案。它支持覆盖和非覆盖网络模型，并提供高级的网络策略功能。

主要特点：

• 网络策略：Calico 的网络策略引擎允许您为 Pod 定义细粒度的访问控制规则。这些策略可以基于 Pod 标签、命名空间和其他标准。
• BGP 路由：Calico 可以使用 BGP（边界网关协议）向底层网络基础设施广播 Pod 的 IP 地址。这消除了对覆盖网络的需求并提高了性能。
• IP 地址管理 (IPAM)：Calico 包含自己的 IPAM 系统，可自动为 Pod 分配 IP 地址。
• 加密：Calico 支持使用 WireGuard 或 IPsec 加密网络流量。

用例示例：一家金融机构使用 Calico 在其 Kubernetes 集群内的不同微服务之间强制执行严格的安全策略。例如，阻止前端和数据库 Pod 之间的直接通信，强制所有数据库访问通过专用的 API 层进行。

Flannel

概述：Flannel 是一款简单轻巧的 CNI 插件，可为 Kubernetes 创建一个覆盖网络。它易于设置和配置，是小型部署或 Kubernetes 网络新手的热门选择。

主要特点：

• 覆盖网络：Flannel 在现有网络基础设施之上创建一个虚拟网络。Pod 通过此覆盖网络相互通信。
• 配置简单：Flannel 易于配置，仅需最少的设置。
• 多种后端：Flannel 支持覆盖网络的不同后端，包括 VXLAN、host-gw 和 UDP。

用例示例：一家初创公司因其简单性和易于配置而在其初始 Kubernetes 部署中使用 Flannel。他们优先考虑让应用程序快速运行，而不是高级网络功能。

Weave Net

概述：Weave Net是另一款流行的 CNI 插件，可为 Kubernetes 创建一个覆盖网络。它提供一系列功能，包括自动 IP 地址管理、网络策略和加密。

主要特点：

• 自动 IP 地址管理：Weave Net 自动为 Pod 分配 IP 地址并管理 IP 地址范围。
• 网络策略：Weave Net 允许您定义网络策略来控制 Pod 之间的流量。
• 加密：Weave Net 支持使用 AES-GCM 加密网络流量。
• 服务发现：Weave Net 提供内置的服务发现功能，允许 Pod 轻松地找到并相互连接。

用例示例：一家软件开发公司在其开发和测试环境中使用 Weave Net。自动 IP 地址管理和服务发现功能简化了在这些环境中部署和管理应用程序的过程。

Cilium

概述：Cilium 是一款利用 eBPF（扩展伯克利数据包过滤器）为 Kubernetes 提供高性能网络和安全性的 CNI 插件。它提供高级功能，如网络策略、负载均衡和可观测性。

主要特点：

• 基于 eBPF 的网络：Cilium 使用 eBPF 在内核级别实现网络和安全策略。这提供了高性能和低开销。
• 网络策略：Cilium 支持高级网络策略功能，包括 L7 策略执行。
• 负载均衡：Cilium 为 Kubernetes 服务提供内置的负载均衡。
• 可观测性：Cilium 提供对网络流量的详细可观测性，使您能够监控和排除网络问题。

用例示例：一家大型电子商务公司使用 Cilium 来处理高流量并执行严格的安全策略。基于 eBPF 的网络和负载均衡功能确保了最佳性能，而高级网络策略功能则可防范潜在威胁。

选择正确的 CNI 插件

选择合适的 CNI 插件取决于您 Kubernetes 环境的具体要求。请考虑以下因素：

• 可扩展性：CNI 插件能否处理您集群中预期的 Pod 和节点数量？
• 安全性：CNI 插件是否提供必要的安全功能，例如网络策略和加密？
• 性能：CNI 插件是否为您的应用程序提供可接受的性能？
• 易用性：CNI 插件的设置、配置和维护有多容易？
• 功能：CNI 插件是否提供您需要的功能，例如 IP 地址管理、服务发现和可观测性？
• 社区支持：CNI 插件是否由强大的社区积极维护和支持？

对于简单的部署，Flannel 可能就足够了。对于具有严格安全要求的更复杂的环境，Calico 或 Cilium 可能是更好的选择。Weave Net 在功能和易用性之间提供了很好的平衡。评估您的具体需求，并选择最符合您要求的 CNI 插件。

配置 CNI 插件

CNI 插件通常使用 CNI 配置文件进行配置，这是一个指定插件设置的 JSON 文件。CNI 配置文件的位置由 kubelet 的 --cni-conf-dir 标志确定。默认情况下，此标志设置为 /etc/cni/net.d。

CNI 配置文件包含以下信息：

• cniVersion: CNI 规范版本。
• name: 网络名称。
• type: 要使用的 CNI 插件的名称。
• capabilities: 插件支持的功能列表。
• ipam: IP 地址管理的配置。
• plugins: （可选）要运行的其他 CNI 插件列表。

这是一个 Flannel 的 CNI 配置文件示例：

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

此配置文件告诉 Kubernetes 使用 Flannel CNI 插件创建一个名为“mynet”的网络。delegate 部分为 Flannel 插件指定了额外的配置选项。

具体的配置选项因所使用的 CNI 插件而异。有关可用配置选项的详细信息，请参阅您选择的 CNI 插件的文档。

CNI 插件最佳实践

遵循这些最佳实践，以确保建立一个稳健且可扩展的 Kubernetes 网络环境：

• 选择正确的 CNI 插件：根据可扩展性、安全性、性能和易用性等因素，选择最适合您具体要求的 CNI 插件。
• 使用网络策略：实施网络策略以控制 Pod 之间的流量并强制执行安全边界。
• 监控网络性能：使用监控工具跟踪网络性能并识别潜在问题。
• 保持 CNI 插件更新：定期更新您的 CNI 插件，以从错误修复、安全补丁和新功能中受益。
• 使用专用 IP 地址范围：为您的 Kubernetes Pod 分配一个专用的 IP 地址范围，以避免与其他网络发生冲突。
• 为可扩展性做规划：设计您的网络基础设施以适应未来的增长，并确保您的 CNI 插件能够处理不断增加的 Pod 和节点数量。

CNI 插件故障排除

网络问题可能很复杂且难以排查。以下是一些常见问题及其解决方法：

• Pod 无法连接到其他 Pod：
  • 检查网络策略：确保网络策略没有阻止流量。
  • 验证路由表：验证主机节点上的路由表是否配置正确。
  • 检查 DNS 解析：确保集群内的 DNS 解析工作正常。
  • 检查 CNI 日志：检查 CNI 插件的日志中是否有任何错误或警告。
• Pod 无法连接到外部服务：
  • 检查出口规则：确保出口规则配置正确，以允许流向外部服务的流量。
  • 验证 DNS 解析：确保外部域名的 DNS 解析工作正常。
  • 检查防火墙规则：验证防火墙规则没有阻止流量。
• 网络性能问题：
  • 监控网络流量：使用监控工具跟踪网络流量并识别瓶颈。
  • 检查网络延迟：测量 Pod 和节点之间的网络延迟。
  • 优化网络配置：优化网络配置以提高性能。

CNI 与服务网格

虽然 CNI 插件处理基本的 Pod 网络，但服务网格为管理和保护微服务提供了额外的功能层。像 Istio、Linkerd 和 Consul Connect 这样的服务网格与 CNI 插件协同工作，提供如下功能：

• 流量管理：路由、负载均衡和流量整形。
• 安全性：双向 TLS 认证、授权和加密。
• 可观测性：指标、追踪和日志记录。

服务网格通常在每个 Pod 中注入一个 sidecar 代理，该代理拦截所有网络流量并应用服务网格策略。CNI 插件负责为 sidecar 代理建立基本的网络连接，而服务网格则处理更高级的流量管理和安全功能。对于复杂的微服务架构，可以考虑使用服务网格来增强安全性、可观测性和控制力。

Kubernetes 网络的未来

Kubernetes 网络在不断发展，新技术和新功能层出不穷。Kubernetes 网络的一些主要趋势包括：

• eBPF：由于其高性能和低开销，eBPF 在 Kubernetes 中实现网络和安全策略变得越来越流行。
• 服务网格集成：CNI 插件和服务网格之间更紧密的集成有望进一步简化微服务的管理和安全性。
• 多集群网络：随着组织越来越多地采用多集群架构，跨多个 Kubernetes 集群连接和管理网络的解决方案变得越来越重要。
• 云原生网络功能 (CNF)：在 5G 和其他先进网络技术采用的推动下，使用 Kubernetes 部署和管理网络功能正在获得关注。

结论

理解 CNI 插件对于构建和管理稳健且可扩展的 Kubernetes 环境至关重要。通过选择正确的 CNI 插件、正确配置并遵循最佳实践，您可以确保您的 Kubernetes 应用程序拥有成功所需的网络连接性和安全性。随着 Kubernetes 网络的不断发展，了解最新的趋势和技术对于最大化这个强大的容器编排平台的好处至关重要。从小型部署到跨越多个大洲的大型企业环境，掌握 CNI 插件可以释放 Kubernetes 网络的真正潜力。