Kubernetes 網絡概念初探

Kubernetes 網絡是 Kubernetes 中一個核心概念。簡而言之，Kubernetes 網絡模型可以確保集羣上所有 Kubernetes pod 都能進行通信。此外，在 Kubernetes 網絡模型的基礎上，Kubernetes 還有其他核心概念，即 Kubernetes Services 和 Kubernetes Ingress。

本文將使用系統模型的方法探索 Kubernetes 網絡。我們將開發一個簡單的模型來了解容器與容器間的通信以及 Pod 之間的通信。

如何看待網絡

毫無疑問，網絡是一個極爲廣泛且複雜的領域，它需要多年的理論積累以及實踐才能精通。在本文中，我們將在概念層面對網絡進行梳理，暫時不涉及實現層面的細節。

理想的網絡模型

上圖將網絡描述爲 Network Graph，該網絡由一組節點以及節點之間的鏈接組成。如果當且僅當節點之間存在聯繫時，一個節點纔可以與另一個節點交換信息。

消息交換框架

一個節點，即源節點，通過將消息放入目標的輸入隊列，與另一個節點，即目標交換消息。消息交換由源節點觀察到的 Send Event，Send·M 和在目標節點觀察到的相應的 Receive Event，Recv·M 表示。

消息交換行爲

網絡中的節點要麼是 Process，要麼是 Switch。Process 會產生和消耗消息，Switch 根據其轉發信息庫（FIB）處理消息。

S1 和 S2 的轉發信息庫（FIB）

上圖描述了 Switch 的轉發信息庫（FIB）S1 和 S2。在收到消息時，每臺 Switch 都會查詢其轉發信息庫，以決定是發送（deliver）、轉發（forward）還是丟棄（discard）該消息。

Switch：

Kubernetes 網絡模型

Kubernetes 網絡模型是一個描述性的網絡模型，也就是說，任何滿足 Kubernetes 網絡模型規範的網絡都是 Kubernetes 網絡。

然而，Kubernetes 並沒有規定如何實現網絡模型。事實上，現在市面上有許多替代的實現，稱爲網絡插件。

本節將用一組關於消息交換的約束條件來描述 Kubernetes 網絡模型。

限制條件：網絡可尋址實體

Kubernetes 網絡模型定義了 3 個可尋址實體：K8S pod、K8S 節點以及 K8S Service，每個實體都會分配到一個不同的 IP 地址。

∧ (K8s-Pod(E₁) ∨ K8s-Node(E₁) ∨ K8s-Service(E₁))
∧ (K8s-Pod(E₂) ∨ K8s-Node(E₂) ∨ K8s-Service(E₂)):
  addr(E₁, a) ∧ addr(E₂, a)₂
   ⟺ E₁ = E₂

然而，網絡模型不對這些 IP 地址做任何進一步的聲明。例如，Kubernetes 網絡模型不對從這些 IP 地址中提取的 IP 地址空間做任何進一步的聲明。

限制條件：容器間通信

Kubernetes 網絡模型要求在 Pod P 上下文中執行的容器 C1 可以通過 localhost 與在 P 上下文中執行的其他容器 C2 進行通信。

K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C₁, P) ∧ K8s-Container(C₂, P):
  open(C₂, p)
   ⟹
    Send(e, C₁, 127.0.0.1, _, 127.0.0.1, p)
      ⟹
         Recv(e, C₂, 127.0.0.1, _, 127.0.0.1, p)

限制條件：Pod 到 Pod

Kubernetes 網絡模型要求在 Pod P1 上下文中執行的容器 C1 可以通過 P2 的地址與在 P2 上下文中執行的其他容器 C2 進行通信。

∧ K8s-Pod(P₁) ∧ K8s-Container(C₁, P₁)
∧ K8s-Pod(P₂) ∧ K8s-Container(C2, P₂):
addr(P₁, sa) ∧ addr(P₁, ta) ∧ open(C₂, tp)
  ⟹
   Send(e, C₁, sa, sp, ta, tp)
     ⟹
      Recv(e, C₂, sa, sp, ta, tp)

限制條件：Process 到 Pod

Kubernetes 網絡模型要求託管在節點 N 上的一個 Process，稱爲 Daemon D，可以通過 P 的地址與託管在 N 上的 Pod P 上下文中執行的任何容器 C 進行通信。

K8s-Node(N) ∧ K8s-Daemon(D) ∧ K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P):
host(N, D) ∧ host(N, P) ∧ addr(P, a) ∧ open(C, p)
  ⟹
   Send(e, D, _, _, a, p)
    ⟹
     Recv(e, C, _, _, a, p)

Kubernetes 網絡作爲 Network Graph

本節用 Kubernetes Network Graph 這個理想的模型來描述 Kubernetes 網絡模型。

下圖描述了本節內容中的用例：Kubernetes 集羣 K1 由 2 個節點組成。每個節點託管 2 個 Pod。每個 Pod 執行 2 個容器，一個容器監聽 8080 端口，一個容器監聽 9090 端口。此外，每個節點託管 1 個 Daemon。

我們可以將 Kubernetes 集羣網絡建模爲一個具有一組節點和一組鏈接的 Graph。

節點

每個 K8S 容器 C 映射到網絡 Process C

K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P):
   Process(C)

每個 Daemon D 映射到網絡 Process C

K8s-Daemon(D):
   Process(D)

每個 K8s Pod P 映射到網絡 Switch P, Pod 的 Switch

K8s-Pod(P):
  Switch(P)

每個 K8S 節點 N 映射到網絡 Switch N，節點的 Switch：

K8s-Pod(N):
  Switch(N)

鏈接

每個容器 C 會被鏈接到其 Pod Switch P

K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P):
  link(C, P)

每個 Daemon D 會被鏈接到其節點 Switch N

K8s-Node(N) ∧ K8s-Daemon(D):
 host(N, D)
  ⟹
   link(D, N)

每個 Pod Switch P 會被鏈接到其節點 Switch N

K8s-Node(N) ∧ K8s-Pod(P):
  host(N, P)
    ⟹
      link(P, N)

每個節點 Switch N1 會被鏈接到其他各節點 Switch N2

K8s-Node(N₁) ∧ K8s-Node(N₂):
  N₁ ≠ N₂
   ⟹
     link(N₁, N₂)

在 Pod Switch 的轉發信息庫

P2 的轉發信息庫

1. Delivery on localhost
K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P):
 open(C, p)
  ⟹
   [* * 127.0.0.1 p Deliver(C)] in FIB[P]
2. Delivery on Pod Address
K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P):
 addr(P, a) ∧ open(C, p)
  ⟹
   [* * a p Deliver(C)] in FIB[P]
3. Local Forwarding Rule
K8s-Node(N) ∧ K8s-Pod(P):
 host(N, P)
  ⟹
   [* * * * Forward(N)] in FIB[P]

在節點 Switch 的轉發信息庫

轉發信息庫 N2

1. Node to Pod Forwarding Rule
K8s-Node(N) ∧ K8s-Pod(P):
  host(N, P) ∧ addr(P, a)
   ⟹
    [* * a * Forward(P)] in FIB[N]
2. Node to Node Forwalding Rule
K8s-Node(N₁) ∧ K8s-Node(N₂) ∧ K8s-Pod(P):
   N₁ ≠ N₂ ∧ host(N₂, P) ∧ addr(P, a)
    ⟹
     [* * a * Forward(N₂)] in FIB[N₁]

示例

本節將通過一些例子，按照 Kubernetes 集羣網絡 K1 中的消息生命（Life of a Message）來進行講解。

容器到容器

容器 C1.1 需要與容器 C1.2 進行通信：

C1.1 通過 127.0.0.1:9090 到 C1.2

節點內 Pod 到 Pod 通信

容器 C 1.1 需要與 C 3.1 進行通信：

C 1.1 通過 10.1.1.2:8080 到 C 3.1

節點間 Pod 到 Pod 通信

容器 C 1.1 需要與容器 C 2.1 進行通信：

C1.1 通過 10.1.2.1:8080 到 C2.1

Daemon 到 Pod 通信

Daemon D1 需要與容器 C 1.1 通信：

D1 通過 10.1.1.1:8080 到 C 1.1

總結

Kubernetes 網絡模型是一個允許性的網絡模型，也就是說，任何滿足 Kubernetes 網絡模型約束的網絡都是一個有效的 Kubernetes 網絡。

將 Kubernetes 網絡模型映射到 Network Graph，使我們能夠在概念層面上對網絡進行推理，並且跳過了在實現層面上推理所需的一系列細節。

在後續的文章中，我們將使用這個 Network Graph 來討論 Kubernetes 服務、Kubernetes Ingress 和 Kubernetes 策略。

原文鏈接：

https://dominik-tornow.medium.com/kubernetes-networking-22ea81af44d0

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/gMwQn2Gvh9bYtexhb_FL2Q

猜你喜歡