K8s网络从0到1

前言

K8s是一个强大的平台，但它的网络比较复杂，涉及很多概念，例如Pod网络，Service网络，Cluster IPs，NodePort，LoadBalancer和Ingress等等。为了帮助大家理解，模仿TCP/IP协议栈，我把K8s的网络分解为四个抽象层，从0到3，除了第0层，每一层都是构建于前一层之上。

第0层Node节点网络比较好理解，也就是保证K8s节点(物理或虚拟机)之间能够正常IP寻址和互通的网络，这个一般由底层(公有云或数据中心)网络基础设施支持。本文主要介绍第1到3层网络。

Pod网络概念模型

Pod相当于是K8s云平台中的虚拟机，它是K8s的基本调度单位。所谓Pod网络，就是能够保证K8s集群中的所有Pods(包括同一节点上的，也包括不同节点上的Pods)，逻辑上看起来都在同一个平面网络内，能够相互做IP寻址和通信的网络。

同一节点上的Pod网络

Pod中可以有多个容器，这些容器共享Pod的网络栈和其它资源如Volume。共享网络栈意味着容器可以通过localhost相互访问，但同一端口上不能同时开启服务。

同一节点上的Pod网络依赖于3个关键网络设备：

1. eth0：节点主机网卡
2. docker0：虚拟网桥，相当于虚拟交换机
3. veth0：Pod的虚拟网卡

Pod的IP由docker0网桥分配，例如：

• docker0网桥IP：172.17.0.1
• Pod1 IP：172.17.0.2
• Pod2 IP：172.17.0.3

在同一网段内，这些Pods可以进行IP寻址和互通。

不同节点间的Pod网络

不同节点间的Pod网络互通主要有两种方案：

1. 路由方案
   
   通过配置路由器支持Pod网络的转发。

2. 覆盖网络方案
   
   采用隧道封包技术，如flannel/weavenet等。

CNI简介

CNI(Container Network Interface)是K8s的Pod网络集成标准，不同的Pod网络技术可以通过CNI插件形式和K8s进行集成。

小结

1. K8s网络分四层：节点网络、Pod网络、Service网络、外部接入网络
2. 节点内Pod网络依赖虚拟网桥和虚拟网卡
3. 节点间Pod网络可采用路由方案或覆盖网络方案
4. CNI是Pod网络集成标准

Service网络

Service网络主要解决服务发现和负载均衡问题。

服务发现技术演进

1. DNS方案
   

2. Service Registry方案
   

K8s的Service网络原理

K8s通过ServiceName+ClusterIP统一屏蔽服务发现和负载均衡。

关键组件：

• Kubelet：负责启动Pod实例并向Master注册
• Kube-Proxy：监听Master，修改iptables规则
• Kube-DNS：实现ServiceName->ClusterIP映射

总结

1. Service网络解决服务发现和负载均衡
2. ClusterIP统一屏蔽服务发现和负载均衡
3. 客户端通过Kube-Proxy + iptables转发实现
4. 现代微服务发现机制和传统Linux内核机制的结合

外部接入网络

K8s通过NodePort、LoadBalancer和Ingress等方式将内部服务暴露到外部网络。

NodePort

通过Kube-Proxy在节点上暴露一个监听端口，将K8s内部服务暴露出去。

LoadBalancer

在NodePort基础上引入负载均衡器。

Ingress

在K8s内部部署反向代理服务，通过一个LB暴露多个服务。

Kubectl Proxy & Port Forward

本地调试K8s服务的简易方法：

• kubectl proxy
• kubectl port-forward
• kubectl exec

总结

1. NodePort是基础，LoadBalancer依赖NodePort
2. LoadBalancer提供公网访问支持
3. Ingress通过反向代理暴露多个服务
4. Service发布type：
   • ClusterIP：仅内部访问
   • NodePort：通过NodePort暴露
   • LoadBalancer：通过LoadBalancer暴露