Kubernetes之Network Policy

概述

Kubernetes要求集群中所有pod，无论是节点内还是跨节点，都可以直接通信，或者说所有pod工作在同一跨节点网络，此网络一般是二层虚拟网络，称为pod网络。在安装引导kubernetes时，由选择并安装的network plugin实现。默认情况下，集群中所有pod之间、pod与节点之间可以互通。

网络主要解决两个问题，一个是连通性，实体之间能够通过网络互通。另一个是隔离性，出于安全、限制网络流量的目的，又要控制实体之间的连通性。Network Policy用来实现隔离性，只有匹配规则的流量才能进入pod，同理只有匹配规则的流量才可以离开pod。

但请注意，kubernetes支持的用以实现pod网络的network plugin有很多种，并不是全部都支持Network Policy，为kubernetes选择network plugin时需要考虑到这点，是否需要隔离？可用network plugin及是否支持Network Policy请参考这里。

基本原理

Network Policy是kubernetes中的一种资源类型，它从属于某个namespace。其内容从逻辑上看包含两个关键部分，一是pod选择器，基于标签选择相同namespace下的pod，将其中定义的规则作用于选中的pod。另一个就是规则了，就是网络流量进出pod的规则，其采用的是白名单模式，符合规则的通过，不符合规则的拒绝。
Network Policy对象Spec说明

首先给出示例Spec，结合示例说明Spec中的关键字段与逻辑，关于Speck完全说明参考这里。示例如下：

    apiVersion: networking.k8s.io/v1
    kind: NetworkPolicy
    metadata:
      name: test-network-policy
      namespace: default
    spec:
      podSelector:
        matchLabels:
          role: db
      policyTypes:
      - Ingress
      - Egress
      ingress:
      - from:
        - ipBlock:
            cidr: 172.17.0.0/16
            except:
            - 172.17.1.0/24
        - namespaceSelector:
            matchLabels:
              project: myproject
        - podSelector:
            matchLabels:
              role: frontend
        ports:
        - protocol: TCP
          port: 6379
      egress:
      - to:
        - ipBlock:
            cidr: 10.0.0.0/24
        ports:
        - protocol: TCP
          port: 5978

对象创建方法与其它如ReplicaSet相同，不表。apiVersion、kind、metadata与其它类型对象含义相同，不详细描述。
.spec.PodSelector

顾名思义，它是pod选择器，基于标签选择与Network Policy处于同一namespace下的pod，如果pod被选中，则对其应用Network Policy中定义的规则。此为可选字段，当没有此字段时，表示选中所有pod。
.spec.PolicyTypes

Network Policy定义的规则可以分成两种，一种是入pod的Ingress规则，一种是出pod的Egress规则。本字段可以看作是一个开关，如果其中包含Ingress，则Ingress部分定义的规则生效，如果是Egress则Egress部分定义的规则生效，如果都包含则全部生效。当然此字段也可选，如果没有指定的话，则默认Ingress生效，如果Egress部分有定义的话，Egress才生效。怎么理解这句话，下文会提到，没有明确定义Ingress、Egress部分，它也是一种规则，默认规则而非没有规则。
.spec.ingress与.spec.egress

前者定义入pod规则，后者定义出pod规则，详细参考这里，这里只讲一下重点。上例中ingress与egress都只包含一条规则，两者都是数组，可以包含多条规则。当包含多条时，条目之间的逻辑关系是“或”，只要匹配其中一条就可以。.spec.ingress[].from
也是数组，数组成员对访问pod的外部source进行描述，符合条件的source才可以访问pod，有多种方法，如示例中的ip地址块、名称空间、pod标签等，数组中的成员也是逻辑或的关系。spec.ingress[].from.prots表示允许通过的协议及端口号。

.spec.egress.to定义的是pod想要访问的外部destination，其它与ingress相同。
默认规则

不定义规则并非没有规则，此时默认规则生效，以下展示默认规则用法。
默认禁止所有入pod流量(Default deny all ingress traffic)

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress

上例中没有定义pod选择器，表示如果namespace下的某个pod没有被任何Network Policy对象选中，则应用此对象，如果被其它Network Policy先中则不应用此对象。

policyTypes的值为Ingress，表示本例启用Ingress规则。但是本例没有定义具体的Ingress，那就应用默认规则。默认规则禁止所有入pod流量，但例外情况是如果source就是pod运行的节点，则允许通过。
默认允许所有入pod流量(Default allow all ingress traffic)

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-all
spec:
  podSelector: {}
  ingress:
  - {}

同样没有定义pod选择器，意义与上例同。注意ingress的定义，这个是有规则的，只是规则中的条目为空，与默认规则不同，表示全部允许通过。
默认禁止所有出pod流量(Default deny all egress traffic)

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Egress

与默认禁止所有入pod流量(Default deny all ingress traffic)同，只是流量由入变成出。
默认允许所有出pod流量(Default allow all egress traffic)

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-all
spec:
  podSelector: {}
  egress:
  - {}
  policyTypes:
  - Egress

与默认允许所有入pod流量(Default allow all ingress traffic)同，只是流量由入变成出。
默认禁止所有入出pod流量(Default deny all ingress and all egress traffic)

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress

无需详解，但请注意，pod与所运行节点之间流量不受Network Policy限制。
真实用例

下面通过一个真实示例展示Network Policy普通用法。
用Deployment创建nginx pod实例并用service暴露

$ kubectl run nginx --image=nginx --replicas=2
deployment "nginx" created
$ kubectl expose deployment nginx --port=80
service "nginx" exposed

确认创建结果

$ kubectl get svc,pod
NAME                        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
svc/kubernetes              10.100.0.1            443/TCP    46m
svc/nginx                   10.100.0.16           80/TCP     33s

NAME                        READY         STATUS        RESTARTS   AGE
po/nginx-701339712-e0qfq    1/1           Running       0          35s
po/nginx-701339712-o00ef    1/1           Running       0          35s

测试nginx服务连通性

$ kubectl run busybox --rm -ti --image=busybox /bin/sh
Waiting for pod default/busybox-472357175-y0m47 to be running, status is Pending, pod ready: false

Hit enter for command prompt

/ # wget --spider --timeout=1 nginx
Connecting to nginx (10.100.0.16:80)
/ #

通过创建Network Policy对象添加隔离性

kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: access-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      run: nginx
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          access: "true"

只允许包含access: “true”标签的pod访问nginx服务。
创建Network Policy

$ kubectl create -f nginx-policy.yaml
networkpolicy "access-nginx" created

测试隔离性

$ kubectl run busybox --rm -ti --image=busybox /bin/sh
Waiting for pod default/busybox-472357175-y0m47 to be running, status is Pending, pod ready: false

Hit enter for command prompt

/ # wget --spider --timeout=1 nginx
Connecting to nginx (10.100.0.16:80)
wget: download timed out
/ #

为pod添加access: “true”标签测试连通性

$ kubectl run busybox --rm -ti --labels="access=true" --image=busybox /bin/sh
Waiting for pod default/busybox-472357175-y0m47 to be running, status is Pending, pod ready: false

Hit enter for command prompt

/ # wget --spider --timeout=1 nginx
Connecting to nginx (10.100.0.16:80)
/ #

参考：
https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/network-policies/
https://kubernetes.io/docs/tasks/administer-cluster/declare-network-policy/