【K8S系列】深入解析k8s网络插件—Calico

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序言

做一件事并不难,难的是在于坚持。坚持一下也不难,难的是坚持到底。

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Kubernetes (k8s) 是一个容器编排平台,允许在容器中运行应用程序和服务。今天学习一下k8s网络插件-Calico相关知识

希望这篇文章能让你不仅有一定的收获,而且可以愉快的学习,如果有什么建议,都可以留言和我交流

 专栏介绍

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Kubernetes是一个分布式系统,能够管理和编排容器化应用程序。其中,监控是一个非常重要的方面,可以帮助用户了解集群的健康状态、性能和可用性。

在本文中,将详细介绍Kubernetes网络插件中的Calico插件。

1 基础介绍 

在Kubernetes中,网络插件也称为容器网络接口(Container Network Interface,CNI)插件,用于实现容器之间的通信和网络连接。以下是一些常见的Kubernetes网络插件:

  1. Flannel:Flannel是一个流行的CNI插件,它使用虚拟网络覆盖技术(overlay network)来连接不同节点上的容器。Flannel支持多种后端驱动,如VXLAN、UDP、Host-GW等。

  2. Calico:Calico是一个开源的网络和安全解决方案,它使用BGP协议来实现容器之间的路由。Calico支持灵活的网络策略和安全规则,可用于大规模部署。

  3. Weave Net:Weave Net是一个轻量级的CNI插件,通过创建虚拟网络设备和网络代理来连接不同节点上的容器。Weave Net支持overlay模式和直连模式,具有灵活性。

  4. Cilium:Cilium是面向Kubernetes的高性能网络和安全解决方案,利用eBPF(Extended Berkeley Packet Filter)技术来提供快速的容器间通信和网络策略实施。

  5. Canal:Canal是一个综合性的CNI插件,结合了Calico和Flannel的功能。它可以使用Flannel提供overlay网络,同时使用Calico的网络策略和安全性功能。

  6. Antrea:Antrea是一个基于Open vSwitch的CNI插件,专为Kubernetes网络和安全性而设计。它提供了高性能的网络连接和网络策略功能。

  7. kube-router:kube-router是一个开源的CNI插件,它结合了网络和服务代理功能。它支持BGP和IPIP协议,并具有负载均衡的特性。

这些是Kubernetes网络插件中的一些常见选项,每个插件都有其特定的优势和适用场景。选择合适的网络插件取决于你的需求、网络拓扑和性能要求等因素。

同时,Kubernetes社区也在不断发展和推出新的网络插件,以满足不断变化的需求。

2  Calico

Calico是一个强大的开源容器网络和网络安全解决方案,广泛应用于Kubernetes集群和其他容器编排平台。

它通过利用BGP(Border Gateway Protocol)协议和Linux网络命名空间来实现高性能的容器间通信和网络策略控制。

2.1 实现功能

以下是Calico插件的一些实现的功能简单介绍:

  1. 容器网络通信:Calico通过在每个节点上创建一个专用的Linux网络命名空间来实现容器网络通信。容器内的数据包首先被发送到节点的Calico网络命名空间,然后根据网络路由规则转发到目标容器所在的网络命名空间。这种直接的网络转发方式保证了容器之间的高性能通信。

  2. BGP路由协议:Calico使用BGP协议来实现容器间的路由。每个节点上的Calico代理将容器网络信息注册到BGP路由表中,然后通过BGP协议将这些路由信息传播给其他节点。这样,每个节点都知道如何到达其他节点上的容器。

  3. 网络策略:Calico提供了强大的网络策略功能,允许你定义细粒度的访问控制规则。你可以基于标签选择器来定义哪些容器可以与哪些容器通信,以及允许或拒绝的数据包流动。这为你提供了对容器间通信的全面控制能力。

  4. 网络隔离:通过使用Linux内核中的网络隔离技术(例如namespace和iptables),Calico可以实现容器级别的网络隔离。

  5. 安全性:Calico支持基于网络策略的安全组功能,它可以实现容器间的隔离和安全通信。通过设置网络策略规则,你可以确保只有经过授权的容器之间才能相互通信,从而保护你的应用和数据。

  6. IPv6支持:Calico完全支持IPv6,允许你在Kubernetes集群中使用IPv6地址。

  7. 高可用性:Calico的设计支持高可用性和容错性。每个节点上的Calico代理和BGP路由守护进程具有自我修复能力,能够自动检测并恢复故障。

  8. 跨云和跨数据中心:Calico支持在不同云平台和数据中心之间扩展和跨区域使用,为你提供跨云的容器网络解决方案。

  9. IP池管理:Calico通过IP池管理功能,可以为每个节点动态分配IP地址,从而实现更好的IP资源利用率和管理。

  10. 流量日志:Calico支持流量日志,可以记录网络流量的来源、目的地、协议和端口等信息,从而帮助用户更好地监控和调试网络流量。

2.2 实现原理

Calico 插件的实现原理涉及多个关键组件和技术,让我们一步一步了解其背后的实现机制:

  1. BGP路由协议:Calico 使用 BGP(Border Gateway Protocol)协议来实现容器网络的路由。在 Calico 网络中,每个节点上都运行着一个 Calico 代理(Felix),它会将节点上的容器网络信息注册到 BGP 路由表中,并通过 BGP 协议将这些路由信息传播给其他节点。

  2. IP池和子网划分:在 Calico 网络中,每个节点都有一个唯一的 IP 池。当容器启动时,Calico 会从节点的 IP 池中为容器分配一个独立的 IP 地址。这样,每个容器都有一个唯一的 IP 地址,使容器可以直接通过 IP 地址进行通信。

  3. 容器网络命名空间:Calico 使用 Linux 网络命名空间来实现容器网络隔离。每个节点上的容器都位于自己的网络命名空间中,这样可以保证容器之间的网络隔离。

  4. 路由规则:Calico 使用路由规则来决定容器之间的通信路径。在每个节点上,Calico 代理会根据 BGP 路由表中的路由信息,为容器生成适当的路由规则,从而实现容器间的高性能通信。

  5. 网络策略:Calico 支持网络策略,允许用户定义细粒度的访问控制规则。网络策略可以基于标签选择器来定义哪些容器可以与哪些容器通信,从而实现容器间的隔离和安全通信。

  6. 路由表和路由选择每个节点上的 Calico 代理维护着一张路由表,用于决定如何转发数据包。当一个容器需要与另一个容器通信时,Calico 代理会根据路由表中的路由选择适当的路径,将数据包转发到目标容器所在的网络命名空间。

Calico 插件通过使用 BGP 路由协议和 Linux 网络命名空间来实现容器网络隔离和高性能通信。

每个节点上的 Calico 代理会维护路由表和 IP 池,根据 BGP 路由信息和网络策略规则,为容器生成适当的路由规则和访问控制规则,实现容器间的通信和安全隔离

这使得 Calico 成为一个功能强大、可扩展且高性能的容器网络解决方案。

2.3 优缺点

Calico插件是一种用于Kubernetes网络的开源网络插件,它基于BGP协议和Linux内核技术构建了一个高性能、高可扩展性和安全性的容器网络。

Calico插件的优缺点如下:

优点:

  1. 高性能:Calico插件使用BGP协议作为底层网络协议,可以实现高性能的容器网络,能够满足高流量和低延迟的应用场景。

  2. 高可扩展性:Calico插件使用BGP协议动态学习和发布容器的路由信息,可以实现高可扩展性的容器网络,能够支持大规模容器集群。

  3. 安全性:Calico插件支持Kubernetes网络策略,可以通过标签选择器和规则定义来限制容器之间的流量,从而实现更好的网络安全性。

  4. 简单易用:Calico插件的安装和配置相对简单,可以使用简单的命令行工具完成。

  5. 开源免费:Calico插件是开源免费的,可以节省一定的成本。

缺点:

  1. 复杂度高:Calico插件的底层技术比较复杂,需要一定的技术水平才能使用和维护。

  2. 资源占用高:Calico插件使用Linux内核技术实现容器网络隔离,需要占用一定的系统资源。

  3. 配置需要注意:Calico插件的配置需要注意一些细节,例如BGP ASN和IP地址的配置,需要保证每个节点的配置正确。

  4. 不支持Windows节点:目前,Calico插件不支持Windows节点,只能在Linux节点上使用。

总的来说,Calico插件是一种功能强大的容器网络插件,适用于高性能、高可扩展性和安全性的应用场景。在实际应用中,需要根据具体需求评估其优缺点,选择合适的网络插件。

2.4 使用场景

Calico插件适用于大规模容器集群的高性能、高可扩展性和安全性的应用场景,特别是在需要对容器流量进行管理和保护的场景中,例如:

  1. 大规模容器集群:Calico插件使用BGP协议实现动态路由,可以支持大规模容器集群,具有较高的可扩展性。

  2. 高性能应用:Calico插件使用Linux内核技术实现容器网络隔离,可以实现高性能的容器网络,适用于高流量和低延迟的应用场景。

  3. 多租户应用:Calico插件支持Kubernetes网络策略,可以通过标签选择器和规则定义来限制容器之间的流量,从而实现更好的网络安全性,适用于多租户应用场景。

  4. 高安全性应用:Calico插件支持网络隔离和流量日志等高级网络特性,可以帮助用户更好地管理和保护Kubernetes集群中的网络流量,适用于对安全性要求较高的应用场景。

Calico插件适用于需要高性能、高可扩展性和安全性的容器网络应用场景,是一个功能强大的Kubernetes网络插件。

在实际应用中,需要根据具体的业务场景和需求来选择合适的网络插件。

2.5 配置&安装 

在Kubernetes集群上安装和配置Calico插件,可以按照以下步骤进行操作:

2.5.1 安装etcd和Kubernetes网络插件

安装etcd和Kubernetes网络插件:Calico插件需要使用etcd和Kubernetes网络插件作为底层支持,因此需要先安装它们。可以使用Kubeadm、Kubespray或其他工具进行安装。

2.5.2 下载Calico YAML文件 

下载Calico YAML文件:从Calico官方网站下载最新的Calico YAML文件,例如:https://docs.projectcalico.org/v3.20/manifests/calico.yaml ↗。

2.5.3 部署Calico插件 

:使用kubectl命令将下载的Calico YAML文件部署到Kubernetes集群中,例如:kubectl apply -f calico.yaml。

 2.5.4 配置BGP路由 

在Calico插件中使用BGP路由协议,需要配置每个节点的BGP ASN和IP地址。可以在Calico YAML文件中添加以下内容:

- name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
  value: "192.168.0.0/16"
- name: IP_AUTODETECTION_METHOD
  value: "can-reach=192.168.0.1"
- name: CALICO_NETWORKING_BACKEND
  value: "bird"
- name: CALICO_AS_NUMBER
  value: "64512"
- name: NODE_BGP_IPV4_ADDR
  value: "10.0.0.1"

其中,

  • CALICO_IPV4POOL_CIDR是Calico插件使用的IP地址池
  • IP_AUTODETECTION_METHOD是自动检测节点IP地址的方,
  • CALICO_NETWORKING_BACKEND是使用的网络后端,
  • CALICO_AS_NUMBER是BGP ASN,
  • NODE_BGP_IPV4_ADDR是节点的BGP IP地址。

2.5.6 配置网络策略

Calico插件支持Kubernetes网络策略,可以使用标签选择器和规则定义来限制容器之间的流量。可以在Calico YAML文件中添加以下内容:

- name: FELIX_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION
  value: "DROP"

其中,FELIX_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION是默认的网络策略,可以将其设置为DROP、ACCEPT或REJECT。

  1. 应用配置:使用kubectl命令将修改后的Calico YAML文件应用到Kubernetes集群中,例如:kubectl apply -f calico.yaml。

  2. 验证配置:使用kubectl命令验证Calico插件是否已经成功安装和配置,例如:kubectl get pods --all-namespaces。

通过以上步骤,就可以在Kubernetes集群中成功安装和配置Calico插件,实现高性能、高可扩展性和安全性的容器网络。

当然,在实际应用中,还需要根据实际需求进行更加详细和精细的配置。

3 拓展

什么是BGP协议

BGP(Border Gateway Protocol)协议是在互联网路由中使用的一种协议,它主要用于在不同的自治系统(AS)之间交换路由信息,以实现互联网的跨越和互通。

在互联网中,由于网络规模庞大、网络拓扑复杂,需要使用一种能够有效处理网络路径选择和路由决策的协议

BGP协议就是这样一种协议,它通过在不同的自治系统之间交换路由信息,并通过计算和选择最佳路径,实现了互联网的跨越和互通。

BGP协议的主要功能包括:路由选择、路由策略、路由过滤和路由汇聚等

BGP协议通过建立BGP对等体之间的TCP连接,交换路由信息和网络策略,以确定最佳的网络路径。

BGP协议不仅考虑到路径长度,还考虑到了路径上的AS数、AS的属性和AS的策略等因素。

在大规模的容器集群中,BGP协议可以作为容器网络的底层协议,帮助实现高性能、高可扩展性和安全性的容器网络。

通过BGP协议,容器节点之间可以动态学习和发布容器的路由信息,实现容器之间的互通和流量管理。

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