白话Kubernetes网络

1 Kubernetes 网络介绍

Kubernetes 网络是一个系统，能够使不同集群内外的组件相互通信。这个系统会处理许多情况，其中重要的情况包括 Pod 之间的通信、Service 的通信以及集群如何处理来自外部的流量。

由于 Kubernetes 是分布式系统，因此它的网络平面跨越了集群的所有物理节点。Kubernetes 使用一个虚拟重叠网络，为集群资源提供平面的连接结构。这个虚拟重叠网络使得集群内部的资源能够相互连接，不需要考虑它们所处的物理节点。

以下是一个 Kubernetes 网络示意图：

Kubernetes 网络会自动分配 IP 地址、设置 DNS 名称和连接端口到开发者的 Pod 和 Service。通常情况下，在使用 Kubernetes 时，开发人员无需在网络或节点主机上手动处理这些任务。

Kubernetes 网络模型会为每个 Pod 分配一个在集群内唯一的 IP 地址。这样，Pod 可以使用它们的 IP 地址相互通信，不用进行额外的设置，例如网络地址转换（NAT）。

这个基本设置通过 Kubernetes 的 Service 模型得到了改进。Service 模型允许将流量导向一组 Pod 中的任意一个，并且还包括网络控制方式，例如网络策略。网络策略可以防止 Pod 之间的不必要的通信，从而提高网络的安全性和可靠性。

2 传统虚拟机与 Kubernetes 网络的区别

Kubernetes 网络使用了已知的网络概念，并将其应用到 Kubernetes 集群环境中。与传统的物理设备和虚拟机（VM）网络模型相比，Kubernetes 网络更简单、更均匀、自动化程度更高。

在过去，开发人员需要手动设置新端点，包括配置 IP 地址、在防火墙中打开端口以及设置 DNS 路由。但是，在使用 Kubernetes 时，开发者不再需要执行这些操作，Kubernetes 会自动为开发者的集群任务执行所有这些操作。

开发人员和运营人员不需要了解网络设置的细节，即可部署资源并使其对他人可用。这使得设置、维护和保持安全要求的最新状态变得更加容易，因为所有管理都可以在 Kubernetes 本身中执行。

3 Docker 与 Kubernetes 网络的区别

由于已解释了虚拟机网络和 Kubernetes 网络之间的区别，这里需要提到 Docker 网络。

Kubernetes 的网络设计非常简单、平面，很适合分布式系统。在这个设计中，每个 Pod 都可以与其他任何 Pod 通信，即使它们位于不同的物理机器（节点）上。

Docker 主要用于在单个机器上运行容器，因此对网络的处理方式有所不同。默认情况下，Docker 将所有容器连接到一个称为桥接的网络中，该网络将它们连接到开发者的计算机。但是，开发者也可以为自己的容器设置各种类型的网络。这些网络包括一个桥接网络（连接相同计算机上的容器）、一个主机网络（允许容器直接使用您计算机的网络）以及一个重叠网络（创建多台机器上的网络，这对于 Docker Swarm，用于管理多个容器的工具，是必需的）。

Docker 容器在同一个网络中时，它们可以相互通信。每个容器都有自己的 IP 地址和 DNS 名称，仅在网络内部使用。这样其他网络中的容器就可以连接到它们。但是，Docker 不会自动设置从开发者的计算机到容器的连接（端口映射），开发者需要在启动容器时手动设置这些连接。

Docker 和 Kubernetes 在网络方面都有一些相似之处，但它们各自有自己的使用场景和网络设计。Docker 主要用于在单台机器上运行容器，因此它的网络设计更简单，使用桥接模式来连接容器。而 Kubernetes 则是为分布式系统设计的，因此它需要一个更复杂的网络设计来连接系统的不同部分，即使它们不在同一台机器上，也能够相互通信。因此，Kubernetes 使用了重叠网络来实现这一点。

Docker 和 Kubernetes 在容器隔离方面有所不同。在 Docker 中，可以通过将容器放在不同的网络中来阻止它们相互通信。而在 Kubernetes 中，所有 Pod 都会自动加入到同一个重叠网络中。因此，为了控制哪些 Pod 可以相互通信，Kubernetes 使用网络策略来管理网络中的流量。这种方式可以更细致地控制 Pod 之间的通信，提高了网络的安全性和可控性。

4 Kubernetes 网络架构

Kubernetes 网络构建于一个简单、平面的结构之上，其主要特点如下：

• 每个 Pod 都会获得自己的 IP 地址。
• 节点具有一个主网络空间（根网络命名空间），它连接 Pod 的网络接口。这意味着无论哪个节点上的 Pod，都可以使用 IP 地址相互通信。
• 不需要进行网络地址转换（NAT）。
• 每个 Pod 都有自己的网络空间和接口。与 Pod 的所有通信都通过其特定的网络接口进行。
• 整个集群的网络层在节点级别连接网络空间。这确保在不同节点之间正确移动流量。
• 通常，不需要手动链接 Pod 端口到节点。但是，如果有必要，可以通过为 Pod 分配特定端口（hostPort）来实现此目的。

这些原则使 Kubernetes 网络具有可预测和一致的特性，无论是对使用集群的用户还是对管理员都是如此。Kubernetes 设置的系统确保所有 Pod 都可以可靠连接到网络，无需手动设置。

5 分配 IP 地址给 Pod

Kubernetes 使用一种称为无类域间路由（CIDR）的方法为 Pod 分配 IP 地址。这个系统决定了 pod 可以使用的 IP 地址范围。每个 pod 都会从该范围内获得一个唯一的 IP 地址，这个 IP 地址是特定于开发者的集群的。当设置新的集群网络时，开发者需要选择一个可用的 IP 地址范围（CIDR 范围）。

此外，许多向 Kubernetes 添加网络功能的工具（网络插件）可以让开发人员更细致地管理 IP 地址。使用这些工具，可以选择特定的 IP 地址、IP 地址的一部分或它们的组。这在处理更复杂的网络设置时非常有用。

6 Kubernetes 集群中的 DNS

Kubernetes 集群包括内置的 DNS 支持。CoreDNS 是最受欢迎的 Kubernetes DNS 提供商之一，并且在许多 Kubernetes 分发版中默认启用。

Kubernetes 会为 Pod 和 Service 自动分配 DNS 名称，格式如下：

• Pod — pod-ip-address.pod-namespace-name.pod.cluster-domain.example（例如 10.244.0.1.my-app.svc.cluster.local）
• Service — service-name.service-namespace-name.svc.cluster-domain.example（例如 database.my-app.svc.cluster.local）

运行在 Pod 中的应用程序通常应该使用它们的 DNS 名称配置与 Service 通信。名称是可预测的，而 Service 的 IP 地址会随着 Service 被删除和替换而改变。

7 使用网络策略的 Kubernetes 网络隔离

在 Kubernetes 中，默认情况下所有的 Pod 都可以相互通信。这在某些情况下可能会带来安全风险，尤其是在用于多个分离应用程序、环境、团队或客户的集群中。需要采取适当的措施来控制 Pod 之间的网络通信以保护集群的安全性，。

为了管理这一点，Kubernetes 有个称为网络策略的东西。这些是开发人员可以设置的规则，用于控制 Pod 如何发送和接收流量（入口和出口）。例如，可以创建一个策略，该策略会停止所有流量到标记为 app-component：database 的 Pod，除非流量来自标记为 app-component：api 的 Pod。这是控制哪些 Pod 可以相互通信的方式，以提高安全性。

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: database-network-policy
  namespace: default
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app-component: database
  policyTypes:
    - Ingress
  ingress:
    - from:
      - podSelector:
          matchLabels:
            app-component: api

在 Kubernetes 中，最好为所有 Pod 创建网络策略。这些策略有助于保护集群，防止可能受损的 Pod 向其他附近的 Pod 发送有害流量。这为开发人员的 Kubernetes 环境增加了一层额外的安全性。