Kubernetes 网络概念初探

Kubernetes网络是Kubernetes中一个核心概念。简而言之,Kubernetes网络模型可以确保集群上所有Kubernetes pod都能进行通信。此外,在Kubernetes网络模型的基础上,Kubernetes还有其他核心概念,即Kubernetes Services和Kubernetes Ingress。

本文将使用系统模型的方法探索Kubernetes网络。我们将开发一个简单的模型来了解容器与容器间的通信以及Pod之间的通信。

 

如何看待网络

毫无疑问,网络是一个极为广泛且复杂的领域,它需要多年的理论积累以及实践才能精通。在本文中,我们将在概念层面对网络进行梳理,暂时不涉及实现层面的细节。

理想的网络模型

上图将网络描述为Network Graph,该网络由一组节点以及节点之间的链接组成。如果当且仅当节点之间存在联系时,一个节点才可以与另一个节点交换信息。

消息交换框架

一个节点,即源节点,通过将消息放入目标的输入队列,与另一个节点,即目标交换消息。消息交换由源节点观察到的Send Event,Send·M和在目标节点观察到的相应的Receive Event,Recv·M表示。

消息交换行为

网络中的节点要么是Process,要么是Switch。Process会产生和消耗消息,Switch根据其转发信息库(FIB)处理消息。

S1和S2的转发信息库(FIB)

上图描述了Switch的转发信息库(FIB)S1和S2。在收到消息时,每台Switch都会查询其转发信息库,以决定是发送(deliver)、转发(forward)还是丢弃(discard)该消息。

Switch

  • 将信息的请求头,即源地址、源端口、目标地址和目标端口与其转发信息库相匹配

  • 执行相关操作,默认为弃置(discard)

Kubernetes网络模型

Kubernetes 网络模型是一个描述性的网络模型,也就是说,任何满足Kubernetes网络模型规范的网络都是Kubernetes网络。

然而,Kubernetes并没有规定如何实现网络模型。事实上,现在市面上有许多替代的实现,称为网络插件。

本节将用一组关于消息交换的约束条件来描述Kubernetes网络模型。

限制条件:网络可寻址实体

Kubernetes网络模型定义了3个可寻址实体:K8S pod、K8S 节点以及K8S Service,每个实体都会分配到一个不同的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,网络模型不对这些IP地址做任何进一步的声明。例如,Kubernetes网络模型不对从这些IP地址中提取的IP地址空间做任何进一步的声明。

限制条件:容器间通信

Kubernetes网络模型要求在Pod P上下文中执行的容器C1可以通过localhost与在P上下文中执行的其他容器C2进行通信。

 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)

限制条件:Pod到Pod

Kubernetes网络模型要求在Pod P1上下文中执行的容器C1可以通过P2的地址与在P2上下文中执行的其他容器C2进行通信。

 ∧ 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)

限制条件:Process到Pod

Kubernetes网络模型要求托管在节点N上的一个Process,称为Daemon D,可以通过P的地址与托管在N上的Pod P上下文中执行的任何容器C进行通信。

 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网络作为Network Graph

本节用Kubernetes Network Graph这个理想的模型来描述Kubernetes网络模型。

下图描述了本节内容中的用例:Kubernetes集群K1由2个节点组成。每个节点托管2个Pod。每个Pod执行2个容器,一个容器监听8080端口,一个容器监听9090端口。此外,每个节点托管1个Daemon。

我们可以将Kubernetes集群网络建模为一个具有一组节点和一组链接的Graph。

节点

每个K8S容器C映射到网络Process C

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

每个Daemon D映射到网络Process C

 K8s-Daemon(D):
    Process(D)

每个K8s Pod P映射到网络Switch P, Pod的Switch

 K8s-Pod(P):
   Switch(P)

每个K8S节点N 映射到网络 Switch N,节点的Switch:

 K8s-Pod(N):
   Switch(N)

链接

每个容器C会被链接到其Pod Switch P

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

每个Daemon D会被链接到其节点Switch N

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

每个Pod Switch P会被链接到其节点Switch N

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

每个节点Switch N1会被链接到其他各节点Switch N2

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

在Pod Switch的转发信息库

 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]

在节点Switch的转发信息库

 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

本节将通过一些例子,按照Kubernetes集群网络K1中的消息生命(Life of a Message)来进行讲解。

容器到容器

容器C1.1需要与容器C1.2进行通信:

  • C1.1在P1的上下文中执行

  • C1.2在P1的上下文中执行

C1.1通过127.0.0.1:9090到C1.2

节点内Pod到Pod通信

容器C 1.1需要与C 3.1进行通信:

  • C 1.1在N1节点上的P1上下文中执行

  • C 3.1在N1节点上的P3上下文中执行

C 1.1通过10.1.1.2:8080到C 3.1

节点间Pod到Pod通信

容器C 1.1需要与容器C 2.1进行通信:

  • C1.1是在N1节点上托管的P1的上下文中执行的

  • C2.1在节点N2上的P2上下文中执行

C1.1通过10.1.2.1:8080到C2.1

Daemon到Pod通信

Daemon D1需要与容器 C 1.1通信:

  • D1托管在节点N1上

  • C 1.1在Pod P1的上下文中执行,该Pod托管在节点N1上

D1通过10.1.1.1:8080到C 1.1

总结

Kubernetes网络模型是一个允许性的网络模型,也就是说,任何满足Kubernetes网络模型约束的网络都是一个有效的Kubernetes网络。

将Kubernetes网络模型映射到Network Graph,使我们能够在概念层面上对网络进行推理,并且跳过了在实现层面上推理所需的一系列细节。

在后续的文章中,我们将使用这个Network Graph来讨论Kubernetes服务、Kubernetes Ingress和Kubernetes策略。

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