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K8s学习笔记之了解K8s的网络模型

Kubernetes（简称K8s）是一个用于自动化容器化应用部署、扩展和管理的开源平台。它不仅提供了集群管理和容器编排的功能，还包含了非常灵活和强大的网络管理模型。本篇文章将详细介绍K8s的网络模型，包括Pod网络、服务网络、Ingress、网络策略等方面。通过具体的案例和场景，帮助大家更好地理解K8s的网络架构和如何在实际应用中进行网络配置。

1. Kubernetes 网络架构概述

Kubernetes 的网络架构包括以下几个关键概念：

• Pod 网络：K8s 集群中的每个 Pod 都有自己的网络接口，并且可以通过网络与集群中的其他 Pod 进行通信。
• 服务网络（Service Network）：K8s 的服务抽象提供了一种机制，可以让你通过稳定的 IP 地址和 DNS 名称访问 Pod。
• Ingress 网络：Ingress 提供了一种 HTTP 和 HTTPS 路由机制，用于将外部请求路由到集群内的服务。
• 网络策略（Network Policies）：网络策略用于定义 Pod 之间的通信规则，实现更细粒度的网络安全控制。

1.1 Pod 网络

Pod 是 Kubernetes 中的最小部署单元，通常包含一个或多个容器。在 Kubernetes 集群中，每个 Pod 都会被分配一个唯一的 IP 地址，这使得 Pod 之间能够直接通过 IP 进行通信。Pod 内的容器通常共享网络命名空间，它们能够通过 localhost 进行通信，因此一个 Pod 内的容器可以直接相互访问。

网络模型设计

在 Kubernetes 中，所有 Pod 都应当能够在集群中互相通信，且 Pod 与 Pod 之间的通信不应该受到网络拓扑或主机边界的影响。这一设计原则被称为 "网络平面"。具体来说：

• 每个 Pod 拥有唯一的 IP 地址，Pod 间的通信是基于 IP 地址的。
• Pod 之间的通信不受宿主机影响，即使 Pod 被调度到不同的物理机（Node）上，它们之间仍然能够直接通信。

Pod 网络通常是由 CNI（容器网络接口）插件提供的，例如 Flannel、Calico、Weave、Cilium 等。这些插件负责管理 Pod 网络的地址分配、路由、策略等功能。

案例：Pod 网络示例

假设我们有两个 Pod，分别在不同的节点上运行。以下是如何通过 IP 地址进行通信的简单示例：

1. Pod 1：运行在节点 1 上，IP 地址为 10.244.1.2
2. Pod 2：运行在节点 2 上，IP 地址为 10.244.2.3

在这个例子中，Pod 1 可以直接通过 IP 地址 10.244.2.3 访问 Pod 2，即使它们在不同的物理节点上运行。

bashCopy Code
# 在 Pod 1 中使用 curl 命令访问 Pod 2
curl 10.244.2.3

这种网络模型使得跨节点通信变得透明，用户无需关心 Pod 的物理位置。

1.2 服务网络

Kubernetes 中的服务（Service）是为了让外部客户端能够访问一组运行中的 Pod，而不必关心它们的 IP 地址或生命周期。服务抽象提供了一个稳定的 IP 地址和 DNS 名称，可以将外部请求路由到目标 Pod 上。

服务类型

Kubernetes 提供了多种服务类型，每种类型的网络行为和可访问性有所不同：

• ClusterIP（默认类型）：将服务暴露给集群内部。其他 Pod 可以通过服务的 IP 地址或 DNS 名称访问服务，但外部无法直接访问。
• NodePort：通过每个节点上的静态端口将服务暴露给外部。可以通过节点的 IP 地址加上 NodePort 端口号来访问服务。
• LoadBalancer：将服务暴露到外部负载均衡器上，通常与云平台提供的负载均衡服务配合使用。
• ExternalName：通过 DNS 名称将服务映射到外部资源，不会创建代理。

服务案例

假设我们在 Kubernetes 中部署了一个简单的 Web 应用，它由多个 Pod 组成。为了让外部流量能够访问这个应用，我们创建了一个类型为 NodePort 的服务。

yamlCopy Code
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-app-service
spec:
  selector:
    app: web-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
      nodePort: 30001
  type: NodePort

这个服务将会暴露在所有节点的 30001 端口上，用户可以通过节点的 IP 地址和端口来访问 Web 应用。例如：

Copy Code
http://<NodeIP>:30001

1.3 Ingress 网络

Ingress 是一种用于处理 HTTP 和 HTTPS 流量的 API 对象。它允许你定义外部访问集群内服务的路由规则。Ingress 主要用于提供 HTTP/HTTPS 反向代理功能，将外部请求转发到内部服务中。

Ingress 控制器

要使用 Ingress，Kubernetes 集群中需要部署一个 Ingress 控制器（Ingress Controller）。Ingress 控制器负责根据 Ingress 资源中的路由规则，将请求转发到正确的服务。常见的 Ingress 控制器有：

• Nginx Ingress Controller
• Traefik Ingress Controller
• HAProxy Ingress Controller

Ingress 案例

以下是一个简单的 Ingress 资源配置示例，用于将不同路径的 HTTP 请求路由到不同的服务：

yamlCopy Code
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: web-app-ingress
spec:
  rules:
  - host: webapp.example.com
    http:
      paths:
      - path: /app1
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: web-app-service-1
            port:
              number: 80
      - path: /app2
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: web-app-service-2
            port:
              number: 80

在这个例子中，所有访问 webapp.example.com/app1 的请求会被路由到 web-app-service-1，而访问 /app2 的请求会被路由到 web-app-service-2。

1.4 网络策略（Network Policies）

网络策略（Network Policy）是 Kubernetes 提供的一种机制，用于控制 Pod 之间的网络流量。它允许你基于标签和 IP 地址设置入站和出站流量的规则，从而提高集群的安全性。

网络策略基础

网络策略定义了允许或拒绝的流量类型。例如，你可以设置规则仅允许特定 Pod 之间的通信，或者完全隔离某些 Pod。

以下是一个简单的网络策略示例，允许只有特定标签的 Pod 之间进行通信：

yamlCopy Code
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-ns-traffic
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      role: backend
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          role: frontend

这个策略表示只有标签为 role: frontend 的 Pod 才能够访问标签为 role: backend 的 Pod。

网络策略应用场景

1. 多租户环境：在一个多租户的 Kubernetes 集群中，使用网络策略来隔离不同租户的 Pod，以确保它们不能相互通信。
2. 高安全性要求的应用：对于安全性要求较高的应用（例如金融系统），可以通过网络策略来限制哪些 Pod 可以访问数据库或敏感服务。

1.5 网络模型的挑战与注意事项

Kubernetes 的网络模型设计非常灵活，但也带来了一些挑战。以下是常见的一些问题：

• 跨集群通信：在多集群环境中，如何保证集群间的网络通信是一项挑战。使用像 Istio 或 Calico 等服务网格技术，可以简化跨集群通信的管理。
• 网络性能：Kubernetes 网络性能的瓶颈往往在于 CNI 插件的性能。不同的 CNI 插件在性能、网络隔离和扩展性上各有优缺点，选择合适的 CNI 插件非常重要。
• 网络安全：在生产环境中，网络安全至关重要。除了使用网络策略，还需要考虑如何保护服务之间的