【K8s概念】理解容器网络接口 CNI 和 CNI 插件

2023-11-05 15:35:58

参考：https://www.kubernetes.org.cn/6908.html

一、CNI 是什么

首先我们介绍一下什么是 CNI，它的全称是 Container Network Interface，即容器网络的 API 接口。

它是 K8s 中标准的一个调用网络实现的接口。Kubelet 通过这个标准的 API 来调用不同的网络插件以实现不同的网络配置方式，实现了这个接口的就是 CNI 插件，它实现了一系列的 CNI API 接口。常见的 CNI 插件包括 Calico、flannel、Terway、Weave Net 以及 Contiv。

二、Kubernetes 中如何使用 CNI

K8s 通过 CNI 配置文件来决定使用什么 CNI。

基本的使用方法为：

    首先在每个结点上配置 CNI 配置文件(/etc/cni/net.d/xxnet.conf)，其中 xxnet.conf 是某一个网络配置文件的名称；
    安装 CNI 配置文件中所对应的二进制插件；
    在这个节点上创建 Pod 之后，Kubelet 就会根据 CNI 配置文件执行前两步所安装的 CNI 插件；
    上步执行完之后，Pod 的网络就配置完成了。

具体的流程如下图所示：

三、哪个 CNI 插件适合我

通常来说，CNI 插件可以分为三种：

Overlay
路由
Underlay

Overlay 模式的典型特征是容器独立于主机的 IP 段，这个 IP 段进行跨主机网络通信时是通过在主机之间创建隧道的方式，将整个容器网段的包全都封装成底层的物理网络中主机之间的包。该方式的好处在于它不依赖于底层网络；
路由模式中主机和容器也分属不同的网段，它与 Overlay 模式的主要区别在于它的跨主机通信是通过路由打通，无需在不同主机之间做一个隧道封包。但路由打通就需要部分依赖于底层网络，比如说要求底层网络有二层可达的一个能力；
Underlay 模式中容器和宿主机位于同一层网络，两者拥有相同的地位。容器之间网络的打通主要依靠于底层网络。因此该模式是强依赖于底层能力的。

1. 环境限制

不同环境中所支持的底层能力是不同的。

虚拟化环境（例如 OpenStack）中的网络限制较多，比如不允许机器之间直接通过二层协议访问，必须要带有 IP 地址这种三层的才能去做转发，限制某一个机器只能使用某些 IP 等。在这种被做了强限制的底层网络中，只能去选择 Overlay 的插件，常见的有 Flannel-vxlan, Calico-ipip, Weave 等等；
物理机环境中底层网络的限制较少，比如说我们在同一个交换机下面直接做一个二层的通信。对于这种集群环境，我们可以选择 Underlay 或者路由模式的插件。Underlay 意味着我们可以直接在一个物理机上插多个网卡或者是在一些网卡上做硬件虚拟化；路由模式就是依赖于 Linux 的路由协议做一个打通。这样就避免了像 vxlan 的封包方式导致的性能降低。这种环境下我们可选的插件包括 clico-bgp, flannel-hostgw, sriov 等等；
公有云环境也是虚拟化，因此底层限制也会较多。但每个公有云都会考虑适配容器，提升容器的性能，因此每家公有云可能都提供了一些 API 去配置一些额外的网卡或者路由这种能力。在公有云上，我们要尽量选择公有云厂商提供的 CNI 插件以达到兼容性和性能上的最优。比如 Aliyun 就提供了一个高性能的 Terway 插件。

环境限制考虑完之后，我们心中应该都有一些选择了，知道哪些能用、哪些不能用。在这个基础上，我们再去考虑功能上的需求。

2. 功能需求

首先是安全需求；

K8s 支持 NetworkPolicy，就是说我们可以通过 NetworkPolicy 的一些规则去支持“Pod 之间是否可以访问”这类策略。但不是每个 CNI 插件都支持 NetworkPolicy 的声明，如果大家有这个需求，可以选择支持 NetworkPolicy 的一些插件，比如 Calico, Weave 等等。

第二个是是否需要集群外的资源与集群内的资源互联互通；

大家的应用最初都是在虚拟机或者物理机上，容器化之后，应用无法一下就完成迁移，因此就需要传统的虚拟机或者物理机能跟容器的 IP 地址互通。为了实现这种互通，就需要两者之间有一些打通的方式或者直接位于同一层。此时可以选择 Underlay 的网络，比如 sriov 这种就是 Pod 和以前的虚拟机或者物理机在同一层。我们也可以使用 calico-bgp，此时它们虽然不在同一网段，但可以通过它去跟原有的路由器做一些 BGP 路由的一个发布，这样也可以打通虚拟机与容器。

最后考虑的就是 K8s 的服务发现与负载均衡的能力。

K8s 的服务发现与负载均衡就是我们前面所介绍的 K8s 的 Service，但并不是所有的 CNI 插件都能实现这两种能力。比如很多 Underlay 模式的插件，在 Pod 中的网卡是直接用的 Underlay 的硬件，或者通过硬件虚拟化插到容器中的，这个时候它的流量无法走到宿主机所在的命名空间，因此也无法应用 kube-proxy 在宿主机配置的规则。

这种情况下，插件就无法访问到 K8s 的服务发现。因此大家如果需要服务发现与负载均衡，在选择 Underlay 的插件时就需要注意它们是否支持这两种能力。

经过功能需求的过滤之后，能选的插件就很少了。经过环境限制和功能需求的过滤之后，如果还剩下 3、4 种插件，可以再来考虑性能需求。

3. 性能需求

我们可以从 Pod 的创建速度和 Pod 的网络性能来衡量不同插件的性能。

Pod 的创建速度

当我们创建一组 Pod 时，比如业务高峰来了，需要紧急扩容，这时比如说我们扩容了 1000 个 Pod，就需要 CNI 插件创建并配置 1000 个网络资源。Overlay 和路由模式在这种情况下的创建速度是很快的，因为它是在机器里面又做了虚拟化，所以只需要调用内核接口就可以完成这些操作。但对于 Underlay 模式，由于需要创建一些底层的网络资源，所以整个 Pod 的创建速度相对会慢一些。因此对于经常需要紧急扩容或者创建大批量的 Pod 这些场景，我们应该尽量选择 Overlay 或者路由模式的网络插件。

Pod 的网络性能

主要表现在两个 Pod 之间的网络转发、网络带宽、PPS 延迟等这些性能指标上。Overlay 模式的性能较差，因为它在节点上又做了一层虚拟化，还需要去封包，封包又会带来一些包头的损失、CPU 的消耗等，如果大家对网络性能的要求比较高，比如说机器学习、大数据这些场景就不适合使用 Overlay 模式。这种情形下我们通常选择 Underlay 或者路由模式的 CNI 插件。

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