Kubernetes网络概念初探

2023-11-19 18:47:46

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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(E?) ∨ K8s-Node(E?) ∨ K8s-Service(E?))
∧ (K8s-Pod(E?) ∨ K8s-Node(E?) ∨ K8s-Service(E?)):
  addr(E?, a) ∧ addr(E?, a)?
   ? E? = E?

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(C?, P) ∧ K8s-Container(C?, P):
 open(C?, p) 
  ?
   Send(e, C?, 127.0.0.1, _, 127.0.0.1, p)
    ?
     Recv(e, C?, 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(P?) ∧ K8s-Container(C?, P?)
∧ K8s-Pod(P?) ∧ K8s-Container(C2, P?):
 addr(P?, sa) ∧ addr(P?, ta) ∧ open(C?, tp)
  ?
   Send(e, C?, sa, sp, ta, tp)
    ?
     Recv(e, C?, 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(N?) ∧ K8s-Node(N?):
 N? ≠ N?
  ?
   link(N?, N?)

在Pod Switch的转发信息库

P2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

转发信息库 N2

Node to Pod Forwarding Rule
K8s-Node(N) ∧ K8s-Pod(P):
host(N, P) ∧ addr(P, a)
?
[* * a * Forward(P)] in FIB[N]
Node to Node Forwalding Rule
K8s-Node(N?) ∧ K8s-Node(N?) ∧ K8s-Pod(P):
N? ≠ N? ∧ host(N?, P) ∧ addr(P, a)
?
[* * a * Forward(N?)] in FIB[N?]