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ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少

本篇已加入《.NET Core on K8S学习实践系列文章索引》,可以点击查看更多容器化技术相关系列文章。

一、Kubernetes网络模型

  我们都知道Kubernetes作为容器编排引擎,它有一个强大又复杂的网络模型,也牵引出了Pod网络、Service网络、ClusterIP、NodePort、Ingress等多个概念。这里我们采用杨波老师(架构师杨波)模仿TCP/IP协议栈总结的一个K8S网络模型图来看看K8S的四个抽象层次,从而了解一下K8S的网络。本小节的文字主要引用自杨波老师关于K8S网络模型的文章及CloudMan的《每天5分钟玩转Kubernetes》一书。

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图

K8S网络层次模型图 (From 波波老师)

  根据上图模型中展示的四个层次,从0到3,除了第0层,每一层都是构建于前一层之上。

  (1)第0层:节点主机互通互联

  主要保证K8S节点(物理或虚拟机)之间能够正常IP寻址和互通的网络,这个一般由底层(公有云或数据中心)网络基础设施支持,这里我们无需过多关心。

  (2)第1层:Pod虚拟机互联

   在一个Pod中可以运行一个或多个容器,且Pod中所有容器使用同一个网络namespace,即相同的IP和端口空间,可以直接用localhost通信,而且还可以共享存储(本质是通过将Volume挂载到Pod中的每个容器)。

ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(1)

 Pod网络模型图 (From 波波老师)

  (3)第2层:服务发现和负载均衡

   在K8S集群中,Pod的IP并不是固定的,可能会频繁地销毁和创建实例,为了解决此问题,Service提供了访问Pod的抽象层。即无论后端Pod如何变化,Service都作为稳定的前端对外提供服务。此外,Service还提供了高可用和负载均衡的功能,它负责将请求转发给正确的Pod。

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(2)

  Service网络模型图 (From 波波老师)

  (4)第3层:外部流量接入

   K8s的Service网络只是一个集群内部网络,集群外部是无法直接访问的。为此,想要将应用暴露出去让公网能够访问,K8S提供了两种方式:

  ① NodePort:使Service通过Cluster节点的静态端口对外提供服务,外部可以通过 NodeIP:NodePort 来访问Service。

ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(3)

  Node Port方式示意图 (From 波波老师)

  ② LoadBalancer:使Service利用Cloud Provider提供的Load Balancer对外提供服务,Cloud Provider负责将Load Balancer的流量导向Service。目前支持的Cloud Provider包括AWS、Azure、阿里云、腾讯云等。

ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(4)

 Load Balancer方式示意图 (From 波波老师)

  More:关于K8S网络的更多基本原理与讲解,强力推荐阅读波波老师的以下文章:

二、传说中的CNI规范

  为了保证网络方案的标准化、扩展性和灵活性,K8S采用了CNI(Container Networking Interface)规范。CNI是一个Pod网络集成标准,简化了K8S和不同Pod网络实现技术的集成。CNI最大的优点就是支持多种容器runtime,而不仅仅是Docker。目前已经有多种支持K8S的网络方案,包括 Flannel、Calico、Canal等,它们都实现了CNI规范,因此无论我们选择哪种具体方案,它们的网络模型都是一致的。

ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(5)

 CNI模型图

  More:关于CNI的更多基本原理与讲解,推荐阅读陈Sir的文章《K8S网络详解:CNI与CNI网络模型

三、Network Policy

3.1 关于Network Policy

  Network Policy是K8S的一种资源,它使K8S可以通过Label选择Pod,并指定其他Pod或外界如何与这些Pod通信。换句话说,当Pod被定义了Network Policy时,只有Policy允许的流量才能访问Pod(默认情况下,任何来源的流量都可以访问Pod,是没有限制的)即帮助K8S实现更为精细的流量控制,实现租户隔离机制。

  But,并不是所有K8S网络方案都支持Network Policy,比如Flannel就不支持,而Calico是支持的。

3.2 Network Policy实践

3.2.1 部署Canal

  想要部署Canal,需要切换网络方案,这里我们使用最简单粗暴的方式:重建当前K8S集群

kubeadm reset # 在每个节点上执行一次

  然后,重新对Master节点进行初始化:

kubeadm init \--apiserver-advertise-address=192.168.2.100 \--image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \--kubernetes-version v1.13.3 \--service-cidr=10.1.0.0/16 \--pod-network-cidr=10.244.0.0/16

  在两个Node节点上执行以下命令重新加入集群:(注意这里的token请填写你的Master节点初始化后的输出结果)

kubeadm join 192.168.2.100:6443 --token ekqxk2.iiu5wx5bbnbdtxsw --discovery-token-ca-cert-hash \sha256:c50bb83d04f64f4a714b745f04682b27768c1298f331e697419451f3550f2d05

  最后,通过以下命令部署Canal:(参考自K8S官方文档

kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/v3.8/manifests/canal.yaml

  此时,再次令验证的集群结果如下:

  (1)集群节点状态

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(6)

   (2)Pod状态

   ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(7)

3.2.2 部署测试应用

  这里通过一个httpd应用来演示Network Policy,该应用的yaml定义如下:

apiVersion: apps/v1kind: Deploymentmetadata:  name: httpdspec:  replicas: 3  selector:    matchLabels:      name: networkpolicy-demo  template:    metadata:      labels:        name: networkpolicy-demo    spec:      containers:      - name: httpd        image: httpd:latest        ports:        - containerPort: 80        imagePullPolicy: IfNotPresent---kind: ServiceapiVersion: v1metadata:  name: httpd-svcspec:  type: NodePort  ports:    - protocol: TCP      nodePort: 31000      port: 8080      targetPort: 80  selector:    name: networkpolicy-demo

  通过kubectl将其部署到K8S集群:

kubectl apply -f httpd-demo.yaml

  这时候三个httpd Pod已经成功Running:

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(8)

  由于定义的是NodePort方式暴露服务,这里我们在集群外部访问Service看看:

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(9)

  由于当前并没有创建任何Network Policy,这里我们可以通过创建一个Pod应用(我们熟悉的busybox)来验证一下是否可以在K8S集群内部随意访问该httpd应用:

kubectl run busybox --rm -it --image=busybox /bin/sh

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(10)

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(11)

   从上图可以知道,它可以正常访问到Service,也可以正常ping到Pod节点。

3.2.3 测试Network Policy有效性

  现在我们创建一个Network Policy,其配置文件yaml如下:

apiVersion: networking.k8s.io/v1kind: NetworkPolicymetadata:  name: access-httpdspec:  podSelector:    matchLabels:      name: networkpolicy-demo  ingress:  - from:    - podSelector:        matchLabels:          access: "true"    ports:    - protocol: TCP      port: 80

  该Network Policy定义了如下规则:

  (1)应用于所有 label 为 name : networkpolicy-demo 的Pod,这里即刚刚创建的三个httpd pod。

  (2)ingress中定义了只有 label 为 access : “true” 的Pod才能访问应用。

  (3)即使通过Policy也只能访问80端口

  通过kubectl将其应用到K8S集群中:

kubectl apply -f networkpolicy.yaml

  下面再次在busybox pod中验证Network Policy的有效性:

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(12)

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(13)

  从上图中可以看到,已经无法再成功访问Service,也无法再ping通三个Pod节点。

  这个时候,集群外也无法再通过NodePort访问到Service:

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(14)

  如果想要让测试Pod(busybox)能访问到应用了Network Policy的httpd应用,我们可以对busybox pod加一个label就可以:

kubectl run busybox --rm -it --image=busybox --labels="access=true" /bin/sh

  运行后的验证结果如下,可以访问到Service,但Ping却被禁止:

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(15)

   但是,此时集群节点(k8s-master与两个node)与集群仍然无法访问到应用了Network Policy的httpd应用,如果想要让它们也访问到,则需要修改Network Policy做一个类似于开防火墙白名单的操作(注意下面的ipBlock配置):

apiVersion: networking.k8s.io/v1kind: NetworkPolicymetadata:  name: access-httpdspec:  podSelector:    matchLabels:      name: networkpolicy-demo  ingress:  - from:    - podSelector:        matchLabels:          access: "true"    - ipBlock:        cidr: 192.168.2.0/24    ports:    - protocol: TCP      port: 80

  再次应用到K8S集群后,再来通过集群外部的访问者浏览器试试:

  ASP.NET Core on K8S深入学习(11)K8S网络知多少插图(16)

   可以看到,已经可以正常访问啦!

四、小结

  本文简单介绍了Kubernetes的4层网络模型、CNI 容器网络接口规范 以及 Network Policy,并通过改造K8S集群的网络配置从Flannel到Canal来验证Network Policy的有效性。对于Kubernetes的网络模型的原理与介绍,强烈推荐阅读杨波老师的《Kubernetes网络三部曲》,它的传送门位于下方的参考资料列表中。最后,希望能够对初学者的你有所帮助!

参考资料

(1)CloudMan,《每天5分钟玩转Kubernetes

(2)李振良,《一天入门Kubernets教程

(3)马哥(马永亮),《Kubernetes快速入门

(4)Liang,《K8S CNI网络最强对比

(5)杨波,《K8S网络三部曲

(6)陈Sir,《K8S网络详解:CNI与CNI网络模型

 

文章转载于:https://www.cnblogs.com/edisonchou/p/aspnet_core_on_k8s_deepstudy_part11.html

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