計算機網絡技術原理

網絡技術
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Kubernetes(k8s) 源於古希臘語，意寓為舵手，管理者。Kubernetes 是Google開源的容器集羣管理系統，其提供應用部署、維護、擴展機制等功能，利用Kubernetes能方便地管理跨機器運行容器化的應用，下面跟着小編一起了解一些計算機網絡技術原理。

其主要功能如下：

以集羣的方式運行、管理跨機器的容器;

解決Docker 跨機器容器之間的通訊問題;

Kubernetes 的自我修復機制使得容器集羣總是運行在用户期望的狀態。

實際上使用Kubernetes 只需要一個部署文件，使用一條命令就可以部署一個完整集羣(以網部署k8s 的dashboard 為例)：

kubectl create -f

現在先介紹一些核心的概念：

Pods：是連接在一起的容器組合並共享文件卷。它們是最小的部署單元，由 Kubernetes 統一創建、調度、管理;

Replication controllers：管理 Pods 的生命週期, 它們確保指定數量的Pods 會一直運行;

Labels：被用來管理和選取基於鍵值對為基礎的對象組;

Services：提供獨立、可靠名稱和地址的 Pods 集合，它就像一個基礎版本的負載均衡器;

Node：相對master是工作主機，也叫Minon，物理機、虛擬機均可。

Namespace：不同的namespace 形成邏輯上不同的`項目或用户組。

Volume：Pod 中被多個容器訪問的共享目錄。

下圖是典型的Kubernetes 的架構圖：

在開始瞭解Kubernetes 的網絡原理之前，我們先來看下docker 的網絡模型。

2Docker的網絡模型

docker network ls 這個命令用於列出所有當前主機上的網絡：

在默認情況下會看到三個網絡，它們是DockerDeamon 進程創建的。標準的Docker 支持一下4種網絡模式：

Bridge模式：使用—net=bridge指定。容器使用獨立網絡Namespace，並連接到docker0虛擬網卡(默認模式);

None模式：使用—net=none指定。容器沒有任何網卡，適合不需要與外部通過網絡通信的容器;

Host模式：使用—net=host指定。容器與主機共享網絡Namespace，擁有與主機相同的網絡設備;

Container模式：使用—net=container:NAME_or_ID指定。

在Kubernetes 的管理模式下，通常只使用bridge 模式。在bridge 模式下，DockerDaemon 第一次啟動時創建一個虛擬的網橋，缺省名字是docker0，然後按照RPC1918的模型，在私有網絡空間中給這個網橋分配一個子網。Docker 創建出來的每一個容器，都會創建一個虛擬的Veth 設備對，其中一端關聯到網橋上，另一端用Linux 的網絡命名空間技術，映射到容器內的eth0設備，然後在網橋的地址段內分配一個IP地址。

Docker的缺省橋接網絡模型：

虛擬化技術中最為複雜的就是虛擬化網絡技術，也是門檻很高的技術領域，Docker 很明智的早期並沒有提供跨主機的解決方案。

3什麼是kubernetes網絡模型?

Kubernetes 網絡設計的一個基本原則是：每個Pod 都有一個全局唯一的IP, 而且假定所有的Pod 都在一個可以直接連通的，扁平的網絡空間中，Pod 之間可以跨主機通信，按照這種網絡原則抽象出來的一個Pod 對應一個IP的設計模型也被稱作IP-per-Pod 模型。

相比於Docker 原生的NAT方式來説，這樣使得容器在網絡層面更像虛擬機或者物理機，複雜度整體降低，更加容易實現服務發現，遷移，負載均衡等功能。

容器間的通信

創建的dashboard 容器信息：

在yaml 文件中你可以發現我們設置的replicas 的數量是1，但是卻發現了兩個容器在運行，第二個image名為_containers/pause:2.0，那麼第二個容器從何而來?

執行下圖中的命令可以發現：

第二個容器和第一個容器共享網絡命名空間。第一個容器是Netowrk Container，它不做任何事情，只是用來接管Pod 的網絡。這樣做的好處在於避免容器間的相互依賴，使用一個簡單的容器來統一管理網絡。

Pod 間的通信

Pod 間的通信使用的是一個內部IP，這個IP就是Network Container 的IP。

以dashboard 為例：

同一個Node 上的Pod 通過Veth 連接在同一個docker0 網橋上，地址段相同，原生能通信。但是不同Node 之間的Pod 如何通信的，本質是在網路上再架設一層overlay network 使容器的網絡運行在這層overlay 網絡上。現有的方案有Flannel,OpenVSwitch,Weave 等。本文Kubernetes 環境是採用Flannel。

Flannel 使用Linux 通用TUN/ TAP 設備，並使用UDP 封裝IP 數據包創建一個覆蓋網絡。它使用etcd 維護子網的分配和overlay 網絡和實際IP 的映射。

下圖是Flannel 的原理圖：

Pod 到Service 通信

查看dashboard 的Service 的VIP(Virtual IP) 和後端Pod 的IP：

那麼dashboard 就可以通過來進行訪問，執行iptables-save：

然後執行lsof –i:30250：

可以看到Kube-Proxy 進程監聽在30250端口上，這個進程可以看做是Service 的透明代理兼負載均衡器，對於Service 的訪問請求將被這個進程轉發到後端Pod。

對於Pod 的變化會及時刷新。那麼Service 就是在Pod 間起到中轉和代理的作用。

下圖中可以很好的反映整個流程：

當一個客户端訪問這個Service 時，這些iptable 規則就開始起作用，客户端的流量被重定向到Kube-Proxy 為這個Service 打開的端口上，Kube-Proxy 隨機選擇一個後端Pod 來進行服務。

外部到內部的通信

Kubernetes 支持兩種對外服務的Service 的Type 定義：NodePort 和LoadBalancer。