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前言

简介

k8s中将网络大致分为四种

• Service Mesh 即服务网格，它将分布式服务的通信抽象为单独一层，在这一层中实现负载均衡、服务发现、认证授权、监控追踪、流量控制等分布式系统所需要的功能
• service网络，是对ip的命名，相当于域名之于ip。负责服务发现，负载均衡，集群内外的端口暴露
• pod网络，基于节点网络，为每个pod赋予一个ip，并相互之间通过这个ip组成网络
• Node节点网络，基于真实物理机的网络，是通常意义上的网络

Node节点网络

是k8s节点之间通信的网络，一般由云厂商提供，无需我们多做处理

Pod 网络

我们的程序以容器的方式运行在k8s中，通常称之为pod，k8s为每个pod赋予一个ip，那么通过这种podip通讯，pod间性形成一个网络，我们称之为pod网络。

同一个节点

在同一个节点pod间通讯可以通过docker的网络来实现，如下图

• eth0：节点的网卡，负责节点与节点之间的通讯
• docker0 ：虚拟网桥，简单理解为虚拟交换机负责pod间通讯
• veth0: pod1 的虚拟网卡 支持pod内 容器间通讯，如图三个容器共享这个网卡，他们可以通过localhost相互访问。veth0的id是由docker0来分配
• pause：负责容器间共享网络，参考docker的container网络模式
  

不同节点

k8s首先对pod的ip进行统一管理，确保ip按照一定规则分配，如图的172.17.0.2和172.17.1.3

上图中？的部分负责连通两个节点，只要它能够根据podip进行网络转发，那么就可以实现pod间网络通讯。基于此有两种方法

路由方案

在节点之间增加一个路由器，并配置其根据podip转发流量到对应机器，如下图：

• 性能开销比较小
  

覆盖网络

在不改变路由器的情况下，通过隧道封包的技术，先组建虚拟网络，再基于这个虚拟网络建设pod网络。常用的工具有flannel，weavenet等，如下图

隧道封包
- 在流量包从节点发出之前，先将流量包封装成一个新的流量包，并将ip指定为对应节点ip
- 在接收到流量包后，先将流量包解封成原本的样子，再进行后续操作

• 虽然这样去掉了对底层网络设备的依赖，但是却会增加额外的性能开销（封包解包等）
  

CNI

k8s在设计的时候，允许通过CNI（container network interface）这种plugin的方式解耦底层网络。
也就是说，具体如何组网由插件来实现，kubelet在进行创建和删除pod的时候，调用组件进行网络处理。
CNI 这种pod网络集成标准 简化了不同网络技术和k8s之间的集成

Service

我们的服务通常以deployment的方式部署在k8s中，有多个pod运行这个应用程序。所有对服务的发现与负载是极为重要的，service就负责解决这个问题。
k8s通过对服务进行抽象，来解决上述问题。
如下图，我们部署了一个account服务，通过抽象一个ClusterIp(虚拟ip)来解决服务发现与负载问题。

• client不需要知道具体的podid，只需要知道clusterip(account-service)就可以访问这个服务
• podip是不固定的，随着pods伸缩而改变，cluster会监控这些变化，并向client屏蔽掉这些变化。
  

service网络原理

k8s中每个slave节点都部署两个组件 kubelet和kubeproxy，它们和master节点共同实现了service，流程大致如下

• kubelet在创建pod时，会将这个pod的ip列表发送给master
• 创建service时，master会给service分配一个虚拟ip clusterip，同时对应一个serviceName
• master会将这个service的信息发送给每个节点的kubeproxy，kubeproxy会将这个clusterIp->podip的对应关系通过节点的iptables写入到netfilter中
• 当一个pod想访问另一个pod的时候，只知道serviceName，先通过serviceName拿到clusterip，然后根据这个ip发送请求
• 流量在经过netfilter的时候，改变clusterip为真实的podip，然后经过pod网络发出去
  如下图：
  

service的四种类型

1 ClusterIP

上面我们理解的service都是ClusterIP的方式，即集群内部应用间的相互访问。

2 NodePort

当集群外的应用想要访问集群内的服务时，service需要开放节点端口(30000~32767)给外部服务，并将这个端口和内部服务端口映射起来。
如下图，端口实际是通过kubeproxy开放出去的

2 LoadBalancer

一般来说云厂商会提供k8s服务的时候也会提供负载均衡，LoadBalancer类型的service就是和云厂商的负载均衡配套的。

3 ExternalName

ExternalName 类型的service，是将外部的域名映射到集群中来。
比如有个一个数据库mysql，它的地址是我们不想暴露出来的，可以将这个数据库的域名映射成我们集群内部的域名mysql001，在pod中，使用这个修改后的域名访问mysql数据库

Ingress

为了对流量代理转发，k8s中定义了ingress这种资源描述。ingress指明了集群中的网关应该通过怎样的规则进行代理，如下图：

• ingress并不具备代理分发功能，需要部署nginx-ingress来负载真正的流量，所有我们可以自己实现ingress，从而做更复杂的操作，如鉴权，过滤，限流，熔断等等。
  

kube proxy

kube-proxy负责节点网络的代理转发，是k8s网络中最重要的一环，它的实现过程经历了这样三个阶段。

usespace

早期的k8s中，clusterip到podip的流量转发是由kubeproxy来完成的。大致过程如下图：

• kubeproxy 会设置netfilter 将指定clusterip的流量转发给自己，然后由kubeproxy自身来负载均衡到对应的pod
• netfilter：linux提供的一种钩子hooks，所有经过网卡的流量都会经过netfilter。

iptables

由于usespace方式，会将流量从内核转发到kubeproxy工作的用户空间，所以性能并不是很理想。
后来k8s通过iptables设置netfilter，将指定clusterip的流量直接转发出去，不再经过用户空间，如下图：

IPVS

在大规模集群（例如10,000个服务）中，iptables 操作会显着降低速度。
在k8sv1.11版本之后，使用IPVS 模式，IPVS 专为负载平衡而设计，并基于内核内哈希表实现，可以大大减少同步路由规则的开销。
因此，可以通过基于 IPVS 的 kube-proxy 在大量服务中实现性能一致性。同时，基于 IPVS 的 kube-proxy 具有更复杂的负载平衡算法（最小连接，局部性，加权，持久性）。

service mesk

ingress+service 对于一般性的服务网络需求已经足够支持了，但是对于更复杂的网络需求就难以处理了，比如更精细的流量控制，无侵入的监控，grpc这样的长链接负载等。于是service mesk 应运而生，他在pod网络之上又抽象出一层，用于解决上述的问题。

未完待续。。。

其他

服务调试

我们部署在k8s中的应用，如果我们想远程调试它，可以通过以下方式。

proxy

kubectl 具有反向代理功能，通过如下命令，代理端口到集群

kubectl proxy --port=[port]

port-forward

想要将pod或者service的端口映射出来，可以使用如下命令：

kubectl port-forward POD [LOCAL_PORT:]REMOTE_PORT [...[LOCAL_PORT_N:]REMOTE_PORT_N] [options]

如我想访问testname命名空间下的名字为testapp的service的8000端口

kubectl -n testname port-forward services/testapp 8000