Kubernetes網絡是Kubernetes中一個核心概念。簡而言之，Kubernetes網絡模型可以確保集羣上所有Kubernetes pod都能進行通信。此外，在Kubernetes網絡模型的基礎上，Kubernetes還有其他核心概念，即Kubernetes Services和Kubernetes Ingress。
本文將使用系統模型的方法探索Kubernetes網絡。我們將開發一個簡單的模型來了解容器與容器間的通信以及Pod之間的通信。
如何看待網絡
毫無疑問，網絡是一個極爲廣泛且複雜的領域，它需要多年的理論積累以及實踐才能精通。在本文中，我們將在概念層面對網絡進行梳理，暫時不涉及實現層面的細節。
理想的網絡模型
上圖將網絡描述爲Network Graph，該網絡由一組節點以及節點之間的鏈接組成。如果當且僅當節點之間存在聯繫時，一個節點纔可以與另一個節點交換信息。 
消息交換框架
一個節點，即源節點，通過將消息放入目標的輸入隊列，與另一個節點，即目標交換消息。消息交換由源節點觀察到的Send Event，Send·M和在目標節點觀察到的相應的Receive Event，Recv·M表示。
消息交換行爲
網絡中的節點要麼是Process，要麼是Switch。Process會產生和消耗消息，Switch根據其轉發信息庫（FIB）處理消息。
S1和S2的轉發信息庫（FIB）
上圖描述了Switch的轉發信息庫（FIB）S1和S2。在收到消息時，每臺Switch都會查詢其轉發信息庫，以決定是發送（deliver）、轉發（forward）還是丟棄（discard）該消息。
Switch：
將信息的請求頭，即源地址、源端口、目標地址和目標端口與其轉發信息庫相匹配、 執行相關操作，默認爲棄置（discard）
Kubernetes網絡模型
Kubernetes網絡模型是一個描述性的網絡模型，也就是說，任何滿足Kubernetes網絡模型規範的網絡都是Kubernetes網絡。
然而，Kubernetes並沒有規定如何實現網絡模型。事實上，現在市面上有許多替代的實現，稱爲網絡插件。
本節將用一組關於消息交換的約束條件來描述Kubernetes網絡模型。
限制條件：網絡可尋址實體
Kubernetes網絡模型定義了3個可尋址實體：K8S pod、K8S 節點以及K8S Service，每個實體都會分配到一個不同的IP地址。
∧ (K8s-Pod(E₁) ∨ K8s-Node(E₁) ∨ K8s-Service(E₁))
∧ (K8s-Pod(E₂) ∨ K8s-Node(E₂) ∨ K8s-Service(E₂)):
addr(E₁, a) ∧ addr(E₂, a)₂
⟺ E₁ = E₂
然而，網絡模型不對這些IP地址做任何進一步的聲明。例如，Kubernetes網絡模型不對從這些IP地址中提取的IP地址空間做任何進一步的聲明。
限制條件：容器間通信
Kubernetes網絡模型要求在Pod P上下文中執行的容器C1可以通過localhost與在P上下文中執行的其他容器C2進行通信。
K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C₁, P) ∧ K8s-Container(C₂, P):
open(C₂, p)
⟹
Send(e, C₁, 127.0.0.1, _, 127.0.0.1, p)
⟹
Recv(e, C₂, 127.0.0.1, _, 127.0.0.1, p)
限制條件：Pod到Pod
Kubernetes網絡模型要求在Pod P1上下文中執行的容器C1可以通過P2的地址與在P2上下文中執行的其他容器C2進行通信。
∧ K8s-Pod(P₁) ∧ K8s-Container(C₁, P₁)
∧ K8s-Pod(P₂) ∧ K8s-Container(C2, P₂):
addr(P₁, sa) ∧ addr(P₁, ta) ∧ open(C₂, tp)
⟹
Send(e, C₁, sa, sp, ta, tp)
⟹
Recv(e, C₂, sa, sp, ta, tp)
限制條件：Process到Pod
Kubernetes網絡模型要求託管在節點N上的一個Process，稱爲Daemon D，可以通過P的地址與託管在N上的Pod P上下文中執行的任何容器C進行通信。 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網絡作爲Network Graph
本節用Kubernetes Network Graph這個理想的模型來描述Kubernetes網絡模型。
下圖描述了本節內容中的用例：Kubernetes集羣K1由2個節點組成。每個節點託管2個Pod。每個Pod執行2個容器，一個容器監聽8080端口，一個容器監聽9090端口。此外，每個節點託管1個Daemon。
我們可以將Kubernetes集羣網絡建模爲一個具有一組節點和一組鏈接的Graph。
節點
每個K8S容器C映射到網絡Process C
K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P):
Process(C)
每個Daemon D映射到網絡Process C
K8s-Daemon(D):
Process(D)
每個K8s Pod P映射到網絡Switch P, Pod的Switch
K8s-Pod(P):
Switch(P)
每個K8S節點N 映射到網絡 Switch N，節點的Switch：
K8s-Pod(N):
Switch(N)
鏈接
每個容器C會被鏈接到其Pod Switch P
K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P):
link(C, P)
每個Daemon D會被鏈接到其節點Switch N
K8s-Node(N) ∧ K8s-Daemon(D):
host(N, D)
⟹
link(D, N)
每個Pod Switch P會被鏈接到其節點Switch N
K8s-Node(N) ∧ K8s-Pod(P):
host(N, P)
⟹
link(P, N)
每個節點Switch N1會被鏈接到其他各節點Switch N2
K8s-Node(N₁) ∧ K8s-Node(N₂):
N₁ ≠ N₂
⟹
link(N₁, N₂)
在Pod Switch的轉發信息庫 
P2的轉發信息庫
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]
在節點Switch的轉發信息庫
轉發信息庫 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(N₁) ∧ K8s-Node(N₂) ∧ K8s-Pod(P): N₁ ≠ N₂ ∧ host(N₂, P) ∧ addr(P, a) ⟹ [* * a * Forward(N₂)] in FIB[N₁]
示例
本節將通過一些例子，按照Kubernetes集羣網絡K1中的消息生命（Life of a Message）來進行講解。
容器到容器
容器C1.1需要與容器C1.2進行通信：
- C1.1在P1的上下文中執行
- C1.2在P1的上下文中執行
C₁.₁通過127.0.0.1:9090到C₁.₂
節點內Pod到Pod通信 
容器C 1.1需要與C 3.1進行通信：
- C 1.1在N1節點上的P1上下文中執行
- C 3.1在N1節點上的P3上下文中執行
C 1.1通過10.1.1.2:8080到C 3.1
節點間Pod到Pod通信
容器C 1.1需要與容器C 2.1進行通信：
- C1.1是在N1節點上託管的P1的上下文中執行的
- C2.1在節點N2上的P2上下文中執行
C1.1通過10.1.2.1:8080到C2.1
Daemon到Pod通信
Daemon D1需要與容器 C 1.1通信：
-
D1託管在節點N1上
-
C 1.1在Pod P1的上下文中執行，該Pod託管在節點N1上
D1通過10.1.1.1:8080到C 1.1
總結
Kubernetes網絡模型是一個允許性的網絡模型，也就是說，任何滿足Kubernetes網絡模型約束的網絡都是一個有效的Kubernetes網絡。
將Kubernetes網絡模型映射到Network Graph，使我們能夠在概念層面上對網絡進行推理，並且跳過了在實現層面上推理所需的一系列細節。
在後續的文章中，我們將使用這個Network Graph來討論Kubernetes服務、Kubernetes Ingress和Kubernetes策略。
原文鏈接： https://dominik-tornow.medium.com/kubernetes-networking-22ea81af44d0