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計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)原理
Kubernetes(k8s) 源于古希臘語(yǔ)，意寓為舵手，管理者。Kubernetes 是Google開(kāi)源的容器集群管理系統，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，下面跟著(zhù)小編一起了解一些計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)原理。
其主要功能如下：
以集群的方式運行、管理跨機器的容器;
解決Docker 跨機器容器之間的通訊問(wèn)題;
Kubernetes 的自我修復機制使得容器集群總是運行在用戶(hù)期望的狀態(tài)。
實(shí)際上使用Kubernetes 只需要一個(gè)部署文件，使用一條命令就可以部署一個(gè)完整集群(以網(wǎng)部署k8s 的dashboard 為例)：
kubectl create -fhttps://rawgit.com/kubernetes/dashboard/master/src/deploy/kubernetes-dashboard.yaml
現在先介紹一些核心的概念：
Pods：是連接在一起的容器組合并共享文件卷。它們是最小的部署單元，由 Kubernetes 統一創(chuàng )建、調度、管理;
Replication controllers：管理 Pods 的生命周期, 它們確保指定數量的Pods 會(huì )一直運行;
Labels：被用來(lái)管理和選取基于鍵值對為基礎的對象組;
Services：提供獨立、可靠名稱(chēng)和地址的 Pods 集合，它就像一個(gè)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戶(hù)組。
Volume：Pod 中被多個(gè)容器訪(fǎng)問(wèn)的共享目錄。
下圖是典型的Kubernetes 的架構圖：
在開(kāi)始了解Kubernetes 的網(wǎng)絡(luò )原理之前，我們先來(lái)看下docker 的網(wǎng)絡(luò )模型。
2Docker的網(wǎng)絡(luò )模型
docker network ls 這個(gè)命令用于列出所有當前主機上的網(wǎng)絡(luò )：
在默認情況下會(huì )看到三個(gè)網(wǎng)絡(luò )，它們是DockerDeamon 進(jìn)程創(chuàng )建的。標準的Docker 支持一下4種網(wǎng)絡(luò )模式：
Bridge模式：使用—net=bridge指定。容器使用獨立網(wǎng)絡(luò )Namespace，并連接到docker0虛擬網(wǎng)卡(默認模式);
None模式：使用—net=none指定。容器沒(méi)有任何網(wǎng)卡，適合不需要與外部通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信的容器;
Host模式：使用—net=host指定。容器與主機共享網(wǎng)絡(luò )Namespace，擁有與主機相同的網(wǎng)絡(luò )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(dòng)時(shí)創(chuàng )建一個(gè)虛擬的網(wǎng)橋，缺省名字是docker0，然后按照RPC1918的模型，在私有網(wǎng)絡(luò )空間中給這個(gè)網(wǎng)橋分配一個(gè)子網(wǎng)。Docker 創(chuàng )建出來(lái)的每一個(gè)容器，都會(huì )創(chuàng )建一個(gè)虛擬的Veth 設備對，其中一端關(guān)聯(lián)到網(wǎng)橋上，另一端用Linux 的網(wǎng)絡(luò )命名空間技術(shù)，映射到容器內的eth0設備，然后在網(wǎng)橋的地址段內分配一個(gè)IP地址。
Docker的缺省橋接網(wǎng)絡(luò )模型：
虛擬化技術(shù)中最為復雜的就是虛擬化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，也是門(mén)檻很高的技術(shù)領(lǐng)域，Docker 很明智的早期并沒(méi)有提供跨主機的解決方案。
3什么是kubernetes網(wǎng)絡(luò )模型?
Kubernetes 網(wǎng)絡(luò )設計的一個(gè)基本原則是：每個(gè)Pod 都有一個(gè)全局唯一的IP, 而且假定所有的Pod 都在一個(gè)可以直接連通的，扁平的網(wǎng)絡(luò )空間中，Pod 之間可以跨主機通信，按照這種網(wǎng)絡(luò )原則抽象出來(lái)的一個(gè)Pod 對應一個(gè)IP的設計模型也被稱(chēng)作IP-per-Pod 模型。
相比于Docker 原生的NAT方式來(lái)說(shuō)，這樣使得容器在網(wǎng)絡(luò )層面更像虛擬機或者物理機，復雜度整體降低，更加容易實(shí)現服務(wù)發(fā)現，遷移，負載均衡等功能。
容器間的通信
創(chuàng )建的dashboard 容器信息：
在yaml 文件中你可以發(fā)現我們設置的replicas 的數量是1，但是卻發(fā)現了兩個(gè)容器在運行，第二個(gè)image名為gcr.io/google_containers/pause:2.0，那么第二個(gè)容器從何而來(lái)?
執行下圖中的命令可以發(fā)現：
第二個(gè)容器和第一個(gè)容器共享網(wǎng)絡(luò )命名空間。第一個(gè)容器是Netowrk Container，它不做任何事情，只是用來(lái)接管Pod 的網(wǎng)絡(luò )。這樣做的好處在于避免容器間的相互依賴(lài)，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的容器來(lái)統一管理網(wǎng)絡(luò )。
Pod 間的通信
Pod 間的通信使用的是一個(gè)內部IP，這個(gè)IP就是Network Container 的IP。
以dashboard 為例：
同一個(gè)Node 上的Pod 通過(guò)Veth 連接在同一個(gè)docker0 網(wǎng)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(zhì)是在網(wǎng)路上再架設一層overlay network 使容器的網(wǎng)絡(luò )運行在這層overlay 網(wǎng)絡(luò )上�，F有的方案有Flannel,OpenVSwitch,Weave 等。本文Kubernetes 環(huán)境是采用Flannel。
Flannel 使用Linux 通用TUN/ TAP 設備， 并使用UDP 封裝IP 數據包創(chuàng )建一個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò )。它使用etcd 維護子網(wǎng)的分配和overlay 網(wǎng)絡(luò )和實(shí)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) 和后端Pod 的IP：
那么dashboard 就可以通過(guò)10.254.104.235來(lái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，執行iptables-save：
然后執行lsof –i:30250：
可以看到Kube-Proxy 進(jìn)程監聽(tīng)在30250端口上，這個(gè)進(jìn)程可以看做是Service 的透明代理兼負載均衡器，對于Service 的訪(fǎng)問(wèn)請求將被這個(gè)進(jìn)程轉發(fā)到后端Pod。
對于Pod 的變化會(huì )及時(shí)刷新。那么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(gè)流程：
當一個(gè)客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)Service 時(shí)，這些iptable 規則就開(kāi)始起作用，客戶(hù)端的流量被重定向到Kube-Proxy 為這個(gè)Service 打開(kāi)的端口上，Kube-Proxy 隨機選擇一個(gè)后端Pod 來(lái)進(jìn)行服務(wù)。
外部到內部的通信
Kubernetes 支持兩種對外服務(wù)的Service 的Type 定義：NodePort 和LoadBalancer。
NodePort：在每個(gè)Node 上打開(kāi)一個(gè)端口并且每個(gè)Node 的端口都是一樣的，通過(guò):NodePort 的方式，Kubernetes 集群外部的程序可以訪(fǎng)問(wèn)Service;
LoadBalancer: 通過(guò)外部的負載均衡器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。
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