Kubernetes网络是Kubernetes中一个核心概念。简而言之，Kubernetes网络模型可以确保集群上所有Kubernetes pod都能进行通信。此外，在Kubernetes网络模型的基础上，Kubernetes还有其他核心概念，即Kubernetes Services和Kubernetes Ingress。
本文将使用系统模型的方法探索Kubernetes网络。我们将开发一个简单的模型来了解容器与容器间的通信以及Pod之间的通信。
如何看待网络
毫无疑问，网络是一个极为广泛且复杂的领域，它需要多年的理论积累以及实践才能精通。在本文中，我们将在概念层面对网络进行梳理，暂时不涉及实现层面的细节。
理想的网络模型
上图将网络描述为Network Graph，该网络由一组节点以及节点之间的链接组成。如果当且仅当节点之间存在联系时，一个节点才可以与另一个节点交换信息。
消息交换框架
一个节点，即源节点，通过将消息放入目标的输入队列，与另一个节点，即目标交换消息。消息交换由源节点观察到的Send Event，Send·M和在目标节点观察到的相应的Receive Event，Recv·M表示。
消息交换行为
网络中的节点要么是Process，要么是Switch。Process会产生和消耗消息，Switch根据其转发信息库(FIB)处理消息。
S1和S2的转发信息库(FIB)
上图描述了Switch的转发信息库(FIB)S1和S2。在收到消息时，每台Switch都会查询其转发信息库，以决定是发送(deliver)、转发(forward)还是丢弃(discard)该消息。
Switch：
- 将信息的请求头，即源地址、源端口、目标地址和目标端口与其转发信息库相匹配、
- 执行相关操作，默认为弃置(discard)
Kubernetes网络模型
Kubernetes网络模型是一个描述性的网络模型，也就是说，任何满足Kubernetes网络模型规范的网络都是Kubernetes网络。
然而，Kubernetes并没有规定如何实现网络模型。事实上，现在市面上有许多替代的实现，称为网络插件。
本节将用一组关于消息交换的约束条件来描述Kubernetes网络模型。
限制条件：网络可寻址实体
Kubernetes网络模型定义了3个可寻址实体：K8S pod、K8S 节点以及K8S Service，每个实体都会分配到一个不同的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，网络模型不对这些IP地址做任何进一步的声明。例如，Kubernetes网络模型不对从这些IP地址中提取的IP地址空间做任何进一步的声明。
限制条件：容器间通信
Kubernetes网络模型要求在Pod P上下文中执行的容器C1可以通过localhost与在P上下文中执行的其他容器C2进行通信。
- 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)
限制条件：Pod到Pod
Kubernetes网络模型要求在Pod P1上下文中执行的容器C1可以通过P2的地址与在P2上下文中执行的其他容器C2进行通信。
- ∧ 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)
限制条件：Process到Pod
Kubernetes网络模型要求托管在节点N上的一个Process，称为Daemon D，可以通过P的地址与托管在N上的Pod P上下文中执行的任何容器C进行通信。
- 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网络作为Network Graph
本节用Kubernetes Network Graph这个理想的模型来描述Kubernetes网络模型。
下图描述了本节内容中的用例：Kubernetes集群K1由2个节点组成。每个节点托管2个Pod。每个Pod执行2个容器，一个容器监听8080端口，一个容器监听9090端口。此外，每个节点托管1个Daemon。
我们可以将Kubernetes集群网络建模为一个具有一组节点和一组链接的Graph。
节点
每个K8S容器C映射到网络Process C
- K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P): Process(C)
每个Daemon D映射到网络Process C
- K8s-Daemon(D): Process(D)
每个K8s Pod P映射到网络Switch P, Pod的Switch
- K8s-Pod(P): Switch(P)
每个K8S节点N 映射到网络 Switch N，节点的Switch：
- K8s-Pod(N): Switch(N)
链接
每个容器C会被链接到其Pod Switch P
- K8s-Pod(P) ∧ K8s-Container(C, P): link(C, P)
每个Daemon D会被链接到其节点Switch N
- K8s-Node(N) ∧ K8s-Daemon(D): host(N, D)
- ⟹
- link(D, N)
每个Pod Switch P会被链接到其节点Switch N
- K8s-Node(N) ∧ K8s-Pod(P): host(N, P)
- ⟹
- link(P, N)
每个节点Switch N1会被链接到其他各节点Switch N2
- K8s-Node(N₁) ∧ K8s-Node(N₂): N₁ ≠ N₂
- ⟹
- link(N₁, N₂)
在Pod Switch的转发信息库
P2的转发信息库
- 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]
在节点Switch的转发信息库
转发信息库 N2
- {{{1. Node to Pod Forwarding Rule
- K8s-Node(N) ∧ K8s-Pod(P):
- host(N, P) ∧ addr(P, a)
- ⟹
- [* * a * Forward(P)] in FIB[N]
- 2. 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
本节将通过一些例子，按照Kubernetes集群网络K1中的消息生命(Life of a Message)来进行讲解。
容器到容器
容器C1.1需要与容器C1.2进行通信：
- C1.1在P1的上下文中执行
- C1.2在P1的上下文中执行
- C₁.₁通过127.0.0.1:9090到C₁.₂
节点内Pod到Pod通信
容器C 1.1需要与C 3.1进行通信：
- C 1.1在N1节点上的P1上下文中执行
- C 3.1在N1节点上的P3上下文中执行
- C 1.1通过10.1.1.2:8080到C 3.1
节点间Pod到Pod通信
容器C 1.1需要与容器C 2.1进行通信：
- C1.1是在N1节点上托管的P1的上下文中执行的
- C2.1在节点N2上的P2上下文中执行
- C1.1通过10.1.2.1:8080到C2.1
Daemon到Pod通信
Daemon D1需要与容器 C 1.1通信：
- D1托管在节点N1上
- C 1.1在Pod P1的上下文中执行，该Pod托管在节点N1上
- D1通过10.1.1.1:8080到C 1.1
总结
Kubernetes网络模型是一个允许性的网络模型，也就是说，任何满足Kubernetes网络模型约束的网络都是一个有效的Kubernetes网络。
将Kubernetes网络模型映射到Network Graph，使我们能够在概念层面上对网络进行推理，并且跳过了在实现层面上推理所需的一系列细节。
在后续的文章中，我们将使用这个Network Graph来讨论Kubernetes服务、Kubernetes Ingress和Kubernetes策略。
