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計(jì)算機(jī)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(tǒng)，其提供應(yīng)用部署、維護(hù)、擴(kuò)展機(jī)制等功能，利用Kubernetes能方便地管理跨機(jī)器運(yùn)行容器化的應(yīng)用，下面跟著小編一起了解一些計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理。
其主要功能如下：
以集群的方式運(yùn)行、管理跨機(jī)器的容器;
解決Docker 跨機(jī)器容器之間的通訊問(wèn)題;
Kubernetes 的自我修復(fù)機(jī)制使得容器集群總是運(yùn)行在用戶期望的狀態(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(xiàn)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(tǒng)一創(chuàng)建、調(diào)度、管理;
Replication controllers：管理 Pods 的生命周期, 它們確保指定數(shù)量的Pods 會(huì)一直運(yùn)行;
Labels：被用來(lái)管理和選取基于鍵值對(duì)為基礎(chǔ)的對(duì)象組;
Services：提供獨(dú)立、可靠名稱和地址的 Pods 集合，它就像一個(gè)基礎(chǔ)版本的負(fù)載均衡器;
Node：相對(duì)master是工作主機(jī)，也叫Minon，物理機(jī)、虛擬機(jī)均可。
Namespace：不同的namespace 形成邏輯上不同的項(xiàng)目或用戶組。
Volume：Pod 中被多個(gè)容器訪問(wèn)的共享目錄。
下圖是典型的Kubernetes 的架構(gòu)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(dāng)前主機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)：
在默認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(dú)立網(wǎng)絡(luò)Namespace，并連接到docker0虛擬網(wǎng)卡(默認(rèn)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(jī)共享網(wǎng)絡(luò)Namespace，擁有與主機(jī)相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)備對(duì)，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(nèi)的eth0設(shè)備，然后在網(wǎng)橋的地址段內(nèi)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(fù)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(jī)的解決方案。
3什么是kubernetes網(wǎng)絡(luò)模型?
Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(jī)通信，按照這種網(wǎng)絡(luò)原則抽象出來(lái)的一個(gè)Pod 對(duì)應(yīng)一個(gè)IP的設(shè)計(jì)模型也被稱作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(jī)或者物理機(jī)，復(fù)雜度整體降低，更加容易實(shí)現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)，遷移，負(fù)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(xiàn)我們?cè)O(shè)置的replicas 的數(shù)量是1，但是卻發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)容器在運(yùn)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(zhí)行下圖中的命令可以發(fā)現(xiàn)：
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，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的容器來(lái)統(tǒng)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(nèi)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(shè)一層overlay network 使容器的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在這層overlay 網(wǎng)絡(luò)上�，F(xiàn)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(shè)備， 并使用UDP 封裝IP 數(shù)據(jù)包創(chuàng)建一個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)。它使用etcd 維護(hù)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)行訪問(wèn)，執(zhí)行iptables-save：
然后執(zhí)行l(wèi)sof –i:30250：
可以看到Kube-Proxy 進(jìn)程監(jiān)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(fù)載均衡器，對(duì)于Service 的訪問(wèn)請(qǐng)求將被這個(gè)進(jìn)程轉(zhuǎn)發(fā)到后端Pod。
對(duì)于Pod 的變化會(huì)及時(shí)刷新。那么Service 就是在Pod 間起到中轉(zhuǎn)和代理的作用。
下圖中可以很好的反映整個(gè)流程：
當(dāng)一個(gè)客戶端訪問(wèn)這個(gè)Service 時(shí)，這些iptable 規(guī)則就開(kāi)始起作用，客戶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(jī)選擇一個(gè)后端Pod 來(lái)進(jìn)行服務(wù)。
外部到內(nèi)部的通信
Kubernetes 支持兩種對(duì)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問(wèn)Service;
LoadBalancer: 通過(guò)外部的負(fù)載均衡器來(lái)訪問(wèn)。
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