【K8S系列】深入解析k8s网络插件—Calico

   

  序言

   做一件事并不难，难的是在于坚持。坚持一下也不难，难的是贯彻始终。
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    Kubernetes (k8s) 是一个容器编排平台，允许在容器中运行应用步伐和服务。今天学习一下k8s网络插件-Calico相关知识
    希望这篇文章能让你不仅有一定的收获，而且可以愉快的学习，如果有什么建议，都可以留言和我交换
   专栏介绍

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    简单介绍一下这个专栏要做的事：
  

• 重要是深入解析每个知识点，帮助大家完全掌握k8s,以下是已更新的章节
  
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    Kubernetes是一个分布式系统，可以或许管理和编排容器化应用步伐。其中，监控是一个非常紧张的方面，可以帮助用户了解集群的康健状态、性能和可用性。
  在本文中，将详细介绍Kubernetes网络插件中的Calico插件。
  
  1 基础介绍 

   在Kubernetes中，网络插件也称为容器网络接口（Container Network Interface，CNI）插件，用于实现容器之间的通讯和网络连接。以下是一些常见的Kubernetes网络插件：
  

• Flannel：Flannel是一个流行的CNI插件，它利用捏造网络覆盖技术（overlay network）来连接不同节点上的容器。Flannel支持多种后端驱动，如VXLAN、UDP、Host-GW等。
  
• Calico：Calico是一个开源的网络和安全办理方案，它利用BGP协议来实现容器之间的路由。Calico支持灵活的网络策略和安全规则，可用于大规模摆设。
  
• Weave Net：Weave Net是一个轻量级的CNI插件，通过创建捏造网络装备和网络署理来连接不同节点上的容器。Weave Net支持overlay模式和直连模式，具有灵活性。
  
• Cilium：Cilium是面向Kubernetes的高性能网络和安全办理方案，利用eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）技术来提供快速的容器间通讯和网络策略实施。
  
• Canal：Canal是一个综合性的CNI插件，联合了Calico和Flannel的功能。它可以利用Flannel提供overlay网络，同时利用Calico的网络策略和安全性功能。
  
• Antrea：Antrea是一个基于Open vSwitch的CNI插件，专为Kubernetes网络和安全性而设计。它提供了高性能的网络连接和网络策略功能。
  
• kube-router：kube-router是一个开源的CNI插件，它联合了网络和服务署理功能。它支持BGP和IPIP协议，并具有负载均衡的特性。
  

    这些是Kubernetes网络插件中的一些常见选项，每个插件都有其特定的优势和适用场景。选择符合的网络插件取决于你的需求、网络拓扑和性能要求等因素。
  同时，Kubernetes社区也在不断发展和推出新的网络插件，以满意不断变化的需求。
  2  Calico

   Calico是一个强大的开源容器网络和网络安全办理方案，广泛应用于Kubernetes集群和其他容器编排平台。
  它通过利用BGP（Border Gateway Protocol）协议和Linux网络命名空间来实现高性能的容器间通讯和网络策略控制。
  2.1 实现功能

   以下是Calico插件的一些实现的功能简单介绍：
  

• 容器网络通讯：Calico通过在每个节点上创建一个专用的Linux网络命名空间来实现容器网络通讯。容器内的数据包起首被发送到节点的Calico网络命名空间，然后根据网络路由规则转发到目标容器地点的网络命名空间。这种直接的网络转发方式保证了容器之间的高性能通讯。
  
• BGP路由协议：Calico利用BGP协议来实现容器间的路由。每个节点上的Calico署理将容器网络信息注册到BGP路由表中，然后通过BGP协议将这些路由信息流传给其他节点。如许，每个节点都知道如何到达其他节点上的容器。
  
• 网络策略：Calico提供了强大的网络策略功能，允许你界说细粒度的访问控制规则。你可以基于标签选择器来界说哪些容器可以与哪些容器通讯，以及允许或拒绝的数据包活动。这为你提供了对容器间通讯的全面控制本领。
  
• 网络隔离：通过利用Linux内核中的网络隔离技术（例如namespace和iptables），Calico可以实现容器级别的网络隔离。
  
• 安全性：Calico支持基于网络策略的安全组功能，它可以实现容器间的隔离和安全通讯。通过设置网络策略规则，你可以确保只有经过授权的容器之间才能相互通讯，从而掩护你的应用和数据。
  
• IPv6支持：Calico完全支持IPv6，允许你在Kubernetes集群中利用IPv6地址。
  
• 高可用性：Calico的设计支持高可用性和容错性。每个节点上的Calico署理和BGP路由守护历程具有自我修复本领，可以或许自动检测并规复故障。
  
• 跨云和跨数据中央：Calico支持在不同云平台和数据中央之间扩展和跨地区利用，为你提供跨云的容器网络办理方案。
  
• IP池管理：Calico通过IP池管理功能，可以为每个节点动态分配IP地址，从而实现更好的IP资源利用率和管理。
  
• 流量日志：Calico支持流量日志，可以记载网络流量的泉源、目的地、协议和端口等信息，从而帮助用户更好地监控和调试网络流量。
  

  2.2 实现原理

   Calico 插件的实现原理涉及多个关键组件和技术，让我们一步一步了解其背后的实现机制：
  

• BGP路由协议：Calico 利用 BGP（Border Gateway Protocol）协议来实现容器网络的路由。在 Calico 网络中，每个节点上都运行着一个 Calico 署理（Felix），它会将节点上的容器网络信息注册到 BGP 路由表中，并通过 BGP 协议将这些路由信息流传给其他节点。
  
• IP池和子网划分：在 Calico 网络中，每个节点都有一个唯一的 IP 池。当容器启动时，Calico 会从节点的 IP 池中为容器分配一个独立的 IP 地址。如许，每个容器都有一个唯一的 IP 地址，使容器可以直接通过 IP 地址举行通讯。
  
• 容器网络命名空间：Calico 利用 Linux 网络命名空间来实现容器网络隔离。每个节点上的容器都位于自己的网络命名空间中，如许可以保证容器之间的网络隔离。
  
• 路由规则：Calico 利用路由规则来决定容器之间的通讯路径。在每个节点上，Calico 署分析根据 BGP 路由表中的路由信息，为容器生成适当的路由规则，从而实现容器间的高性能通讯。
  
• 网络策略：Calico 支持网络策略，允许用户界说细粒度的访问控制规则。网络策略可以基于标签选择器来界说哪些容器可以与哪些容器通讯，从而实现容器间的隔离和安全通讯。
  
• 路由表和路由选择：每个节点上的 Calico 署理维护着一张路由表，用于决定如何转发数据包。当一个容器需要与另一个容器通讯时，Calico 署分析根据路由表中的路由选择适当的路径，将数据包转发到目标容器地点的网络命名空间。
  

    Calico 插件通过利用 BGP 路由协议和 Linux 网络命名空间来实现容器网络隔离和高性能通讯。
  每个节点上的 Calico 署分析维护路由表和 IP 池，根据 BGP 路由信息和网络策略规则，为容器生成适当的路由规则和访问控制规则，实现容器间的通讯和安全隔离。
  这使得 Calico 成为一个功能强大、可扩展且高性能的容器网络办理方案。
  2.3 优缺点

   Calico插件是一种用于Kubernetes网络的开源网络插件，它基于BGP协议和Linux内核技术构建了一个高性能、高可扩展性和安全性的容器网络。
  Calico插件的优缺点如下：
  优点：

   

• 高性能：Calico插件利用BGP协议作为底层网络协议，可以实现高性能的容器网络，可以或许满意高流量和低延长的应用场景。
  
• 高可扩展性：Calico插件利用BGP协议动态学习和发布容器的路由信息，可以实现高可扩展性的容器网络，可以或许支持大规模容器集群。
  
• 安全性：Calico插件支持Kubernetes网络策略，可以通过标签选择器和规则界说来限定容器之间的流量，从而实现更好的网络安全性。
  
• 简单易用：Calico插件的安装和配置相对简单，可以利用简单的下令行工具完成。
  
• 开源免费：Calico插件是开源免费的，可以节省一定的成本。
  

  缺点：

   

• 复杂度高：Calico插件的底层技术比较复杂，需要一定的技术程度才能利用和维护。
  
• 资源占用高：Calico插件利用Linux内核技术实现容器网络隔离，需要占用一定的系统资源。
  
• 配置需要留意：Calico插件的配置需要留意一些细节，例如BGP ASN和IP地址的配置，需要保证每个节点的配置精确。
  
• 不支持Windows节点：目前，Calico插件不支持Windows节点，只能在Linux节点上利用。
  

    总的来说，Calico插件是一种功能强大的容器网络插件，适用于高性能、高可扩展性和安全性的应用场景。在实际应用中，需要根据详细需求评估其优缺点，选择符合的网络插件。
  2.4 利用场景

   Calico插件适用于大规模容器集群的高性能、高可扩展性和安全性的应用场景，特别是在需要对容器流量举行管理和掩护的场景中，例如：
  

• 大规模容器集群：Calico插件利用BGP协议实现动态路由，可以支持大规模容器集群，具有较高的可扩展性。
  
• 高性能应用：Calico插件利用Linux内核技术实现容器网络隔离，可以实现高性能的容器网络，适用于高流量和低延长的应用场景。
  
• 多租户应用：Calico插件支持Kubernetes网络策略，可以通过标签选择器和规则界说来限定容器之间的流量，从而实现更好的网络安全性，适用于多租户应用场景。
  
• 高安全性应用：Calico插件支持网络隔离和流量日志等高级网络特性，可以帮助用户更好地管理和掩护Kubernetes集群中的网络流量，适用于对安全性要求较高的应用场景。
  

    Calico插件适用于需要高性能、高可扩展性和安全性的容器网络应用场景，是一个功能强大的Kubernetes网络插件。
  在实际应用中，需要根据详细的业务场景和需求来选择符合的网络插件。
  2.5 配置&安装 

   在Kubernetes集群上安装和配置Calico插件，可以按照以下步骤举行操纵：
  2.5.1 安装etcd和Kubernetes网络插件

   安装etcd和Kubernetes网络插件：Calico插件需要利用etcd和Kubernetes网络插件作为底层支持，因此需要先安装它们。可以利用Kubeadm、Kubespray或其他工具举行安装。
  2.5.2 下载Calico YAML文件 

   下载Calico YAML文件：从Calico官方网站下载最新的Calico YAML文件，例如：https://docs.projectcalico.org/v3.20/manifests/calico.yaml ↗。
  2.5.3 摆设Calico插件 

   ：利用kubectl下令将下载的Calico YAML文件摆设到Kubernetes集群中，例如：kubectl apply -f calico.yaml。
   2.5.4 配置BGP路由 

   在Calico插件中利用BGP路由协议，需要配置每个节点的BGP ASN和IP地址。可以在Calico YAML文件中添加以下内容：

1. - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
2.   value: "192.168.0.0/16"
3. - name: IP_AUTODETECTION_METHOD
4.   value: "can-reach=192.168.0.1"
5. - name: CALICO_NETWORKING_BACKEND
6.   value: "bird"
7. - name: CALICO_AS_NUMBER
8.   value: "64512"
9. - name: NODE_BGP_IPV4_ADDR
10.   value: "10.0.0.1"

复制代码

其中，
  

• CALICO_IPV4POOL_CIDR是Calico插件利用的IP地址池
  
• IP_AUTODETECTION_METHOD是自动检测节点IP地址的方，
  
• CALICO_NETWORKING_BACKEND是利用的网络后端，
  
• CALICO_AS_NUMBER是BGP ASN，
  
• NODE_BGP_IPV4_ADDR是节点的BGP IP地址。
  

  2.5.6 配置网络策略

   Calico插件支持Kubernetes网络策略，可以利用标签选择器和规则界说来限定容器之间的流量。可以在Calico YAML文件中添加以下内容：

1. - name: FELIX_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION
2.   value: "DROP"

复制代码

其中，FELIX_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION是默认的网络策略，可以将其设置为DROP、ACCEPT或REJECT。
  

• 应用配置：利用kubectl下令将修改后的Calico YAML文件应用到Kubernetes集群中，例如：kubectl apply -f calico.yaml。
  
• 验证配置：利用kubectl下令验证Calico插件是否已经乐成安装和配置，例如：kubectl get pods --all-namespaces。
  

    通过以上步骤，就可以在Kubernetes集群中乐成安装和配置Calico插件，实现高性能、高可扩展性和安全性的容器网络。
  当然，在实际应用中，还需要根据实际需求举行更加详细和精细的配置。
  3 拓展

什么是BGP协议

   BGP（Border Gateway Protocol）协议是在互联网路由中利用的一种协议，它重要用于在不同的自治系统（AS）之间互换路由信息，以实现互联网的超过和互通。
    在互联网中，由于网络规模庞大、网络拓扑复杂，需要利用一种可以或许有效处理网络路径选择和路由决策的协议。
  BGP协议就是如许一种协议，它通过在不同的自治系统之间互换路由信息，并通过计算和选择最佳路径，实现了互联网的超过和互通。
    BGP协议的重要功能包罗：路由选择、路由策略、路由过滤和路由汇聚等。
    BGP协议通过建立BGP对等体之间的TCP连接，互换路由信息和网络策略，以确定最佳的网络路径。
  BGP协议不仅思量到路径长度，还思量到了路径上的AS数、AS的属性和AS的策略等因素。
    在大规模的容器集群中，BGP协议可以作为容器网络的底层协议，帮助实现高性能、高可扩展性和安全性的容器网络。
  通过BGP协议，容器节点之间可以动态学习和发布容器的路由信息，实现容器之间的互通和流量管理。
  

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