【K8S系列】深入解析k8s网络插件—Calico

逃离我推掉我的手 2023-10-13 20:52 57阅读 0赞

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# 序言 #

> 做一件事并不难，难的是在于坚持。坚持一下也不难，难的是坚持到底。

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> 
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>  *  绿色：用来标记论点
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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程序和服务。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，都可以留言和我交流

# 专栏介绍 #

> 这是这篇文章所在的专栏，欢迎订阅：[【深入解析k8s】专栏][k8s]

> 简单介绍一下这个专栏要做的事：
> 
>  *  主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
>  *  这是专栏介绍文章地址：[【深入解析K8S专栏介绍】][K8S]

> Kubernetes是一个分布式系统，能够管理和编排容器化应用程序。其中，监控是一个非常重要的方面，可以帮助用户了解集群的健康状态、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信和网络连接。以下是一些常见的Kubernetes网络插件：
> 
> 1.  Flannel：Flannel是一个流行的CNI插件，它使用虚拟网络覆盖技术（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。
> 2.  Calico：Calico是一个开源的网络和安全解决方案，它使用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，可用于大规模部署。
> 3.  Weave Net：Weave Net是一个轻量级的CNI插件，通过创建虚拟网络设备和网络代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。
> 4.  Cilium：Cilium是面向Kubernetes的高性能网络和安全解决方案，利用eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）技术来提供快速的容器间通信和网络策略实施。
> 5.  Canal：Canal是一个综合性的CNI插件，结合了Calico和Flannel的功能。它可以使用Flannel提供overlay网络，同时使用Calico的网络策略和安全性功能。
> 6.  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。
> 7.  kube-router：kube-router是一个开源的CNI插件，它结合了网络和服务代理功能。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。选择合适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，以满足不断变化的需求。

# 2 Calico #

> Calico是一个强大的开源容器网络和网络安全解决方案，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信和网络策略控制。

## 2.1 实现功能 ##

> 以下是Calico插件的一些实现的功能简单介绍：
> 
> 1.  容器网络通信：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信。容器内的数据包首先被发送到节点的Calico网络命名空间，然后根据网络路由规则转发到目标容器所在的网络命名空间。这种直接的网络转发方式保证了容器之间的高性能通信。
> 2.  BGP路由协议：Calico使用BGP协议来实现容器间的路由。每个节点上的Calico代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传播给其他节点。这样，每个节点都知道如何到达其他节点上的容器。
> 3.  网络策略：Calico提供了强大的网络策略功能，允许你定义细粒度的访问控制规则。你可以基于标签选择器来定义哪些容器可以与哪些容器通信，以及允许或拒绝的数据包流动。这为你提供了对容器间通信的全面控制能力。
> 4.  网络隔离：通过使用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。
> 5.  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信。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信，从而保护你的应用和数据。
> 6.  IPv6支持：Calico完全支持IPv6，允许你在Kubernetes集群中使用IPv6地址。
> 7.  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代理和BGP路由守护进程具有自我修复能力，能够自动检测并恢复故障。
> 8.  跨云和跨数据中心：Calico支持在不同云平台和数据中心之间扩展和跨区域使用，为你提供跨云的容器网络解决方案。
> 9.  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。
> 10. 流量日志：Calico支持流量日志，可以记录网络流量的来源、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：
> 
> 1.  BGP路由协议：Calico 使用 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 代理（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传播给其他节点。
> 2.  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。这样，每个容器都有一个唯一的 IP 地址，使容器可以直接通过 IP 地址进行通信。
> 3.  容器网络命名空间：Calico 使用 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，这样可以保证容器之间的网络隔离。
> 4.  路由规则：Calico 使用路由规则来决定容器之间的通信路径。在每个节点上，Calico 代理会根据 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信。
> 5.  网络策略：Calico 支持网络策略，允许用户定义细粒度的访问控制规则。网络策略可以基于标签选择器来定义哪些容器可以与哪些容器通信，从而实现容器间的隔离和安全通信。
> 6.  路由表和路由选择：每个节点上的 Calico 代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信时，Calico 代理会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所在的网络命名空间。

> Calico 插件通过使用 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信。
> 
> 每个节点上的 Calico 代理会维护路由表和 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，实现容器间的通信和安全隔离。
> 
> 这使得 Calico 成为一个功能强大、可扩展且高性能的容器网络解决方案。

## 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： ###

> 1.  高性能：Calico插件使用BGP协议作为底层网络协议，可以实现高性能的容器网络，能够满足高流量和低延迟的应用场景。
> 2.  高可扩展性：Calico插件使用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，能够支持大规模容器集群。
> 3.  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定义来限制容器之间的流量，从而实现更好的网络安全性。
> 4.  简单易用：Calico插件的安装和配置相对简单，可以使用简单的命令行工具完成。
> 5.  开源免费：Calico插件是开源免费的，可以节省一定的成本。

### 缺点： ###

> 1.  复杂度高：Calico插件的底层技术比较复杂，需要一定的技术水平才能使用和维护。
> 2.  资源占用高：Calico插件使用Linux内核技术实现容器网络隔离，需要占用一定的系统资源。
> 3.  配置需要注意：Calico插件的配置需要注意一些细节，例如BGP ASN和IP地址的配置，需要保证每个节点的配置正确。
> 4.  不支持Windows节点：目前，Calico插件不支持Windows节点，只能在Linux节点上使用。

> 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，需要根据具体需求评估其优缺点，选择合适的网络插件。

## 2.4 使用场景 ##

> 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进行管理和保护的场景中，例如：
> 
> 1.  大规模容器集群：Calico插件使用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。
> 2.  高性能应用：Calico插件使用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迟的应用场景。
> 3.  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定义来限制容器之间的流量，从而实现更好的网络安全性，适用于多租户应用场景。
> 4.  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保护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，需要根据具体的业务场景和需求来选择合适的网络插件。

## 2.5 配置&安装 ##

> 在Kubernetes集群上安装和配置Calico插件，可以按照以下步骤进行操作：

### 2.5.1 安装etcd和Kubernetes网络插件 ###

> 安装etcd和Kubernetes网络插件：Calico插件需要使用etcd和Kubernetes网络插件作为底层支持，因此需要先安装它们。可以使用Kubeadm、Kubespray或其他工具进行安装。

### 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 ↗][https_docs.projectcalico.org_v3.20_manifests_calico.yaml]。

### 2.5.3 部署Calico插件 ###

> ：使用kubectl命令将下载的Calico YAML文件部署到Kubernetes集群中，例如：kubectl apply -f calico.yaml。

### 2.5.4 配置BGP路由 ###

> 在Calico插件中使用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：
> 
>     - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
>       value: "192.168.0.0/16"
>     - name: IP_AUTODETECTION_METHOD
>       value: "can-reach=192.168.0.1"
>     - name: CALICO_NETWORKING_BACKEND
>       value: "bird"
>     - name: CALICO_AS_NUMBER
>       value: "64512"
>     - name: NODE_BGP_IPV4_ADDR
>       value: "10.0.0.1"
> 
> 其中，
> 
>  *  CALICO\_IPV4POOL\_CIDR是Calico插件使用的IP地址池
>  *  IP\_AUTODETECTION\_METHOD是自动检测节点IP地址的方，
>  *  CALICO\_NETWORKING\_BACKEND是使用的网络后端，
>  *  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，可以使用标签选择器和规则定义来限制容器之间的流量。可以在Calico YAML文件中添加以下内容：
> 
>     - name: FELIX_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION
>       value: "DROP"
> 
> 其中，FELIX\_DEFAULTENDPOINTTOHOSTACTION是默认的网络策略，可以将其设置为DROP、ACCEPT或REJECT。
> 
> 1.  应用配置：使用kubectl命令将修改后的Calico YAML文件应用到Kubernetes集群中，例如：kubectl apply -f calico.yaml。
> 2.  验证配置：使用kubectl命令验证Calico插件是否已经成功安装和配置，例如：kubectl get pods --all-namespaces。

> 通过以上步骤，就可以在Kubernetes集群中成功安装和配置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进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使用的一种协议，它主要用于在不同的自治系统（AS）之间交换路由信息，以实现互联网的跨越和互通。

> 在互联网中，由于网络规模庞大、网络拓扑复杂，需要使用一种能够有效处理网络路径选择和路由决策的协议。
> 
> BGP协议就是这样一种协议，它通过在不同的自治系统之间交换路由信息，并通过计算和选择最佳路径，实现了互联网的跨越和互通。

> BGP协议的主要功能包括：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，交换路由信息和网络策略，以确定最佳的网络路径。
> 
> BGP协议不仅考虑到路径长度，还考虑到了路径上的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。

[d00cb5907a8f40fa969066518bd3f402.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/d00cb5907a8f40fa969066518bd3f402.png
[k8s]: http://t.csdn.cn/wer7E
[K8S]: http://t.csdn.cn/9ELXe
[https_docs.projectcalico.org_v3.20_manifests_calico.yaml]: https://docs.projectcalico.org/v3.20/manifests/calico.yaml