Kubernetes 理解笔记之网络模型及CNI插件

最新推荐文章于 2025-06-04 15:10:04 发布
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分类专栏： Kubernetes 理解笔记 文章标签： kubernetes CNI 网络模型 容器通信 网络插件
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Kubernetes 容器网络确实是一块比较复杂的内容，本文是在学习张磊老师《深入剖析 Kubernetes》之后的理解整理，内容主要总结了 Kubernetes 网络模型和 CNI 插件，后面也介绍了容器跨主机网络的三种方案。

文章目录

Kubernetes 网络模型

1、本地容器间通信原理

为什么需要网络? 本质是为了连通然后通信。

为什么容器之间需要网络？每一个容器进程被 Network Namespace 隔离，都有一套独立的“网络栈”，是无法直接跟其他 Network Namespace 里的容器进程进行交互的。

容器之间如何通信：（分为单机与跨主机）

1）单机上容器间通信：【Veth Pair 设备 + 宿主机网桥】

宿主机上创建一个网桥，起虚拟交换机作用，主要功能是根据 MAC 地址学习来将数据包转发到网桥的不同端口（Port）上。然后利用 Linux 的 Veth Pair 的虚拟设备，将所有容器”连接“到这个网桥上。

在这里插入图片描述
注：绿色部分即为 Veth Pair 设备，都是成对出现，一端在容器内充当默认网卡，另一端在宿主机上并插在了 docker0 这个网桥上。

Veth Pair 设备的特点是：它被创建出来后，总是以两张虚拟网卡（Veth Peer）的形式成对出现的。并且，从其中一个“网卡”发出的数据包，可以直接出现在与它对应的另一张“网卡”上，哪怕这两个“网卡”在不同的 Network Namespace 里。

2）难点在于”容器跨主机通信“：【Overlay Network 覆盖网络】

集群中的容器是分布在不同主机上的，所以需要一个容器网络。在已有的宿主机网络上，再通过软件构建一个覆盖在已有宿主机网络之上的、可以把所有容器连通在一起的虚拟网络。所以，这种技术就被称为：Overlay Network（覆盖网络）

在这里插入图片描述
实现方式主要有三种：VXLAN、host-gw、UDP。具体内容可看本文最后的补充知识。

2、Kubernetes 网络模型设计

Kubernetes 网络模型：

  • 所有容器都可以直接使用 IP 地址与其他容器通信，而无需使用 NAT。
  • 所有宿主机都可以直接使用 IP 地址与所
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<think>首先，用户的问题是关于Kubernetes集群部署的关键知识点和一个实际部署案例。我需要基于系统级指令来构建我的回答。 系统级指令要求： - 所有行内数学表达式使用$...$格式，但在这个主题中，可能没有数学表达式，所以我会注意如果出现的话。 - 独立公式使用$$...$$格式，但Kubernetes部署可能不涉及数学公式。 - LaTeX语法正确：确保任何LaTeX使用正确。 - 使用中文回答：整个回答必须用中文。 - 生成相关问题：在回答末尾生成相关问题。 - 引用标识：如果引用段落，在末尾添加引用标识，如[^1]。用户提供了参考引用[^1]、[^2]、[^3]，所以我应该在回答中自然地引用它们。 用户可见层要求： - 回答结构清晰，帮助用户逐步解决问题。 - 保证回答真实可靠：基于Kubernetes知识，确保信息准确。 用户的问题：了解Kubernetes集群部署的关键知识点，并希望获得一个实际的部署案例。 从提供的引用中： - 引用[^1]：关于Kubernetes书籍的概述，强调核心技能如部署、存储、网络等。 - 引用[^2]：关于Kubernetes集群部署、配置和验证的笔记，包括kubeconfig、弃用Docker、kubectl命令等。 - 引用[^3]：类似[^2]，关于kubectl命令的详细分类。 所以，我需要整合这些信息来回答关键知识点和提供案例。 关键知识点： 基于引用[^1]和[^2]，关键知识点包括： 1. **集群部署基础**：如节点设置、网络配置。 2. **运行时环境**：弃用Docker，转向CRI兼容运行时如containerd或cri-o（引用[^2]）。 3. **kubectl工具**：用于管理集群（引用[^2]和[^3]）。 4. **核心资源概念**：如Pods、Deployments、Services等（引用[^3]）。 5. **安全与认证**：kubeconfig文件管理（引用[^2]）。 6. **监控与日志**：确保集群健康（引用[^1]）。 7. **CI/CD集成**：自动化部署（引用[^1]）。 实际部署案例： 提供一个简单的实战案例，比如部署一个Nginx应用。基于标准Kubernetes文档。 回答结构： 1. **介绍**：简要概述Kubernetes部署。 2. **关键知识点**：分点列出并解释。 3. **实战案例**：逐步描述一个部署案例。 4. **生成相关问题**：在末尾添加。 生成相关问题： 基于用户问题，生成3-5个相关问题，如： 1. Kubernetes部署中如何处理网络配置？ 2. 如何优化Kubernetes集群的性能？ 3. 实际部署中常见的错误和解决方案？ 确保引用： 在回答中，自然地引用提供的段落。例如，当提到kubectl命令时，引用[^2]或[^3]。 完整回答框架： - **开头**：回应用户需求。 - **关键知识点部分**： - 部署基础 - 运行时选择 - 工具使用 - 资源管理 - 安全 - 监控 - **实战案例部分**：部署一个简单的应用。 - **结尾**：总结并生成相关问题。</think>### Kubernetes集群部署关键知识点及实战案例 Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。部署Kubernetes集群是构建高效容器云平台的基础，涉及多个核心知识点。下面我将基于关键知识点和一个实际部署案例，逐步为您解析。回答参考了Kubernetes官方文档和行业最佳实践，确保信息真实可靠[^1][^2][^3]。 #### 一、Kubernetes集群部署关键知识点 部署Kubernetes集群时，需掌握以下核心知识点，这些知识点确保了集群的稳定性、安全性和可扩展性： 1. **集群架构与组件** Kubernetes集群由Master节点（控制平面）和Worker节点（数据平面）组成。关键组件包括： - **Master节点**：运行API Server、Scheduler、Controller Manager和etcd（分布式存储）。 - **Worker节点**：运行kubelet（节点代理）和容器运行时（如containerd）。 - 网络模型：使用CNI（Container Network Interface）插件（如Calico或Flannel）实现Pod间通信，确保网络策略隔离[^1]。 2. **容器运行时选择** Kubernetes已弃用Docker Engine，转向CRI（Container Runtime Interface）标准接口。推荐运行时： - **containerd**：轻量级、与Docker兼容，目前主流选择。 - **cri-o**：专为Kubernetes设计，适合资源受限环境。 - 迁移建议：在Kubernetes彻底放弃Docker支持前，切换到受支持的运行时，以避免兼容性问题[^2]。 3. **配置与认证管理** - **kubeconfig文件**：用于kubectl工具连接集群，包含集群地址、用户证书和上下文（context）。通过`kubectl config`命令管理，例如生成或切换上下文[^2]。 - 安全实践：启用RBAC（Role-Based Access Control）限制用户权限，并使用TLS证书加密通信。 4. **核心资源对象** Kubernetes通过YAML文件定义资源，关键对象包括： - **Pods**：最小部署单元，运行一个或多个容器。 - **Deployments**：管理Pod副本和滚动更新。 - **Services**：暴露应用给内部或外部访问。 - 命令工具：使用`kubectl`进行资源操作（如`create`、`get`、`delete`），需掌握约80%的常用命令[^3]。 5. **部署优化与维护** - **自动伸缩**：通过`kubectl autoscale`设置水平Pod自动伸缩（HPA）。 - **节点管理**：使用`kubectl cordon/uncordon`标记节点不可调度，`drain`优雅下线节点。 - 监控与日志：集成Prometheus监控指标和EFK（Elasticsearch-Fluentd-Kibana）日志系统[^1]。 6. **高可用与灾难恢复** - 控制平面高可用：部署多个Master节点，使用负载均衡器。 - 备份策略：定期备份etcd数据，使用Velero工具实现集群状态恢复。 #### 二、实战案例：部署一个Nginx应用 下面通过一个简单案例，演示如何在Kubernetes集群上部署Nginx Web服务。案例基于Minikube（单节点本地集群）或生产环境集群，步骤清晰且可复现。 **环境准备**： - Kubernetes集群已部署（如使用kubeadm工具初始化）。 - kubectl工具安装并配置kubeconfig文件[^2]。 **部署步骤**： 1. **创建Deployment资源** 定义Deployment YAML文件（`nginx-deployment.yaml`），管理Nginx Pod副本： ```yaml apiVersion: apps/v1 kind: Deployment metadata: name: nginx-deployment spec: replicas: 3 # 运行3个Pod副本 selector: matchLabels: app: nginx template: metadata: labels: app: nginx spec: containers: - name: nginx-container image: nginx:latest # 使用官方Nginx镜像 ports: - containerPort: 80 ``` 应用配置： ```bash kubectl apply -f nginx-deployment.yaml ``` 2. **暴露Service** 创建Service YAML文件（`nginx-service.yaml`），将Deployment暴露为ClusterIP（内部访问）或LoadBalancer（外部访问）： ```yaml apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: nginx-service spec: selector: app: nginx ports: - protocol: TCP port: 80 targetPort: 80 type: LoadBalancer # 外部访问类型 ``` 应用配置： ```bash kubectl apply -f nginx-service.yaml ``` 3. **验证部署** - 检查Pod状态：`kubectl get pods`（应显示3个Running状态的Pod）。 - 查看Service：`kubectl get svc nginx-service`，获取EXTERNAL-IP访问Nginx。 - 测试访问：在浏览器输入`http://<EXTERNAL-IP>`，应看到Nginx欢迎页。 4. **滚动更新与回滚** - 更新镜像版本：`kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx-container=nginx:1.25`。 - 回滚到上一版本：`kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment`。 **案例总结**：此案例演示了基础应用部署流程，涵盖了Deployment管理、Service暴露和kubectl命令使用。在生产环境中，需添加Ingress控制器（如Nginx Ingress）处理外部流量，并配置HPA自动伸缩[^1][^3]。 #### 总结 部署Kubernetes集群需系统掌握架构、运行时、资源和运维知识。实战案例帮助您理解从配置到验证的全过程。建议参考官方文档（kubernetes.io）和书籍（如引用[^1]）深入学习。如果您有特定环境需求（如云平台或混合云），可进一步定制方案。
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