摘要：
Kubernetes作为一种流行的容器编排平台，具有强大的可扩展性和灵活性。在Kubernetes中，网络架构扮演着关键的角色，为容器和Pod之间的通信提供必要的基础设施。本文将深入探讨Kubernetes网络架构，包括Underlay网络和Overlay网络，以及相关的技术和协议，如VXLAN、BGP、以及Calico等。通过逐步思考，我们将全面了解这些概念和技术，并理解它们在Kubernetes中的作用和价值。
一、Kubernetes网络基础
在Kubernetes中，网络架构分为Underlay网络,Overlay网络(包含non-Overlay)和两个层面。
Underlay 网络：Underlay 网络是指构成底层网络基础设施的实际网络设备和连接。这包括物理设备（如交换机和路由器）、网络协议（如 OSPF 和 BGP）以及所使用的连接和电缆。
Overlay 网络：Overlay 网络是一种在 Underlay 网络之上创建的虚拟网络。这种网络使用封装技术将网络数据包包装在其他数据包中，从而在现有网络基础设施之上创建一个新的网络层。
Non-Overlay 网络：Non-Overlay 网络是指不使用封装技术的网络。这种网络直接在 Underlay 网络上进行通信，不需要创建额外的网络层。
| 类型 | 特性 | 缺点 | 使用场景 |
|---|---|---|---|
| Underlay | 由物理设备和连接构成，可直接处理和转发数据包。 | 难以扩展和管理，对物理设备的更改可能会影响网络性能。 | 所有类型的网络环境，特别是需要高性能和低延迟的环境。 |
| Overlay | 可以在现有网络上创建虚拟网络，具有良好的扩展性和灵活性。 | 可能会导致性能下降，因为需要处理额外的封装和解封装过程。 | 大型和复杂的网络环境，例如云环境和跨数据中心的环境。 |
| Non-Overlay | 直接在 Underlay 网络上通信，无需处理额外的封装和解封装过程。 | 缺乏灵活性，因为它直接依赖 Underlay 网络的能力。 | 小型和简单的网络环境，或者需要高性能和低延迟的环境。 |
二、Underlay网络方案
在 Kubernetes 网络架构中，Underlay 网络是指承载 Kubernetes 网络流量的物理网络或底层网络。这个网络通常由物理交换机、路由器和其他网络硬件组成，它们之间通过各种路由协议（例如 OSPF、BGP 等）连接在一起。Kubernetes 的网络流量（例如 Pod 到 Pod、Pod 到 Service 等）将在这个 Underlay 网络上进行传输。
以下是一些常见的 Underlay 网络方案：
物理网络：物理网络是最常见的 Underlay 网络，它通常由物理交换机、路由器和其他网络硬件设备组成。在这种情况下，Kubernetes 集群中的每个节点都直接连接到这个物理网络。
VLAN：VLAN 是一种在物理网络上创建逻辑隔离的技术，它可以将一个物理网络划分为多个逻辑网络。在 Kubernetes 网络架构中，可以使用 VLAN 来隔离不同的网络流量，例如控制流量、数据流量等。
Overlay 网络：虽然 Overlay 网络通常被视为 Kubernetes 的网络解决方案，但它实际上也是一种 Underlay 网络。在 Overlay 网络中，物理网络（Underlay）上运行一个虚拟网络（Overlay）。这种方案通常用于跨越多个物理网络的情况，例如在云环境或跨数据中心的环境中。
SDN (Software Defined Networking)：SDN 是一种网络架构，它允许网络管理员更灵活地管理网络流量。在 Kubernetes 中，SDN 可以用作 Underlay 网络，以提供更细粒度的流量控制。
公有云提供商的网络：如果 Kubernetes 集群部署在公有云上，如 AWS、Aliyun等，那么公有云提供商的网络就是 Underlay 网络。这些网络通常提供了丰富的网络功能，如负载均衡、NAT、安全组等。
Underlay层常用路由协议对比
| 特性 | OSPF (Open Shortest Path First) | BGP (Border Gateway Protocol) |
|---|---|---|
| 类型 | 链路状态路由协议，内部网关协议(IGP) | 路径矢量路由协议，外部网关协议(EGP) |
| 性能 | OSPF 通常比 BGP 更快，因为它使用的是 Dijkstra 算法，该算法可以更快地计算出最短路径 | BGP 通常比 OSPF 更慢，因为它需要处理更复杂的路由策略和大量的路由信息 |
| 优点 | 链路状态协议，能快速收敛，适合大型网络。优先级高的路由器可以成为 DR，减少网络开销 | 适应性强，可处理复杂的网络拓扑和策略。适合 Internet 级别的路由广播，支持路由聚合，减少全球路由表的大小 |
| 需要硬件支持 | 通常不需要特殊硬件支持 | 通常不需要特殊硬件支持 |
| 最大节点支持 | OSPF 的理论上限是区域内 500-1000 个路由器。为了规模更大，网络可以被划分为多个 OSPF 区域 | BGP 的规模可以非常大，Internet 的全球路由表就是由 BGP 维护的。具体支持的节点数量取决于具体的网络设备和配置 |
| 价值 | OSPF 适合在一个自治系统内部使用，可以快速响应网络的变化，保持高效的内部路由 | BGP 适合在自治系统之间使用，可以处理复杂的路由策略，维护 Internet 的稳定性和灵活性 |
三、Overlay网络方案
Flannel：Flannel是Kubernetes中常用的Overlay网络方案之一，它使用不同的后端实现（如VXLAN、IPsec、Host-Gateway），为Pod之间的通信提供虚拟网络连接。
Calico：Calico是一个网络和安全解决方案，支持Kubernetes中的overlay和non-overlay两种网络模式。
Overlay模式
这种模式中，一个网络层（即Pod网络）被覆盖在另一个网络层（即物理网络或主机网络）之上。Kubernetes中的overlay网络可以处理节点之间的Pod到Pod的流量，这是在底层网络无法识别Pod IP地址或无法知道哪些Pod在哪些节点上运行的情况下的一种解决方案。Overlay网络通过封装底层网络无法处理的网络数据包（例如使用Pod IP地址）在一个外部数据包中，底层网络知道如何处理这个外部数据包（例如节点IP地址）。常用的封装协议包括VXLAN和IP-in-IP。使用overlay网络的主要优势在于减少了对底层网络的依赖性，可以在几乎任何底层网络上运行VXLAN overlay，无需与底层网络进行集成或对其进行任何改动。然而，使用overlay网络的主要缺点包括一些性能影响和Pod IP地址在集群外部不可路由。
Non-overlay模式
在non-overlay模式中，Pod的IP地址可以在集群之外路由，这意味着Pod可以直接与外部世界建立连接，而无需进行源网络地址转换（SNAT），并且外部世界可以直接与Pod建立连接，而无需通过Kubernetes服务或Kubernetes ingress。非覆盖网络模式的主要优点是它可以避免出站连接的SNAT，这可能对于与现有的更广泛的安全要求集成是必要的。此外，如果你有一些特殊的工作负载，需要一些Pod直接可访问，而无需通过Kubernetes服务或Kubernetes ingress，那么可路由的Pod IP可能在操作上比使用主机网络的Pod更简单。
Weave Net：Weave Net是另一个常见的Overlay网络方案，使用VXLAN封装技术，在每个节点上创建虚拟交换机，为Pod提供网络连接。
四、BGP在Kubernetes中的应用
BGP作为Overlay网络的路由协议：BGP在一些网络插件和解决方案中（如Calico）被用作Overlay网络的路由协议。它负责建立虚拟网络的路由和互连，实现容器和Pod之间的网络通信。
BGP在Underlay网络中的应用：BGP在Underlay网络中通常用于自治系统（AS）之间的路由选择和交换路由信息，而非节点之间的内部路由。
五、VXLAN技术的作用和特点
VXLAN作为Overlay网络方案：VXLAN是一种常用的Overlay网络技术，通过封装和隧道技术，在Underlay网络上构建虚拟的二层网络，为Pod之间的通信提供虚拟网络互通。
虚拟网络隔离：VXLAN允许创建逻辑上隔离的虚拟网络，通过VXLAN网络标识符（VNI）进行标识，实现不同虚拟网络之间的互通和隔离。
扩展性：VXLAN提供了大量的虚拟网络标识，可以支持大规模的虚拟网络部署。
六、EndpointSlice和Service的区别与应用场景
EndpointSlice是Kubernetes中的一种资源对象，用于描述Service的后端Pod的网络终端。与之相比，Service对象更关注标识和路由，将一组Pod作为后端。EndpointSlice可以更细粒度地描述Pod的网络属性，并与Service对象关联，满足特定的网络需求和拓扑要求。
EndpointSlice是Kubernetes中的一种资源对象，用于描述Service的后端Pod的网络终端。以下是一个示例的EndpointSlice编排文件：
apiVersion: discovery.k8s.io/v1beta1
kind: EndpointSlice
metadata:
name: my-endpoint-slice
labels:
app: my-app
spec:
addressType: IPv4
ports:
- name: http
port: 80
protocol: TCP
endpoints:
- addresses:
- 10.0.0.1
hostname: pod-1
nodeName: node-1
- addresses:
- 10.0.0.2
hostname: pod-2
nodeName: node-2
在上述示例中，我们定义了一个名为my-endpoint-slice的EndpointSlice对象。它关联了一个标签app: my-app，并指定了网络终端的地址类型为IPv4。在ports部分，我们定义了一个名为http的端口，并指定了端口号为80，协议为TCP。在endpoints部分，我们列出了两个网络终端，每个终端都有一个IP地址、主机名和所在节点的名称。
请注意，以上是一个示例的配置和编排文件，您需要根据您的具体环境和需求进行相应的调整和修改。
七、IPv6在Kubernetes中的意义和启用方式
IPv6的意义：IPv6解决了IPv4地址枯竭的问题，并提供了更大的地址空间。在Kubernetes中使用IPv6可以支持更多的容器和Pod，并提供更灵活的网络拓扑。
启用IPv6：启用IPv6需要进行相应的配置和准备工作，包括配置网络插件、节点和服务的IPv6地址，以及确保网络设备和环境支持IPv6。
启用IPv6的配置代码：
要在Kubernetes中启用IPv6，需要进行一些配置和准备工作。以下是一个示例的配置代码，供参考：
配置kubelet参数：
在kubelet的配置文件（通常位于/etc/kubernetes/kubelet.conf）中添加以下参数：
KUBELET_EXTRA_ARGS=--feature-gates="IPv6DualStack=true"
配置kube-proxy参数：
在kube-proxy的配置文件（通常位于/etc/kubernetes/kube-proxy.conf）中添加以下参数：
KUBE_PROXY_EXTRA_ARGS=--feature-gates="IPv6DualStack=true"
配置CNI插件：
如果您使用的是特定的容器网络接口（CNI）插件，例如Calico或Flannel，您需要根据其文档或配置文件进行相应的IPv6配置。以下是一个示例的Calico CNI配置：
{
"name": "calico-k8s-network",
"type": "calico",
"etcd_endpoints": "http://<etcd-host>:<etcd-port>",
"ipam": {
"type": "calico-ipam",
"assign_ipv6": true
}
}
请根据您使用的具体CNI插件进行相应的配置。
八、总结与展望
本文深入探讨了Kubernetes网络架构和相关技术，从Underlay网络到Overlay网络的不同方案和协议，以及EndpointSlice和IPv6的应用。了解这些网络概念和技术可以帮助我们构建高效、可靠的Kubernetes集群，并满足不同的网络需求。未来，随着容器技术的发展，网络架构和技术将继续演进和创新，为云原生应用的部署和运行提供更好的支持。
Q&A
Q: vxlan不是常见的Underlay网络方案吗?
在讨论 VXLAN 之前，我们需要理解 Underlay 和 Overlay 网络的概念。
Underlay 网络指的是实际的物理网络基础设施，包括物理交换机、路由器和传输介质（例如以太网线或光纤）。它负责传送原始的网络包。常见的 Underlay 网络技术包括 Ethernet、IP、MPLS 等。
Overlay 网络则是在 Underlay 网络之上建立的一层虚拟网络。它利用 Underlay 网络提供的基础连接，创建一个或多个网络层，这些网络层独立于物理基础设施。Overlay 网络通常用于创建虚拟网络，以支持多租户环境或提供网络服务（例如安全性或 QoS）。
VXLAN（Virtual Extensible Local Area Network）是一种 Overlay 网络技术。VXLAN 通过在现有的网络包上添加额外的头部信息，创建一个虚拟的 Layer 2 网络，使得原本在不同网络中的设备能够像在同一个 LAN 中一样进行通信。VXLAN 通常用于扩展云环境中的网络，特别是在需要跨越多个物理网络位置的情况下。
所以，VXLAN 不是 Underlay 网络方案，而是一种 Overlay 网络技术，它在 Underlay 网络之上创建虚拟网络。
Q: SDN是做什么用的,都有哪些特点?
SDN，即软件定义网络（Software Defined Networking），是一种网络架构，它主要将网络控制功能从硬件设备中分离出来，使网络控制变得更加集中，从而提供更好的网络管理和配置能力。
SDN的主要技术特点：
集中控制：SDN将网络控制功能集中到一个或多个控制器中，这使得网络管理员可以从中心位置管理、配置和优化整个网络。
编程灵活性：由于网络控制被分离，网络行为可以通过编程来控制，这使得网络可以更灵活地满足各种业务需求。
抽象化：SDN抽象化网络硬件，使网络管理员可以更关注网络服务和策略，而不是硬件设备的具体配置和管理。
SDN的实现主要依赖于以下几个部分：
SDN控制器：这是SDN网络的大脑，负责提供网络的全局视图和控制网络的行为。
南向接口：这是SDN控制器与网络设备之间的通信接口，通常使用OpenFlow协议。
北向接口：这是SDN控制器与应用程序之间的接口，它允许应用程序请求网络服务并获取网络信息。
SDN的使用主要有以下几个原因：
更好的网络可视化：SDN可以提供网络的全局视图，帮助网络管理员更好地理解网络状况。
更灵活的网络配置：由于网络行为可以通过编程来控制，SDN可以更灵活地满足各种业务需求。
更简单的网络管理：SDN可以简化网络管理和配置，减轻网络管理员的工作负担。
与Overlay网络相比，SDN的主要业务价值在于其集中控制、编程灵活性和网络抽象化的特性，这些特性使得SDN可以更好地满足业务需求，简化网络管理，并提供更好的网络可视化。
在网络集中管理方向，SDN可以实现以下管理：
网络配置管理：例如，SDN可以通过编程来配置网络设备的行为，如路由策略、QoS策略等。
网络性能管理：例如，SDN可以监控网络性能指标，如流量、延迟、丢包率等，并据此优化网络配置。
网络安全管理：例如，SDN可以实现集中的安全策略管理，如防火墙规则、入侵检测系统等。
关于SDN的性能和支持的节点数，这主要取决于具体的关于SDN的性能和可扩展性，一项研究显示，一种基于OpenFlow的SDN控制器可以支持16个交换机和4,096个端口。然而，这只是一个示例，实际的性能和可扩展性取决于许多因素，包括SDN控制器的实现、网络硬件的性能、网络负载等。
总的来说，SDN的主要优点是它提供了集中的网络控制、高度的可编程性和网络抽象化。这使得网络管理员可以更好地满足业务需求，简化网络管理，并提供更好的网络可视化。然而，SDN也有其挑战，包括实现高性能和可扩展性的需求。
Q: 因为Vxlan工作在OSI模型的第2层（数据链路层）,不具备路由功能。所以Calico的overlay模式使用vxlan网络模式路由功能谁来负责?
路由功能（即在OSI模型的第3层网络层上进行的操作）仍然需要由其他组件来处理。在在Calico的架构中，Felix和Bird是两个关键组件。Felix负责管理主机上的网络接口和路由规则，而Bird提供了BGP路由功能。
当Calico配置为使用VXLAN模式时，数据包会在源节点被封装到VXLAN隧道中，然后通过底层网络（通常是一个二层网络）发送到目标节点。在目标节点，数据包会被从VXLAN隧道中解封装，并交付给目标Pod。
这里的路由过程主要有两部分：
集群内部的路由：在集群内部，源节点需要知道目标Pod在哪个节点上。这是通过Calico的BGP路由功能实现的。具体来说，Bird会将每个节点上的Pod的IP地址广播到集群的其他节点。这样，当一个Pod需要发送数据包到另一个Pod时，源节点就可以通过查看其路由表，知道目标Pod在哪个节点上，然后将数据包封装到VXLAN隧道中，并发送到目标节点。
集群外部的路由：对于从集群外部的数据包，或者需要发送到集群外部的数据包，需要通过一个或多个路由器或者负载均衡器来路由。这些设备通常位于集群的边界，它们会根据目标IP地址，将数据包路由到正确的节点。
