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計算機網絡技術原理

　　Kubernetes(k8s) 源于古希臘語，意寓為舵手，管理者。Kubernetes 是Google開源的容器集群管理系統，其提供應用部署、維護、擴展機制等功能，利用Kubernetes能方便地管理跨機器運行容器化的應用，下面跟著小編一起了解一些計算機網絡技術原理。

　　其主要功能如下：

　　以集群的方式運行、管理跨機器的容器;

　　解決Docker 跨機器容器之間的通訊問題;

　　Kubernetes 的自我修復機制使得容器集群總是運行在用戶期望的狀態。

　　實際上使用Kubernetes 只需要一個部署文件，使用一條命令就可以部署一個完整集群(以網部署k8s 的dashboard 為例)：

　　kubectl create -fhttps://rawgit.com/kubernetes/dashboard/master/src/deploy/kubernetes-dashboard.yaml

　　現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 統一創建、調度、管理;

　　Replication controllers：管理 Pods 的生命周期, 它們確保指定數量的Pods 會一直運行;

　　Labels：被用來管理和選取基于鍵值對為基礎的對象組;

　　Services：提供獨立、可靠名稱和地址的 Pods 集合，它就像一個基礎版本的負載均衡器;

　　Node：相對master是工作主機，也叫Minon，物理機、虛擬機均可。

　　Namespace：不同的namespace 形成邏輯上不同的項目或用戶組。

　　Volume：Pod 中被多個容器訪問的共享目錄。

　　下圖是典型的Kubernetes 的架構圖：

　　在開始了解Kubernetes 的網絡原理之前，我們先來看下docker 的網絡模型。

　　2Docker的網絡模型

　　docker network ls 這個命令用于列出所有當前主機上的網絡：

　　在默認情況下會看到三個網絡，它們是DockerDeamon 進程創建的。標準的Docker 支持一下4種網絡模式：

　　Bridge模式：使用—net=bridge指定。容器使用獨立網絡Namespace，并連接到docker0虛擬網卡(默認模式);

　　None模式：使用—net=none指定。容器沒有任何網卡，適合不需要與外部通過網絡通信的容器;

　　Host模式：使用—net=host指定。容器與主機共享網絡Namespace，擁有與主機相同的網絡設備;

　　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 第一次啟動時創建一個虛擬的網橋，缺省名字是docker0，然后按照RPC1918的模型，在私有網絡空間中給這個網橋分配一個子網。Docker 創建出來的每一個容器，都會創建一個虛擬的Veth 設備對，其中一端關聯到網橋上，另一端用Linux 的網絡命名空間技術，映射到容器內的eth0設備，然后在網橋的地址段內分配一個IP地址。

　　Docker的缺省橋接網絡模型：

　　虛擬化技術中最為復雜的就是虛擬化網絡技術，也是門檻很高的技術領域，Docker 很明智的早期并沒有提供跨主機的解決方案。

　　3什么是kubernetes網絡模型?

　　Kubernetes 網絡設計的一個基本原則是：每個Pod 都有一個全局唯一的IP, 而且假定所有的Pod 都在一個可以直接連通的，扁平的網絡空間中，Pod 之間可以跨主機通信，按照這種網絡原則抽象出來的一個Pod 對應一個IP的設計模型也被稱作IP-per-Pod 模型。

　　相比于Docker 原生的NAT方式來說，這樣使得容器在網絡層面更像虛擬機或者物理機，復雜度整體降低，更加容易實現服務發現，遷移，負載均衡等功能。

　　容器間的通信

　　創建的dashboard 容器信息：

　　在yaml 文件中你可以發現我們設置的replicas 的數量是1，但是卻發現了兩個容器在運行，第二個image名為gcr.io/google_containers/pause:2.0，那么第二個容器從何而來?

　　執行下圖中的命令可以發現：

　　第二個容器和第一個容器共享網絡命名空間。第一個容器是Netowrk Container，它不做任何事情，只是用來接管Pod 的網絡。這樣做的好處在于避免容器間的相互依賴，使用一個簡單的容器來統一管理網絡。

　　Pod 間的通信

　　Pod 間的通信使用的是一個內部IP，這個IP就是Network Container 的IP。

　　以dashboard 為例：

　　同一個Node 上的Pod 通過Veth 連接在同一個docker0 網橋上，地址段相同，原生能通信。但是不同Node 之間的Pod 如何通信的，本質是在網路上再架設一層overlay network 使容器的網絡運行在這層overlay 網絡上。現有的方案有Flannel,OpenVSwitch,Weave 等。本文Kubernetes 環境是采用Flannel。

　　Flannel 使用Linux 通用TUN/ TAP 設備，并使用UDP 封裝IP 數據包創建一個覆蓋網絡。它使用etcd 維護子網的分配和overlay 網絡和實際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10.254.104.235來進行訪問，執行iptables-save：

　　然后執行lsof –i:30250：

　　可以看到Kube-Proxy 進程監聽在30250端口上，這個進程可以看做是Service 的透明代理兼負載均衡器，對于Service 的訪問請求將被這個進程轉發到后端Pod。

　　對于Pod 的變化會及時刷新。那么Service 就是在Pod 間起到中轉和代理的作用。

　　下圖中可以很好的反映整個流程：

　　當一個客戶端訪問這個Service 時，這些iptable 規則就開始起作用，客戶端的流量被重定向到Kube-Proxy 為這個Service 打開的端口上，Kube-Proxy 隨機選擇一個后端Pod 來進行服務。

　　外部到內部的通信

　　Kubernetes 支持兩種對外服務的Service 的Type 定義：NodePort 和LoadBalancer。