在 Kubernetes 的世界裡，網路如同血管般重要，它串連著所有容器，讓應用程式得以順暢運作。我將以自身經驗，帶您深入探索 Kubernetes 網路核心技術，包含 NAT、防火牆以及它們與 Linux 網路的整合，並剖析 iptables、IPVS 和 eBPF 如何協同工作，開發高效、安全與可靠的容器網路環境。
NAT：Kubernetes 網路的翻譯官
我常將 NAT 比喻為網路世界的翻譯官，它負責將 Pod 的私有 IP 地址轉換為公開 IP 地址，讓 Pod 能夠與外部網路通訊。
NAT 的運作機制
當 Pod 需要與外部網路通訊時，NAT 閘道器會執行以下步驟：
- 源地址轉換： 將 Pod 的私有 IP 地址替換為 NAT 閘道器的公開 IP 地址。
- 連線埠對映： 將 Pod 的連線埠號對應到 NAT 閘道器上的一個唯一連線埠號。
- 連線追蹤： 記錄轉換後的 IP 地址和連線埠號，以便將傳回的流量正確轉發回 Pod。
graph LR
subgraph Pod
A[Pod 私有 IP:連線埠] --> B(NAT 閘道器)
end
B --> C[外部網路 公開 IP:連線埠]
上圖展示了 NAT 的基本流程。Pod 的流量經過 NAT 閘道器，源 IP 地址和連線埠號被轉換，然後傳送到外部網路。
NAT 的優劣
NAT 的優勢在於 IP 地址節約和安全性提升，但它也增加了網路複雜性，並可能造成效能損耗。在設計網路架構時，需要仔細權衡這些因素。
防火牆：Kubernetes 網路的守護者
防火牆是 Kubernetes 網路安全的根本，它保護叢集免受外部威脅。
防火牆的功能與特性
防火牆的主要功能是監控和控制進出網路的流量，根據預定義的規則過濾資料封包。它提供流量監控、規則定義和動作執行等功能，允許您精確控制網路存取。
防火牆的工作原理
防火牆的工作原理可以簡化為以下步驟：
- 流量捕捉： 捕捉進出網路的資料封包。
- 規則比對： 將資料封包與預定義的規則進行比對。
- 動作執行： 根據比對結果執行相應的動作，例如允許、拒絕或記錄。
防火牆的應用場景
在 Kubernetes 中，防火牆可以應用於保護叢集邊界、隔離名稱空間和保護 Pod 等場景。
Kubernetes 網路與 Linux 網路的融合
Kubernetes 網路建構在 Linux 網路技術之上，兩者緊密結合。Kubernetes 利用 Linux 名稱空間、網路介面等技術，為每個 Pod 提供獨立的網路環境。
Network Policy：精細化網路存取控制
在 Kubernetes 叢集中，預設情況下所有 Pod 之間都可以互相通訊。Network Policy 提供了更細緻的網路存取控制，允許管理員定義哪些 Pod 可以與其他 Pod 進行通訊。
Network Policy 運作機制
Network Policy 根據標籤選擇器來選取 Pod，並定義允許或拒絕的流量規則。
graph LR
A[Pod A] -->|允許| B(Pod B)
A -->|拒絕| C{Pod C}
subgraph "Network Policy"
D[標籤選擇器] --> E{規則}
end
Network Policy 使用標籤選擇器選取 Pod A，並定義規則允許 Pod A 存取 Pod B，但拒絕存取 Pod C。
CNI：容器網路介面
CNI (Container Network Interface) 是一個標準介面，允許不同的網路外掛與 Kubernetes 整合，提供靈活與可擴充套件的方式來管理容器網路。
Calico 與 BGP：高效能網路方案
Calico 是一個根據 BGP (Border Gateway Protocol) 的網路方案，提供高效能和可擴充套件的網路連線，並支援 Network Policy，提供更細緻的網路存取控制。
flowchart LR
A[Pod A] -- BGP --> B[Pod B]
C[Pod C] -- BGP --> D[Pod D]
subgraph "Calico"
E[BGP 路由]
end
Calico 使用 BGP 在 Pod A 和 Pod B、Pod C 和 Pod D 之間建立路由。
iptables：Linux 防火牆根本
iptables 是 Linux 系統中一個強大的命令列工具，用於設定 Netfilter 防火牆。
graph LR
A[輸入資料封包] --> B{INPUT 鏈}
B -- 比對規則 --> C[接受]
B -- 不比對 --> D[丟棄]
iptables 的 INPUT 鏈根據規則比對輸入資料封包，並執行接受或丟棄操作。
IPVS：高效能負載平衡
IPVS 是一種在核心網路空間運作的高效能負載平衡技術。
sequenceDiagram
participant 客戶端
participant IPVS
participant 後端伺服器
客戶端->>IPVS: 傳送請求
IPVS->>後端伺服器: 轉發請求
後端伺服器->>IPVS: 回傳回應
IPVS->>客戶戶端: 轉發回應
IPVS 在核心空間處理流量，有效降低了使用者空間和核心空間之間的切換開銷，進而提升效率。
eBPF：新一代網路技術
eBPF (Extended Berkeley Packet Filter) 是一種在 Linux 核心執行的程式，可用於網路、安全性、效能分析等領域。它允許開發者在不修改核心程式碼的情況下，動態地注入程式碼到核心，實作高效能的網路功能。
Kubernetes 網路安全最佳實務
- 定義明確的 Network Policy
- 選擇合適的 CNI 外掛
- 使用 iptables 加強安全性
- 定期稽核和更新
透過理解這些技術，並結合最佳實務，可以建構更安全的 Kubernetes 叢集環境。從我的經驗來看，選擇適合的 CNI 外掛並搭配 Network Policy，能有效提升叢集的網路安全性。此外，善用 iptables 和 eBPF 可以進一步強化網路防禦能力。
總結來説，Kubernetes 網路是一個複雜而精妙的系統，它巧妙地結合了各種技術，為容器化應用程式提供了穩固的網路基礎。深入理解這些技術，才能更好地駕馭 Kubernetes，構建高效、安全與可靠的雲原生應用程式。
在 Kubernetes 的世界中，網路扮演著至關重要的角色。iptables、IPVS 和 eBPF 三劍合璧，構成了 Kubernetes 強大的網路技術核心。本文將深入解析這三項技術，並探討它們如何協同工作，為 Kubernetes 提供高效、安全與靈活的網路支援。
iptables：Kubernetes 的網路根本
iptables 是 Linux 系統的防火牆工具，在 Kubernetes 中扮演著服務發現和負載平衡的重要角色。它透過建立規則來管理容器間的通訊，並將流量導向正確的伺服器端點。
graph LR
A[Client] --> B(iptables)
B --> C{Service}
C --> D{Pod 1}
C --> E{Pod 2}
上圖展示了 iptables 如何在 Kubernetes 中引導客戶端流量到正確的 Service，再由 Service 分發到後端的 Pod。
IPVS：高效能負載平衡利器
IPVS 是一個構建於 Linux 核心之上的負載平衡器，提供比 iptables 更高效能的負載平衡能力。它支援多種負載平衡演算法，可以根據不同的需求選擇最佳的策略。在我設計分散式系統的經驗中，IPVS 的高效能和穩定性給我留下了深刻的印象。
graph LR
A[Service] --> B(IPVS)
B --> C{Pod 1}
B --> D{Pod 2}
B --> E{Pod 3}
此圖展示了 IPVS 如何將 Service 流量分發到多個 Pod，實作負載平衡和高用性。
eBPF：新一代網路技術革新者
eBPF 允許在 Linux 核心執行自定義程式，提供更精細的網路控制和監控能力。它在網路安全、效能分析等領域都有廣泛的應用。當我第一次接觸 eBPF 時，就被它的靈活性和潛力所吸引。
graph LR
A[eBPF 程式] --> B{事件觸發}
B -- 條件符合 --> C[執行動作]
B -- 條件不符 --> D[不執行動作]
這個流程圖展示了 eBPF 程式如何回應特定事件並執行動作。
三劍合璧：Kubernetes 網路技術的完美結合
在 Kubernetes 中，iptables、IPVS 和 eBPF 協同工作，構成了完整的網路解決方案。iptables 負責初步的服務發現和負載平衡，IPVS 提供更高效的負載平衡能力，而 eBPF 則提供更精細的網路控制和監控。
Cilium 與 eBPF：容器網路的革新力量
Cilium 是一個根據 eBPF 的 CNI 外掛程式，它為容器網路帶來了革命性的改變。Cilium 利用 eBPF 提供了更精細的網路安全策略和更高效能的網路連線。
graph LR
A[Client] --> B(Cilium)
B --> C{Pod 1}
B --> D{Pod 2}
上圖簡化了 Cilium 的工作流程，展示了 Cilium 如何管理客戶端到 Pod 的網路流量。
在一個我參與的專案中，我們使用 Cilium 和 eBPF 解決了微服務架構中的網路效能瓶頸。透過 Cilium 的身份感知網路策略，我們精確控制了服務間的存取，提升了安全性。同時，eBPF 加速的網路資料路徑顯著降低了網路延遲，提升了整體應用程式效能。
透過 iptables、IPVS 和 eBPF 的協同工作，Kubernetes 才能夠提供如此強大與靈活的網路功能。隨著技術的發展，這些技術也將持續演進，為 Kubernetes 的網路管理帶來更多可能性。Cilium 和 eBPF 的結合，更為容器網路安全和效能帶來了新的突破，是未來容器網路發展的重要方向。它們的結合，為容器化應用程式提供了更高效、更安全、更易於管理的網路環境，也為雲原生時代的網路技術發展指明瞭方向。
