在 Kubernetes 的世界裡，網路如同人體的血管系統，負責維繫各個容器之間的聯絡，確保應用程式順暢執行。我將以自身經驗出發，帶您深入理解 Kubernetes 網路技術的根本：橋接和虛擬化技術，並探討 Netfilter、Conntrack 和 iptables 如何協同工作，最後闡述 NAT 技術的應用。
橋接技術：連線分散式網路的橋樑
我常將 Kubernetes 網路比作城市交通系統，而橋接技術就像連線各個區域的橋樑，確保交通暢通無阻。橋接技術將多個獨立的網段連線起來，形成一個邏輯網段，允許不同網段之間透明通訊。在設計分散式系統時，網路隔離至關重要。橋接技術的流量隔離特性恰好能滿足這項需求，有效隔離不同網段流量，避免相互幹擾，提升網路安全性。此外，橋接技術的靈活設定也簡化了網路管理。
graph LR
Bridge[Bridge]
subgraph 網路橋接
A[網段 A] --> Bridge
B[網段 B] --> Bridge
Bridge --> C[邏輯網段]
end
上圖説明橋接技術如何將兩個獨立網段 A 和 B 連線成一個統一的邏輯網段 C，實作跨網段通訊。
虛擬乙太網裝置（veth）：容器間的隱形通道
虛擬乙太網裝置（veth）總是成對出現，如同在不同容器間建立一條專屬虛擬網路線，實作容器間的隔離通訊。這對容器化應用程式至關重要，因為每個容器都需要獨立的網路空間。我曾在專案中使用 veth 解決容器間通訊問題，其透明轉發功能簡化了設定，無需修改應用程式碼，大幅提升效率。
graph LR
veth1[veth1]
veth2[veth2]
subgraph 容器 A
A[應用程式] --> veth1
end
subgraph 容器 B
veth2 --> B[應用程式]
end
veth1 --- veth2
上圖展示 veth 裝置如何連線兩個容器。veth1 和 veth2 成對出現，如同虛擬網路線，實作容器間的通訊。
Netfilter 與 Conntrack：網路流量的守護者
Netfilter 和 Conntrack 是 Linux 網路安全的核心元件。Netfilter 負責封包過濾和轉發，Conntrack 則追蹤連線狀態。它們就像網路世界的警察，維護網路秩序。Netfilter 的靈活性允許使用者空間程式介入資料封包處理過程，實作高度客製化的網路管理。Conntrack 則透過追蹤連線狀態，使防火牆和 NAT 等功能更精準有效。
iptables：Netfilter 的指揮棒
iptables 是設定 Netfilter 框架的命令列工具，如同 Netfilter 的指揮棒，控制資料封包流向。iptables 提供豐富的規則定義功能，滿足各種複雜的網路管理需求。
NAT 技術：網路隱身術
NAT 技術將私有 IP 地址轉換為公開 IP 地址，如同為內部網路披上隱身衣。它不僅節省 IP 地址資源，還提高網路安全性，隱藏內部網路結構。在雲端環境中，NAT 技術不可或缺，允許多個虛擬機器分享一個公開 IP 地址，降低成本並簡化網路管理。
Linux 容器網路基礎：名稱空間與隔離
Linux 名稱空間（Namespaces）技術是容器網路隔離的基礎。每個容器擁有獨立的網路名稱空間，如同執行在獨立主機上。網路介面、路由表和 iptables 規則都在各自名稱空間內生效，互不幹擾。
graph LR
subgraph 主機網路
A[eth0] --> B(路由表)
B --> C[iptables]
end
subgraph 容器 1
D[veth0] --> E(路由表)
E --> F[iptables]
end
subgraph 容器 2
G[veth0] --> H(路由表)
H --> I[iptables]
end
上圖展示主機網路和兩個容器網路的隔離關係。每個容器擁有獨立的虛擬網路介面 (veth) 和網路規則，確保網路隔離。
CNI：容器網路的橋樑
容器網路介面 (CNI) 連線 Kubernetes 和各種網路外掛，定義一套標準規範，使不同網路外掛無縫整合到 Kubernetes 中。Pod 建立時，Kubernetes 呼叫 CNI 外掛為 Pod 設定網路，例如分配 IP 地址和設定路由。
Pod 網路：容器間的快速通道
Pod 內的容器分享同一個網路名稱空間，可直接透過 localhost 互相通訊，簡化設定並提升效率。
graph LR
localhost[localhost]
subgraph Pod
A[Container 1] -- localhost --> B[Container 2]
end
此圖展示 Pod 內容器間的直接通訊方式。由於分享網路名稱空間，它們可以直接使用 localhost 進行高效通訊。
Service 網路：穩定的服務入口
Service 為一組 Pod 提供穩定存取入口，擁有固定 IP 地址和 DNS 名稱，即使 Pod 重新啟動或 IP 地址變更，Service 仍確保服務連續性。
graph LR
C[C]
D[D]
E[E]
A[Client] --> B(Service)
B --> C{Pod 1}
B --> D{Pod 2}
B --> E{Pod 3}
此圖説明 Service 作為 Pod 的穩定入口。Client 透過 Service 的固定 IP 或 DNS 名稱存取後端 Pod，Service 負責將流量分發到健康的 Pod。
透過理解 Kubernetes 網路核心技術，我們能構建高效能、高可靠與安全的 Kubernetes 叢集。選擇合適的 CNI 外掛、Service 負載平衡策略至關重要。
總結：本文探討了 Kubernetes 網路的關鍵技術，從底層的橋接和虛擬化技術到 Netfilter 和 NAT，再到更上層的 CNI 和 Service，希望能幫助您更好地理解 Kubernetes 網路的工作原理。
在容器化時代，Kubernetes 成為容器協調的標準，而其網路模型設計更是重中之重。理解 Kubernetes 網路核心技術，才能建構高效能與安全的容器化應用。本文將探討 CNI、Calico 和 Conntrack 等關鍵技術，並解析 iptables 的應用，協助您掌握 Kubernetes 網路管理的精髓。
CNI：容器網路介面的根本
Kubernetes 使用容器網路介面（CNI）標準，讓不同的網路外掛能與 Kubernetes 無縫整合。CNI 的設計理念是簡潔和模組化，它定義了一組規範，讓網路外掛負責 Pod 的網路連線，而 Kubernetes 則負責 Pod 的生命週期管理。
graph LR
B[B]
A[Kubernetes] --> B{CNI Plugin};
B --> C[Pod Network];
此圖展示了 Kubernetes、CNI 外掛和 Pod 網路之間的關係。Kubernetes 透過 CNI 外掛將 Pod 連線到網路，實作 Pod 間的通訊以及 Pod 與外部網路的連線。
Calico：根據 BGP 的高效能網路方案
Calico 是一個根據 BGP 的網路方案，它將每個 Pod 視為一個獨立的網路節點，並使用 BGP 協定在 Pod 之間建立路由。這種設計讓 Calico 能夠提供高效能的網路轉發，並支援大規模叢集。
Calico 的優勢：效能、擴充性與靈活性兼具
在建構大規模 Kubernetes 叢集時，我發現 Calico 的優勢格外明顯：
- 高效能： Calico 利用 BGP 的路由機制，實作了資料包的快速轉發，有效降低網路延遲。
- 可擴充性： Calico 能夠支援大規模叢集，輕鬆應對數千個節點和 Pod 的網路管理。
- 靈活性： Calico 支援多種網路模型，能與 Kubernetes 無縫整合，滿足不同應用場景的需求。
Conntrack 與 iptables：Linux 網路技術的根本
Conntrack 和 iptables 是 Linux 系統中兩個重要的網路技術，它們分別負責連線追蹤和網路流量控制。
Conntrack：連線追蹤的幕後功臣
Conntrack 負責追蹤網路連線的狀態，記錄每個連線的相關資訊，例如源地址、目的地址、連線埠號等。這些資訊被儲存在連線追蹤表中，供其他網路元件使用。
graph LR
A[Client] --> B(Conntrack);
B --> C[Server];
C --> B;
B --> A;
上圖展示了 Conntrack 在網路連線中的作用。Client 和 Server 之間的每個資料包都會經過 Conntrack 進行檢查和記錄，Conntrack 根據資料包資訊建立和更新連線追蹤表，確保網路連線的狀態資訊被準確地追蹤。
iptables：網路流量的指揮官
iptables 就像網路世界的交通警察，根據預先設定的規則，控制網路流量的進出。它可以根據資料包的各種特性，例如源地址、目的地址、連線埠號等，決定是否允許資料包透過。
graph LR
Accept[Accept]
B[B]
Drop[Drop]
Forward[Forward]
A[Input] --> B{iptables};
B -- Accept --> C[System];
B -- Drop --> D[Discard];
B -- Forward --> E[Output];
上圖簡要説明瞭 iptables 的工作原理。它接收來自網路介面的輸入資料套件，根據設定的規則進行比對，並執行相應的動作，例如接受、丟棄或轉發。
Kubernetes 網路策略：精細化流量控制
Kubernetes 提供了網路策略（Network Policy）功能，讓您可以精細地控制 Pod 之間的網路流量。透過網路策略，您可以定義哪些 Pod 可以互相通訊，以及允許哪些外部流量進入叢集。
graph LR
All[All]
Allow[Allow]
A[Namespace A] -- Policy: Deny All --> B[Namespace B];
A --> C[Pod A1];
C -- Allow --> D[Pod A2];
此圖展示了網路策略如何控制不同名稱空間和 Pod 之間的流量。預設情況下，Namespace A 和 Namespace B 之間的流量被禁止。但在 Namespace A 內部，Pod A1 和 Pod A2 之間的通訊是被允許的。
透過結合 CNI、Calico、Conntrack、iptables 和網路策略等技術，Kubernetes 構建了一個靈活、高效與安全的容器網路環境。深入理解這些技術的原理和應用，才能更好地管理和最佳化 Kubernetes 叢集的網路效能。
在 Kubernetes 網路管理中，選擇合適的技術方案至關重要。Network Policy 提供了精細化的流量控制，CNI 提供了靈活的網路組態，而 Calico 則提供了高效能的網路互連。透過深入理解這些技術的特性和原理，您可以根據自身需求選擇最佳方案，構建高效穩定的容器網路環境。Conntrack 和 iptables 作為 Linux 網路核心的重要組成部分，它們與 Kubernetes 網路模型緊密結合，共同保障了容器網路的穩定性和安全性。隨著技術的發展，這些技術也將不斷演進，為容器化應用程式提供更強大的網路支援。
