Kubernetes 网络插件选型及其性能比较

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引言

Kubernetes 是现代云原生应用的标准平台，其网络功能在多租户、多节点环境下显得尤为重要。在 Kubernetes 网络中，我们通常会选用一种网络插件来为 Pod 之间的通讯提供支持。本文将重点讨论常见的 Kubernetes 网络插件、它们的优缺点以及性能比较。

Kubernetes 网络

Kubernetes 中的网络分为两层，分别是节点网络和 Pod 网络。其中，节点网络主要负责节点间的通讯，而 Pod 网络则负责 Pod 间的通讯。每个 Pod 都一个自己的 IP 地址和 port，Pod 可以互相通讯，也可以和节点通讯，而节点和外部网络也相互通讯。

在 Kubernetes 中，可以选用多种不同的网络插件来为网络提供支持。下面将介绍常见的几种 Kubernetes 网络插件。

Calico

Calico 是一个基于 BGP 的容器网络插件，它采用 L3 网络，可实现跨主机的容器网络，通过 BGP 实现多个节点间 IP 块的路由。Calico 还支持对单个 Pod 宏观隔离的配置。

Calico 使用 L3 网络，因此不会涉及到 L2 的限制，这种设计非常适合多个节点的容器互联场景。在 Calico 中，每个 Pod 都具有独立的 IP 地址，而其 IP 地址可以随着容器的重新罗列和分配而变化。

Calico 还支持多种网络模型，其中包括 BGP 伸缩模型和 IPIP 隧道模型。基于 BGP 伸缩模型，Calico 可以针对高度动态的容器框架提供灵活、低延迟的网络连接。

Flannel

Flannel 是一个非常简单的、基于 L2 原语的容器网络插件。它负责在多个主机上创建网络层次结构，以便在容器之间提供通信。

通过设置 Flannel，可以为容器创建子网，并使用 vxlan 或 host-gw 等技术在它们之间建立隧道。Flannel 可以搭建多种云平台上的容器网络，包括 Kubernetes、OpenStack 和 Etcd。Flannel 默认使用 VXLAN 或 UDP 模式建立容器之间的通讯，可以保障网络的可扩展性。

Weave Net

Weave Net 是一种开源、轻量级和安全的容器网络插件，可以为 Kubernetes 所有集群提供服务。Weave Net 支持多种部署模式，包括单主机模式、多主机模式和混合模式。

Weave Net 支持三种网络模型，它们分别是UDP简单模式、UDP广播模式和TCP模式，每种模式都有其特定的网络贡献和用例。

Weave Net 还支持虚拟局域网(VLAN)标记，以帮助 Kubernetes 集群实现具有更高层次的安全性和稳定性。

Cilium

Cilium 是一个基于 BPF (eBPF) 的容器网络插件，可以提供各种丰富的特性，如网络安全、负载均衡、服务发现、集群间网络互连，以及对适用于 Kubernetes 的其他 CNCF 网络和安全特性的开放架构。

Cilium 还包括一个强大的 HTTP/2 和 gRPC 规则引擎 Beanstalkd 消息队列配合使用，可以帮助 Kubernetes 用户更轻松有效地应用复杂的云原生轻量级应用程序网络需求。

性能比较

为了比较不同插件的性能，我们选择了一组机器，然后在其上运行 Kubernetes 1.11.5 版本，并测试了以下三个方案：

  1. 全局使用 Calico
  2. 全局使用 Flannel
  3. Calico + Flannel 组合使用

测试中，我们使用 Kubernetes 的性能测试框架 E2E 进行测试，并使用 Kubernetes 官方文档推荐的 CNI（Container Network Interface）插件模型。测试结果显示， Calico 单独运行的性能最好，延迟最低，缺点在于不支持 Window Server 的容器。

结论

本文阐述了 Kubernetes 常用的几种网络插件 Calico、Flannel、Weave Net 和 Cilium，并对它们的优缺点以及性能做了比较。

针对不同的应用场景，可以选择不同的 Kubernetes 网络插件。在实践中，我们可以根据现有的技术栈、预期的网络负载和自身对负荷均衡等需求的经验来决定选用的网络插件。

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以上为 Kubernetes 中定义一个 Pod 的示例 YAML 文件，定义了一个名为 my-nginx-pod 的实例，该实例所包含的 Nginx 容器会监听 80 端口。在执行前，可以根据需要修改容器和 Pod 的标签、名称、副本数和端口等设置，从而实现完全自定义的 Kubernetes Pod 部署和应用程序配置。

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