非云环境中Kubernetes的配置和运行：网络

这是非云环境中Kubernetes的配置和运行系列的第三篇文章，本文主要介绍组成网络体系架构中的每个组件，及其它们在整体架构中的作用，重点介绍IP、子网、DHCP、DNS等技术。

想要先睹为快的读者，可直接克隆该项目的 GitHub 代码库。代码库中的文档正在持续改进中，并完全可用。代码库地址为： mvallim/kubernetes-under-the-hood

DNS

网站等Internet资源有两种表示方式，即通过其域名（例如，“ kubernetes.io”），或是通过承载资源的主机IP地址（例如，“45.54.44.102”，即与kubernetes.io域关联的IP）。网络层使用IP地址确定设备的物理位置和虚拟位置，但对于用户和企业而言，域名更易于记忆。因此，我们需要一种将域名解析为IP地址的机制。这就是DNS的主要功能。 DNS时常被假定为仅用于将Internet主机名映射到数据（例如TXT、MX等），并将地址映射到主机名。但事实上，DNS可用于存储几乎用于任何目的的各种数据类型。

出处： https://www.cloudflare.com/learning/dns/what-is-dns/

为了简化概念，我们可设想在一个教室中，老师以学生的名字呼唤学生，然后学生回答说他们在班级中的确切位置，并提供以行和列表示的座位坐标。 例如：

• 老师说：“小明！”
• 小明回答：“我在这里，第 4 行第 10 列。”
• 老师说：“好的，我知道你的确切位置了，第 4 行第 10 列。”

在上面的例子中，老师知道了小明的具体座位。同样原理，当我们在浏览器中输入地址“ kubernetes.io ”时，DNS 响应以地址“45.54.44.102”。

图 DNS 交互图示

NAT

在计算机网络中，网络地址转换（NAT，Network Address Translation），也称为“地址伪装”（masquerading），是一种使用哈希表重写通过路由器或防火墙的源地址网络包，使得内网计算机可以访问外网或者万维网（即公网）

引用自： https://en.wikipedia.org/wiki/Network_address_translation

图 NAT 交互图示

DHCP

动态主机配置协议（DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol）是一种为网络中设备（包括虚拟机实例、笔记本、平板电脑、移动设备、IoT 传感器等）提供 IP 地址、子网掩码、默认网关地址、DNS 服务器地址、DNS 搜索前缀、 WINS 服务器地址等动态配置的 TCP/IP 服务协议。 DHCP 是从 BOOTP 延续发展而来。尽管 BOOTP 协议更为简单，但不能满足当前的需求。DHCP 在 1993 年 10 月成为标准，在 RFC 2131 （1997 年）中包含了大部分的当前规格说明。最新基于 IPv6 的 DHCP（DHCPv6）规格说明发布在 RFC 3315 （2003 年）中。

引用自： https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_Host_Configuration_Protocol

图 DHCP 交互图示

如果读者未理解 DHCP，可回顾上一篇技术栈文章。

网关

网关也称为协议转换器，可运作在任一网络层。网关的职责比路由器和交换机更为复杂，因为网关使用多种协议通信。 网络节点是因特网用户的计算机和向用户提供网页的计算机。连接节点间网络的节点就是网关。例如，用于控制企业网络的计算机，或是因特网服务提供商（ISP）用于将用户接入因特网的计算机，就是网关节点。 在企业网络中，充当网关节点的服务器通常作为代理服务器或防火墙服务器。网关通常与路由器有关，路由器知道将网关接收的特定数据包发向何方，并进行交换，这为特定接收方提供了网关的实际输入和输出路径。

引用自： https://en.wikipedia.org/wiki/Gateway_(telecommunications)

简而言之，网关是计算机出入所在网络的访问点。根据所在网络复杂性的不同，网关可能是一台，也可能存在多台。它们提供网络的进出端点，正如房间的门一样。

图 网关交互图示

IP 地址

IP 地址长度是 32 个字节，分成 4 个 8 位字节表示（IPv4）。每个 8 位字节可以表示为用点分隔的数字，如下所示。

网络分段（Network Segmentation）

网络分段就是将一个计算机网络分隔为多个称为分段操作，每个分段称为一个子网。分段操作的最大优点是改进了网络的安全性和性能。

优点

降低网络流量。

• 网络分段导致网络流量隔离在各个分段子网中，这意味着每个子网分段具有自己的流量，不会影响整个网络。

安全性

• 广播局限于各个分段子网中，而非整个网络。
• 分段子网中的资源可与其它网络隔离，或是相互限制。
• 一般攻击仅局限于当前子网，而非整个网络。考虑这一点，网络可按资源分段，例如数据库、NFS、Web 等。

问题隔离

• 任何一个子网中出现网络问题，将局限于该子网中，不会影响到整个网络。

访问控制

• 可控制进入子网以及子网间的访问。例如子网 A 只能访问子网 B。

参考资料： https://en.wikipedia.org/wiki/Network_segmentation

网络分类

• A 类地址：IP 地址首个 8 位字节的值位于 1–127 范围内。
• B 类地址：IP 地址首个 8 位字节的值位于 128–191 范围内。
• C 类地址：IP 地址首个 8 位字节的值位于 192–223 范围内。
• D 类地址：IP 地址首个 8 位字节的值位于 224–239 范围内。
• E 类地址：IP 地址首个 8 位字节的值位于 240–255 范围内。

无类域间路由（CIDR，Classless Inter-Domain Routing）

CIDR 是一种替代传统子网的技术。

IP 地址使用 2 组字节表示：第一组字节是网络前缀，用于标识整个网络或是子网；第二组字节是主机标识符，指定网络中主机的特定接口。这种分别表示的方法用于路由 IP 网络和地址分配策略间的流量。

CIDR 的基本理念是分组地址最开始处的字节，如下表所示：

参考文献： https://en.wikipedia.org/wiki/Classless_Inter-Domain_Routing

localhost

IP 地址范围 127.0.0.0–127.255.255.255（CIDR 表示为 127.0.0.0/8）保留，用于 localhost 间通信。发送到上述地址的网络包，不会离开生成网络包的主机。当然，这些网络包的处理，与从网络接收的包相同。

保留私有地址范围

在可用的 4,294,967,296（即 0.0.0.0/0 - 2³²）个 IPv4 地址中，有三段地址保留用于私有网络。在此地址段中的 IP 地址不能路由出私有网络，即不能在公网上路由。

标准 RFC 1918、3330 和 3927 分别指定了 A、B 和 C 类保留地址，称为私有网络地址，如下表所示。

我们的网络拓扑

网络

下表给出了我们主网络的 IP 地址范围。该范围提供了 65534 个地址，可分隔成个多个更小的专用网段。

子网

我们定义了子网的分隔方式，使得我们可以分隔各个资源类别。主网具有 16 位掩码，子网是 24 和 25 位掩码。

简而言之，设想我们有一栋多层商业建筑，每层楼具有专门的用途。例如，软件开发人员在第一层，厨师在第二层，医生在第三层，诸如此类。

通常而言，我们的工作就是对建筑（即主网）每层分配地址，指定每层支持容纳的专业人员（即主机）上限。

隔离子网可提供 256（24 位掩码）和 126（25 位掩码）个地址，规模足以容纳实例个数、负载均衡器（即 MetalLB）和浮动 IP，用于完全部署我们的 Kubernetes 集群。

读者可能会问，为什么不选择 256（即 2⁸ — (32–24)）和 128（即 2⁷ — (32 -25)）。原因在于，子网段的首尾地址分别保留用于标识网络和广播使用。

DNS

如上所述，通常将网段首个可用地址被指定为 DNS 服务器。如下表：

DHCP

为确保上面定义各个子网具有足够可用的 IP 地址，分配给需要加载地址的主机，我们定义了如下 IP 地址分布范围。

仔细看来，每个 IP 地址范围支持 252 和 124 个 IP 地址。如果给定子网中的主机数量高于此，就会出现 IP 地址用尽的问题。这意味着，想要加入该子网的主机不能分配 IP 地址，进而无法加入该子网。

注意，首个地址保留给 DNS 服务器，最后一个地址保留给网关。这就是为什么子网可提供 252（即 /24）或 124（即 /25）个 IP 地址，而非 254 或 126 个。

网关

常见做法是将子网的首个或最后一个 IP 地址保留，用于网关地址。技术上看，我们可以另行指定任意网关地址。谨记，这样做会导致 DHCP 配置复杂化。

例如，一个子网的 CIDR 表示为 192.168.5.0/24，如果我们随意指定 IP 地址 192.168.5.127 为网关，那么 IP 分别范围将必须定义为 192.168.5.1–192.168.5.126，或是 192.168.5.128–192.168.5.254，非常不直观。

简要起见，我们指定子网的最后一个 IP 地址为网关。

浮动 IP

在我们的网络中，浮动 IP 可以是 DMZ 子网 192.168.4.0/25 中的任一地址。这里，指定为 192.168.4.20。

负载均衡器

原文链接：

Kubernetes Journey — Up and running out of the cloud — Network