Kubernetesネットワークモデルの包括的なガイドについてお話ししましょう

この詳細なブログ投稿では、Kubernetes ネットワークの複雑さについて説明し、コンテナ化された環境で効率的かつ安全な通信を確保する方法についての洞察を提供します。

「ネットワークのナビゲート: Kubernetes ネットワークモデルの包括的なガイド」からの翻訳。

導入

Kubernetes の世界では、ネットワークはクラスター内外のさまざまなコンポーネント間の通信を調整する基本的な側面です。このオーケストレーションツールを使用するすべての人にとって、Kubernetes ネットワークモデルを理解することは非常に重要です。

Kubernetes ネットワークは、Kubernetes クラスターの機能と操作においてそれぞれ重要な役割を果たす 4 つの主要な要件を満たすように設計されています。

コンテナ間通信: これは Kubernetes ネットワークの基本レイヤーです。同じ Pod 内のコンテナ間で直接通信が可能になります。これらのコンテナは同じネットワーク名前空間を共有するため、localhost を使用して相互に通信できます。複数のコンテナポッドを含むアプリケーションの場合、コンテナが密接かつ効率的に相互作用する必要があるため、この設定は重要です。

ポッド間通信: Kubernetes では、各ポッドに一意の IP アドレスが割り当てられます。この設計の選択により、ポッドがどのノードに配置されているかに関係なく、ポッド間の通信を有効にするプロセスが簡素化されます。ポッドはネットワークアドレス変換 (NAT) を必要とせずに相互に直接通信できるため、直接的でシンプルな接続が保証されます。このモデルは、各ポッドが独立したマイクロサービスとして実行できる分散システムを作成するための基礎となります。

Pod からサービスへの通信: Kubernetes サービスは、Pod が他の Pod にアクセスするための一貫性のある信頼性の高い方法を提供する重要な抽象化です。サービスは本質的に、変化する一連のポッドの安定したアドレスです。これにより、Pod が作成、破棄、または更新された場合でも、サービスに送信されたすべてのリクエストが正しい Pod に自動的かつインテリジェントにルーティングされることが保証されます。この抽象化レイヤーは、回復力と拡張性に優れたシステムを維持するために重要です。

外部から内部への通信: Kubernetes ネットワークのこの側面には、クラスター外部からクラスター内部のサービスへの受信トラフィックの管理が含まれます。 Ingress コントローラやロードバランサなどのメカニズムによって処理されます。これらのツールを使用すると、外部のユーザーやアプリケーションはクラスター内で実行されているサービスに安全かつ効率的にアクセスできます。これらは、アプリケーションをエンドユーザーや他の外部システムに公開する上で重要な役割を果たします。

サービスと負荷分散

Kubernetes のサービスは、時間の経過とともに動的に変化する可能性のある一連の Pod に安定したアドレスを提供するために重要です。これらは、Pod 上で実行されているアプリケーションへのアクセスを管理する上で重要な役割を果たします。さまざまな種類のサービスと、負荷分散におけるその役割について詳しく見てみましょう。

ClusterIP: これは Kubernetes のデフォルトサービスです。 ClusterIP サービスは、サービスとの通信に使用される一意の内部 IP アドレスを割り当てます。これらのサービスはクラスター内からのみアクセス可能であり、クラスター内のポッド間の内部通信に役立ちます。これは、サービスへの外部アクセスが不要なシナリオに最適です。

NodePort: NodePort サービスは ClusterIP の機能を拡張します。 NodePort サービスは、内部 IP に加えて、すべてのクラスターノードに特定のポートも提供します。外部トラフィックはこれらの公開ポート上のサービスにアクセスでき、トラフィックは対応する内部 IP にルーティングされます。これは、すべてのノードにわたって特定のポートにアクセスするために外部トラフィックが必要な場合に特に便利です。

LoadBalancer: NodePort に基づいて、LoadBalancer サービスはクラウドサービスプロバイダーのロードバランサーと統合されます。このタイプは、外部トラフィックをクラスターノード全体の NodePort に送信する外部ロードバランサーを自動的に作成し、それを適切な Pod にルーティングします。これは、サービスをインターネットに公開するプロセスを簡素化し、着信ネットワークトラフィックを分散するのに特に適しており、アプリケーションのスケーラビリティと信頼性が向上します。

ExternalName: 他のタイプとは異なり、ExternalName サービスはトラフィックを Pod にルーティングしません。代わりに、CNAME レコードを外部サービスに返すことでエイリアスとして機能します。これは、DNS を使用して Kubernetes クラスター内のサービスを外部サービスと統合する場合に便利です。

ネットワークセキュリティのためのネットワーク戦略

Kubernetes のネットワークポリシーは、ポッドが互いに、および他のネットワークエンドポイントと通信する方法を指示することにより、重要なセキュリティレイヤーを提供します。これらはポッドのファイアウォールとして機能し、ユーザーはラベルセレクターと CIDR ブロックに基づいてインバウンドルールとアウトバウンドルールを指定できます。

たとえば、フロントエンドサービスとバックエンドサービスがあるシナリオを考えてみましょう。バックエンドサービスはクラスター外部からアクセスできないようにする必要がありますが、フロントエンドサービスからのトラフィックは許可する必要があります。これは、次のようなネットワークポリシーを使用して実行できます。

 apiVersion: networking.k8s.io/v1 kind: NetworkPolicy metadata: name: backend-network-policy namespace: default spec: podSelector: matchLabels: app: backend policyTypes: - Ingress ingress: - from: - podSelector: matchLabels: app: kubeops-frontend ports: - protocol: TCP port: 80

このポリシーにより、ラベル app: kubeops-frontend を持つ Pod のみが TCP ポート 80 上のバックエンド Pod にアクセスできるようになります。このきめ細かな制御により、Kubernetes で安全で制御されたネットワーク環境を維持できます。

デフォルトの動作を考慮することも重要です。デフォルトでは、Kubernetes クラスター内のすべての Pod は相互に通信できます。ネットワークポリシーを適用すると、このデフォルトの動作を変更できます。たとえば、特定のトラフィックを許可するポリシーを適用すると、そのポリシーに一致しない他のすべてのトラフィックは拒否されます。

イングレスおよびエグレスコントローラ

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Kubernetes の Ingress コントローラーと Egress コントローラーは、クラスター内のサービスへの外部アクセス (通常は HTTP) を管理します。イングレスコントローラーは外部トラフィックを適切な内部リソースにルーティングするのに役立ち、エグレスコントローラーはクラスターの送信トラフィックを管理します。

イングレスコントローラは、イングレスリソース情報を読み取り、適切に処理する役割を担います。たとえば、ユーザーが URL を要求すると、イングレスコントローラは、イングレスリソースで定義されたルーティングルールに基づいて、要求を適切なサービスにルーティングします。これは、マイクロサービスへのアクセスを管理し、SSL/TLS 終了を実装する場合に特に役立ちます。

一方、出力コントローラは送信トラフィックを処理します。クラスター内から外部へのリクエストが正しく管理され、ルーティングされることを保証します。出力コントローラは、ポッドが接続を確立できる宛先を制限するポリシーを適用し、クラスターの全体的なセキュリティを強化できます。

これらのコントローラを実装するには、ネットワークアーキテクチャとアプリケーションのトラフィックパターンを明確に理解する必要があります。たとえば、適切に構成された Ingress コントローラは、トラフィックの急増を効率的に処理し、URL パスに基づいてルーティングし、名前ベースの仮想ホスティングを提供できます。

コアネットワークソリューション: 重要性と役割

ネットワークポリシーの適用のための Calico: 強力なネットワークポリシーの適用で知られる Calico は、アプリケーションのセキュリティを維持する上で重要な役割を果たします。 Pod 通信をきめ細かく制御し、許可されたトラフィックのみを許可することで、セキュリティポリシーを適用し、ネットワークトラフィックをセグメント化して不正アクセスを防止します。その重要性は、アプリケーション内のネットワーク相互作用の全体的なセキュリティと整合性を強化することにあります。

シンプルなオーバーレイネットワーク用の Flannel: Flannel は、オーバーレイネットワークの設定やノード間の Pod の接続において、そのシンプルさと効率性により極めて重要です。その役割は、サブネットの割り当てを自動的に管理することで、Kubernetes デプロイメントにおけるネットワーク構成を簡素化することです。これにより、ネットワーク管理に関連する複雑さと運用上のオーバーヘッドが軽減され、簡単かつ効果的なネットワーク接続を実現する貴重なツールになります。

API 対応ネットワークのための Cilium: Cilium は、API 対応のネットワークセキュリティフィルタリングを Kubernetes に導入するために不可欠です。 BPF を活用してカーネルレベルでネットワークトラフィックをフィルターし、Kubernetes のラベルとメタデータを理解します。その役割は、セキュリティを強化し、特にマイクロサービスにおけるネットワークトラフィックの可視性を向上させ、より安全で透明性の高いネットワーク環境を促進することです。

Flannel と Calico を組み合わせた Canal: Canal は、Flannel と Calico の利点を組み合わせて、Kubernetes 向けの包括的なネットワークソリューションを提供します。その役割は、使いやすさ (Flannel による) と強力なセキュリティ機能 (Calico による) を提供することです。この組み合わせにより、Canal は効率的なネットワークカバレッジと柔軟なネットワーク戦略のニーズを満たす多目的な選択肢となります。

軽量ソリューションとしての Kube-router: Kube-router は、標準のネットワークソリューションに代わる、簡素化された、より効率的なソリューションです。その役割は、単一のデーモンを通じてルーティング、ネットワークポリシー、およびサービスプロキシ機能を処理することです。これにより、小規模な環境やリソースが制限された環境に最適となり、軽量でありながら効果的なネットワークソリューションが提供されます。

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Kubernetes ネットワークのベストプラクティス

ネットワークポリシーを使用してトラフィックフローを制御する: ネットワークポリシーは、Kubernetes 環境を保護するために重要です。これらは Pod のファイアウォールとして機能し、どの Pod が相互に通信できるかを定義できます。たとえば、データベース Pod を特定のアプリケーション Pod のみがアクセスできるように制限することで、データのセキュリティと整合性を強化できます。
複雑な通信を処理するためのサービスメッシュを実装する: マイクロサービスアーキテクチャでは、Istio や Linkerd などのサービスメッシュによって、通信制御、可観測性、信頼性の追加レイヤーが提供されます。たとえば、負荷分散、サービス間認証を管理し、サービスメッシュを介してサービス間通信を監視することができるため、アプリケーションのデバッグと最適化が容易になります。
負荷分散戦略を最適化します。負荷分散は、各ポッドにトラフィックを均等に分散するために重要です。リクエストが順番にディスパッチされるラウンドロビン戦略を使用することも、ユーザーのセッションが常に同じ Pod によって提供されるようにする IP ハッシュなどのより高度な方法を使用することもできます。これにより、リソースの効率的な使用とユーザーエクスペリエンスの向上が保証されます。
サービス検出のために DNS を有効にする: Kubernetes DNS サービスは、サービス検出において重要な役割を果たします。これにより、変更される可能性のある IP アドレスに頼るのではなく、ポッドが名前で他のポッドやサービスを見つけることができるようになります。たとえば、アプリケーションは DNS 名でデータベースサービスを簡単に見つけることができるため、構成とサービス間通信が簡素化されます。
外部アクセスに Ingress コントローラーを活用する: サービスを外部に公開する場合、Ingress コントローラーは NodePort や LoadBalancer サービスよりも高度で柔軟なオプションです。 HTTP/HTTPS ルーティング、SSL 終了、名前ベースの仮想ホスティングを提供します。つまり、きめ細かい制御により、サービスへの外部アクセスを効率的に管理できるということです。
ネットワークアクティビティの監視とログ記録: 問題を診断し、セキュリティを確保するには、ネットワークトラフィックを継続的に監視してログに記録することが重要です。 Prometheus モニタリングや Fluentd ログなどのツールは、ネットワークのパフォーマンスとセキュリティに関する洞察を提供します。これらは、異常を発見し、トラフィックパターンを理解し、スケーリングと最適化について情報に基づいた意思決定を行うのに役立ちます。
スケーラビリティのために IPv6 ネットワークを採用する: Kubernetes クラスターのサイズが大きくなるにつれて、IPv6 ネットワークの重要性が高まります。より大きなアドレス空間を提供し、複雑な NAT 設定の必要性を排除します。 IPv6 への移行は、事前に計画を立て、すべてのポッドとサービスに十分な IP アドレスがあることを確認する方法です。