好文转载【K8S系列】深入解析k8s网络

曾经终败给现在 2024-03-22 13:02 60阅读 0赞

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## 序言 ##

> 你只管努力，其他交给时间，时间会证明一切。

> 文章标记颜色说明：
> 
>  *  黄色：重要标题
>  *  红色：用来标记结论
>  *  绿色：用来标记一级论点
>  *  蓝色：用来标记二级论点

> Kubernetes ([k8s][]) 是一个容器编排平台，允许在容器中运行应用程序和服务。今天学习一下k8s网络相关的内容

> 希望这篇文章能让你不仅有一定的收获，而且可以愉快的学习，如果有什么建议，都可以留言和我交流

## 专栏介绍 ##

> 这是这篇文章所在的专栏，欢迎订阅：[【深入解析k8s】专栏][k8s 1]

> 简单介绍一下这个专栏要做的事：
> 
> 主要是深入解析每个知识点，帮助大家完全掌握k8s,以下是已更新的章节
> 
> 这是专栏介绍文章地址：[【深入解析K8S专栏介绍】][K8S]

## 思考问题 ##

![c04aefdd9ff44e9a853570f6c82f4c6f.png][]

> 经过前面的学习，我们已经知道k8s是由各种组件、对象组成，那它是如何解决：
> 
>  *  Docker容器和Docker容器之间的网络？
>  *  Pod与Pod之间的网络？
>  *  Pod与Service之间的网络？
>  *  Internet与Service之间的网络？

## 1 基本介绍 ##

### 1.1 K8s网络是什么 ###

> Kubernetes网络是指在Kubernetes集群中不同组件之间进行通信和交互的网络架构。
> 
> 在Kubernetes中，每个容器都有自己的IP地址，这些容器组成了Pod，Pod是Kubernetes调度的最小单元。
> 
> Kubernetes网络的设计目标是支持多种网络模型，并提供可插拔的网络插件，从而使Kubernetes能够在不同的云和物理环境中运行。

> Kubernetes网络通常分为四个层次：
> 
>  *  容器网络接口（CNI）
>  *  Pod网络
>  *  Service网络
>  *  Ingress网络

#### 容器网络接口（CNI）层 ####

> Kubernetes网络的底层是CNI层，它是一个独立的插件系统，用于为容器分配IP地址、创建网络接口和配置网络环境。
> 
> CNI插件可以在Kubernetes的各种云和物理环境中使用，例如AWS、GCP、Azure、OpenStack、Bare metal等。

> 这一层解决的是—Docker容器和Docker容器之间的网络

> Pod是最小的可调度单元，通常包含一个或多个容器。Pod内的容器可以通过localhost（127.0.0.1）进行通信，这种通信方式不需要网络环境的支持，因此可以实现较低的延迟和较高的吞吐量。

> 在Pod内部，容器之间可以通过共享网络命名空间进行通信。所有容器共享Pod的IP地址和网络命名空间，它们可以使用localhost或Pod的IP地址进行通信。可以通过在Pod的配置文件中指定容器之间的端口映射来定义容器之间的通信方式。

> 例如，在一个Pod中有两个容器A和B，A需要向B发送HTTP请求。可以在Pod的配置文件中为容器A和容器B分别指定端口号，然后在容器A中使用localhost和容器B的端口号进行通信。容器B在接收到请求后可以返回HTTP响应。

#### Pod网络层 ####

> Pod网络层是容器的网络层，它为Pod提供了单独的IP地址和网络空间。Pod网络层可以使用多种网络模型，如host模式、overlay模式、macvlan模式等。

> 这一层解决的是—Pod与Pod之间的网络通讯

> Pod间通信：
> 
> Pod是Kubernetes中最小的部署单元，每个Pod都有一个唯一的IP地址，Pod内的容器共享该IP地址和网络命名空间。
> 
> Pod间通信可以使用多种技术，如Kubernetes默认的CNI插件、Flannel、Calico、Weave Net等。

#### Service网络层 ####

> Service网络层是Kubernetes网络的中间层，它定义了Service之间的网络通信，为Service提供了一个虚拟IP地址，将请求路由到后端Pod的实际IP地址。
> 
> Service网络层可以使用ClusterIP、NodePort、LoadBalancer等多种类型。

> 这一层解决的是—Pod与Service之间的网络

#### Ingress网络层 ####

> Ingress网络层是Kubernetes网络的顶层，它允许外部流量进入Kubernet[es集群][es]，并将请求路由到不同的Service。
> 
> Ingress网络层可以使用多种Ingress控制器，如Nginx、Traefik、HAProxy等。

> 这一层解决的是—Internet与Service之间的网络

## 2 k8s网络模型 ##

> Kubernetes网络模型是一个为容器提供网络连接的框架，它允许容器在Kubernetes集群内和外部进行通信。

> Kubernetes网络模型包括以下几个方面：
> 
> 1.  Pod间通信：Pod是Kubernetes中最小的部署单元，每个Pod都有一个唯一的IP地址，Pod内的容器共享该IP地址和网络命名空间。Pod间通信可以使用多种技术，如Kubernetes默认的CNI插件、Flannel、Calico、Weave Net等。
> 2.  Pod与Service通信：Service是Kubernetes中用于访问Pod的一种抽象机制，它为一组Pod提供一个统一的访问入口，并分发请求到后端的Pod。Pod与Service之间的通信可以直接使用Service的IP地址或DNS名称，Kubernetes会自动将请求路由到后端的Pod。
> 3.  Pod与Node通信：Kubernetes中的Pod可以与它所在的节点进行通信，这种通信方式通常用于容器化应用需要访问宿主机上的资源，如宿主机上的文件、设备等。Pod与Node之间的通信可以通过节点IP地址或本地环回地址（127.0.0.1）进行。
> 4.  Service与外部网络通信：Kubernetes中的Service可以暴露给外部网络访问，这可以通过Ingress、NodePort或LoadBalancer等机制实现。Ingress是一种Kubernetes中的资源对象，用于将外部HTTP/HTTPS流量路由到Service中，它可以提供负载均衡、SSL终止等功能。NodePort是一种Service类型，它将Service的端口映射到每个节点的固定端口上，从而允许外部网络通过节点IP地址和该端口访问Service。LoadBalancer是一种Service类型，它使用云提供商的负载均衡器将外部网络流量路由到Service中。
> 
> Kubernetes网络模型提供了一种灵活、可扩展、高可用、安全的网络解决方案，使得容器之间能够相互通信以及与外界进行通信，为容器化应用的部署和运行提供了强大的支持。

#### 网络方案 ####

> Kubernetes网络模型是基于容器、Pod、Service和Ingress等抽象概念构建的，它提供了以下特性：
> 
> 1.  容器间通信：容器可以直接通过Pod网络进行通信，无需进行端口映射或NAT。
> 2.  Service发现：Service网络层为Service提供了一个虚拟IP地址，使得其他容器可以通过Service名称和端口号访问该服务。
> 3.  负载均衡：Kubernetes支持多种负载均衡算法，如Round Robin、IP Hash、Least Connection等。
> 4.  网络隔离：Kubernetes支持通过网络策略实现容器之间的网络隔离，从而保护容器的安全性。
> 5.  外部流量管理：Ingress网络层提供了外部流量管理机制，允许外部请求进入Kubernetes集群，并将请求路由到不同的Service。
> 
> Kubernetes[网络架构][Link 1]和网络模型提供了高度可扩展性、可插拔性和高可用性的网络解决方案，使得开发人员可以更加轻松地部署和管理容器化应用程序。

## k8s网络插件 ##

> Kubernetes 是一个强大的容器编排平台，它提供了多种网络插件，用于在集群中实现容器之间和容器与外部网络的通信。以下是几种常用的 Kubernetes 网络插件：
> 
> 1.  Kube-router
> 2.  Flannel
> 3.  Calico
> 4.  Weave Net
> 5.  Cilium

### 1 Kube-router ###

> Kube-router 是一种基于 BGP 协议的容器网络方案，它可以在集群中创建一个虚拟网络，并使用 BGP 协议来管理容器之间的通信。
> 
> 具体来说，Kube-router 会为每个容器分配一个唯一的 IP 地址，并使用 BGP 协议将这些 IP 地址添加到路由表中。
> 
> Kube-router 还支持多种网络拓扑结构，包括扁平网络、网格网络和点对点网络等。

#### 使用示例 ####

> 以下是使用 Kube-router 网络插件的示例代码，
> 
> 演示前提：已经安装了 Kubernetes 集群和 Kube-router 网络插件：

创建一个 Kubernetes Deployment

apiVersion: apps/v1
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           kind: 
          
          
           Deployment 
          
          
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           name: nginx-deployment
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
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           selector:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           matchLabels:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           app: nginx
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
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           app: nginx
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
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                - 
          
          
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           80

创建一个 Kubernetes Service

apiVersion: v1
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           kind: 
          
          
           Service 
          
          
           #资源类型为service
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
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           name: nginx-service
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           spec:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           selector:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           app: nginx
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           ports:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - 
          
          
           name: http
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           port: 
          
          
           80
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           targetPort: 
          
          
           80
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           type: 
          
          
           ClusterIP

创建一个 Kubernetes Pod，使用 Kube-router 网络插件

apiVersion: v1
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           kind: 
          
          
           Pod  
          
          
           #资源类型为pod
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
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           name: kube-router-pod
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           spec:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           containers:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
            - 
          
          
           name: kube-router-container
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           image: kube-router/kube-
          
          
           router:v1.
          
          
           3
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           command:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - kube-router
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - run
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           args:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - --run-router=
          
          
           false
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - --run-firewall=
          
          
           false
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - --run-service-proxy=
          
          
           false
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - --run-egress=
          
          
           false
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - --enable-cni=
          
          
           true
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - --cni-bin-dir=
          
          
           /opt/cni
          
          
           /bin
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               - --cni-conf-dir=/etc
          
          
           /cni/net.d
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - --cni-network-config=
          
          
           '{ 
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
                   "cniVersion": "0.3.1",
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
                   "name": "kube-router",
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
                   "type": "kube-router"
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
                 }'
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           volumeMounts:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - 
          
          
           name: cni-bin
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           mountPath: /opt/cni/bin
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
              - 
          
          
           name: cni-conf
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           mountPath: /etc/cni/net.d
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           volumes:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
            - 
          
          
           name: cni-bin
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           hostPath:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           path: /opt/cni/bin
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
            - 
          
          
           name: cni-conf
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           hostPath:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           path: /etc/cni/net.d

> 在该示例中，
> 
> 创建了一个 Pod，并使用 Kube-router 网络插件来管理容器的网络配置。
> 
> 具体来说，是在容器中启动了 Kube-router 进程，并通过命令行参数来配置插件的运行模式和网络配置。
> 
> 还使用了 hostPath 卷来挂载 CNI 插件所需的文件和配置。

> 需要注意的是，在使用 Kube-router 网络插件时，需要根据不同的网络需求和环境来配置参数和选项。具体的配置方法可以参考 Kube-router 的官方文档和示例代码。

### 2 Flannel ###

> Flannel 是一种基于 VXLAN 或者 UDP 的虚拟网络方案，它通过在每个节点上创建一个虚拟网络来实现容器之间的通信。
> 
> 具体来说，Flannel 会为每个节点分配一个唯一的 IP 地址段，并将每个容器的 IP 地址映射到这个 IP 地址段中。
> 
> Flannel 需要依赖 etcd 或者其他分布式键值存储系统来存储网络配置信息。

#### 使用示例 ####

> 以下是使用 Flannel 网络插件的示例代码，
> 
> 演示前提：已经安装了 Kubernetes 集群和 Flannel 网络插件：

创建一个 Kubernetes Deployment

apiVersion: apps/v1
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           kind: 
          
          
           Deployment 
          
          
           #资源类型
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           metadata:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           name: nginx-deployment
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           spec:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           replicas: 
          
          
           2
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           selector:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           matchLabels:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           app: nginx
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           template:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           metadata:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
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           app: nginx
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
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                - 
          
          
           name: nginx
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                  
          
          
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                  - 
          
          
           containerPort: 
          
          
           80

创建一个 Kubernetes Service

apiVersion: v1
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
           kind: 
          
          
           Service 
          
          
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           name: nginx-service
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
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           selector:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
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           type: 
          
          
           ClusterIP

创建一个 Kubernetes Pod，使用 Flannel 网络插件

apiVersion: v1
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
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           Pod 
          
          
           #资源类型
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
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           /flanneld
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               args:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               - --ip-masq
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               - --kube-subnet-mgr
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               - --iface=eth0
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               securityContext:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
                 privileged: true
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               volumeMounts:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
               - name: flannel-cfg
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
          
          
                 mountPath: /etc
          
          
           /kube-flannel/
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
            
          
          
           volumes:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
          
           
          
            - 
          
          
           name: flannel-cfg
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
              
          
          
           configMap:
         
         
          
        
        
         
        
        
        
         
         
         
          
        
        
         
        
        
         
         
         
                
          
          
           name: kube-flannel-cfg 
          
          
           #挂载

> 在该示例中，创建了一个 Pod，并使用 Flannel 网络插件来管理容器的网络配置。另外，在容器中启动了 Flannel 进程，并通过命令行参数来配置插件的运行模式和网络配置。
> 
> 还使用了 configMap 卷来挂载 Flannel 的配置文件。

> 需要注意的是，在使用 Flannel 网络插件时，需要根据不同的网络需求和环境来配置参数和选项。
> 
> 具体的配置方法可以参考 Flannel 的官方文档和示例代码。

### 3 Calico ###

> Calico 是一种基于 BGP 协议的容器网络方案，它使用 IP 路由表来管理容器之间的通信。具体来说，Calico 会为每个容器分配一个唯一的 IP 地址，并使用 BGP 协议将这些 IP 地址添加到路由表中。Calico 还提供了强大的网络安全机制，可以保护容器网络的安全性。

### 4 Weave Net ###

> Weave Net 是一种基于 VXLAN 或者 UDP 的虚拟网络方案，它可以在集群中创建一个虚拟网络，从而实现容器之间的通信。具体来说，Weave Net 会为每个容器分配一个唯一的 IP 地址，并使用 VXLAN 或者 UDP 来在不同节点之间传输数据。Weave Net 还支持多种网络拓扑结构，包括扁平网络、网格网络和点对点网络等。

### 5 Cilium ###

> Cilium 是一种基于 eBPF 技术的容器网络方案，它可以在内核层面拦截和管理容器之间的通信。具体来说，Cilium 会在每个节点上创建一个 eBPF 过滤器，用于监控和管理容器之间的数据流。Cilium 还支持多种网络层协议和应用层协议，并提供了强大的网络安全机制，可以保护容器网络的安全性。

## 总结 ##

> Kubernetes 提供了多种网络插件，可以根据不同的网络需求和环境来选择适合的网络方案。需要注意的是，在进行网络插件的选择和部署时，需要考虑网络的可靠性、性能和安全性等因素。

> 今天就到这里了，后面详细介绍：
> 
> K8s网络问题解决方案
> 
>  *  网络故障排除
>  *  网络性能优化
>  *  网络安全
>  *  实战案例

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[K8S]: http://t.csdn.cn/9ELXe
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[es]: https://so.csdn.net/so/search?q=es%E9%9B%86%E7%BE%A4&spm=1001.2101.3001.7020
[Link 1]: https://so.csdn.net/so/search?q=%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84&spm=1001.2101.3001.7020