Warum ist das Netzwerk in Kubernetes so wichtig?
Ein Kubernetes-Cluster besteht aus vielen einzelnen Containern, die verteilt über mehrere Knoten laufen. Damit eine Anwendung zuverlässig funktioniert, müssen diese Container miteinander kommunizieren können – und das möglichst sicher und effizient.
Im Gegensatz zu traditionellen Serverarchitekturen, in denen Anwendungen oft direkt auf derselben Maschine laufen, nutzt Kubernetes eine verteilte Infrastruktur.
Das macht das Netzwerkmanagement anspruchsvoll, bietet aber auch große Flexibilität.
Das Konzept hinter Pod- und Service-Netzwerken
In Kubernetes erhält jeder Pod eine eigene IP-Adresse, die innerhalb des Clusters eindeutig ist.
Das bedeutet, dass sich alle Pods gegenseitig erreichen können – ohne Network Address Translation (NAT).
Zusätzlich sorgt Kubernetes dafür, dass Netzwerkrouten zwischen allen Knoten automatisch eingerichtet werden.
Damit Anwendungen innerhalb des Clusters zuverlässig kommunizieren können, sind jedoch weitere Netzwerkmechanismen nötig.
Pod-IP-Adressen und interne Kommunikation
Wenn ein Pod erstellt wird, bekommt er eine eigene IP-Adresse aus dem Kubernetes-Netzwerkpool zugewiesen.
Dies ermöglicht eine direkte Pod-zu-Pod-Kommunikation, die Kubernetes intern verwaltet.
- Die Kommunikation zwischen Pods auf demselben Node ist besonders effizient.
- Müssen Pods über verschiedene Nodes hinweg kommunizieren, verwaltet Kubernetes automatisch die Routen.
Load Balancing und Service Discovery mit Kubernetes-Services
Da Pods kurzlebig sind und jederzeit neu gestartet oder verschoben werden können, wäre es unpraktisch, sie über feste IP-Adressen anzusprechen.
Hier kommen Kubernetes-Services ins Spiel.
Ein Service in Kubernetes ist eine Abstraktion, die eine feste IP-Adresse für eine Gruppe von Pods bereitstellt.
Kubernetes-Services ermöglichen ein stabiles Kommunikationsziel für Anwendungen mit dynamischen Pods.
Externe Erreichbarkeit von Services: ClusterIP, NodePort und LoadBalancer
Kubernetes bietet drei Haupttypen von Services, um externe Anfragen weiterzuleiten:
- ClusterIP (Standard): Der Service ist nur innerhalb des Clusters erreichbar.
- NodePort: Zugriff über eine feste Portnummer auf jedem Node.
- LoadBalancer: Erstellt automatisch einen externen Load Balancer (nur in Cloud-Umgebungen).
Ingress-Controller und API-Gateways für externen Zugriff
Während LoadBalancer-Services für einfache externe Zugriffe geeignet sind, bieten Ingress-Controller eine flexiblere Lösung.
Funktionen eines Ingress-Controllers:
- SSL/TLS-Terminierung
- Traffic-Routing basierend auf Pfaden oder Subdomains
- Authentifizierung und Zugriffskontrolle
Zusätzlich können API-Gateways wie Kong oder Ambassador genutzt werden, um noch mehr Kontrolle über den Datenverkehr zu erhalten.
CNI-Plugins: Die Basis für Netzwerkkonnektivität
Kubernetes verlässt sich auf das Container Network Interface (CNI), um Netzwerkkonnektivität bereitzustellen.
Gängige CNI-Plugins:
- Flannel: Eine einfache Lösung für Kubernetes-Netzwerke.
- Calico: Unterstützt Network Policies und bietet zusätzliche Sicherheitsfunktionen.
- Cilium: Nutzt eBPF für optimierte Performance und Sicherheit.
Network Policies: Sicherheit im Kubernetes-Netzwerk
Nicht alle Pods sollten uneingeschränkt miteinander kommunizieren können.
Kubernetes ermöglicht über Network Policies, den Traffic innerhalb des Clusters zu steuern und unerwünschte Verbindungen zu blockieren.
Beispiel einer Network Policy, die nur Traffic von bestimmten Pods erlaubt:
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: allow-specific-pods
spec:
podSelector:
matchLabels:
app: frontend
policyTypes:
- Ingress
ingress:
- from:
- podSelector:
matchLabels:
app: backend
Service Mesh: Istio, Linkerd & Co.
Ein Service Mesh ermöglicht zusätzliche Netzwerkfunktionen wie Verschlüsselung, Load Balancing und Observability für Kubernetes-Services.
Bekannte Service Meshes:
- Istio: Bietet umfangreiche Features für Sicherheit und Traffic-Kontrolle.
- Linkerd: Eine leichtgewichtige Alternative mit einfacher Handhabung.
- Consul: Ermöglicht Service Discovery und Service Mesh-Funktionalität.
Monitoring und Troubleshooting von Kubernetes-Netzwerken
Netzwerklatenzen oder Engpässe können sich negativ auf Anwendungen auswirken. Tools wie Prometheus, Grafana oder Kubernetes Network Debugging Tools helfen dabei, Netzwerkprobleme zu erkennen und zu beheben.
Best Practices für Kubernetes-Netzwerke
Ein gut konfiguriertes Kubernetes-Netzwerk ist essenziell für eine leistungsfähige und sichere Anwendungsausführung.
Best Practices:
- Network Policies konsequent umsetzen
- CNI-Plugins nach Anwendungsfall wählen
- Monitoring-Tools nutzen, um Engpässe frühzeitig zu erkennen
- Ingress-Controller und API-Gateways richtig konfigurieren
Fazit
Ein gut konfiguriertes Kubernetes-Netzwerk ist essenziell für eine optimale Container-Kommunikation. Wer die verschiedenen Netzwerkoptionen kennt und richtig einsetzt, kann Engpässe vermeiden und eine sichere Infrastruktur gewährleisten.
