基于Kubernetes的多租户网络隔离的设计与实现

摘要

多年以来企业和云提供商一直使用虚拟化的云平台运行应用程序，并且都是在虚拟机中运行。虚拟机技术提供整个硬件层的虚拟化，虽然实现了资源的隔离与控制，但使用成本较高。容器技术亦能提供资源的隔离与控制，却更节约成本，所以虚拟机技术逐渐地被容器技术取代。随着容器技术的日益普及，越来越多的应用使用容器的方式开发、部署和运维，给用户提供便捷的服务，如迅速崛起的Docker容器技术。
　　容器集群管理系统Kubernetes是用于在多宿主机中管理容器化应用程序的开源系统，为容器化的应用提供资源调度、部署运行、服务发现、扩容缩容等一整套的功能。本文分析了Kubernetes系统的网络模式，并对现有的容器网络解决方案进行对比，发现现有的解决方案在多租户网络隔离方面的功能还很有限，并不能满足复杂云环境下网络的安全需求。
　　本文针对以上问题，通过研究发现Openstack项目中的Neutron网络子系统不仅提供了多租户的二层网络隔离，还提供了丰富的API接口。遵循Kubernetes插件化的网络模式，基于Neutron网络系统，本文设计了独立的网络插件系统，该插件系统包括Kubernetes端插件、独立网络管理模块、网络管理客户端三个模块。Kubernetes端插件实现了对独立网络管理模块的调用，并且在Kubelet启动时加载该插件系统;独立网络管理模块实现了对网络资源的管理以及对Pod网络的配置;网络管理客户端主要通过调用独立网络管理模块来管理用户的网络。此外，针对改造后的多租户网络模式，对集群中应用的负载均衡模式进行了改造。
　　本文不仅提出了独立的网络插件系统解决方案，也通过实际开发实现了该解决方案，最后通过实验验证了其隔离效果与性能，可以满足Kubernetes平台对多租户网络隔离的需求。

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1．1 云计算背景

1．1．2 Docker与PAAS的发展

1．2 Kubernetes的功能现状与网络的不足

1．2．1 Kubernetes的现状

第2章 Kubernetes及相关技术概述

2．1 容器技术与Docker

2．1．1 容器核心技术

2．1．2 Docker组织架构

2．2 Kubernetes平台架构及组件简介

2．2．1 Kubernetes控制节点组件介绍

2．2．2 Kubernetes工作节点组件介绍

2．2．3 Kubernetes的主要概念

2．3 Kubernetes的网络模型

2．3．1 Kubernetes的网络配置

2．3．2 Kubernetes的CNI模型

2．4 容器的覆盖网络技术

2．5 现有的容器网络解决方案简介

2．5．1 Flannel

2．5．2 Pipework

2．5．3 Weave

2．5．4 功能对比

2．6 Neutron网络系统简介

2．6．1 Neutron中的基本概念

2．6．2 Neutron网络的VXLAN模式

2．7 本章小结

第3章 系统需求分析与总体设计

3．1 Kubernetes多租户网络隔离需求分析与设计目标

3．2 多租户网络隔离系统整体设计

3．2．1 系统逻辑设计

3．2．2 系统架构设计

3．3 Neutron Plugin模块设计

3．3．1 Neutron Plugin的启动流程

3．3．2 Neutron Plugin的设计

3．4 Middleware模块设计

3．4．1 Middleware模块启动流程

3．4．2 Middleware模块的具体设计

3．5 Network-management Client模块设计

3．6 Kube-proxy改造设计

3．6．1 改造需求分析

3．6．2 功能改造设计

3．7 系统工作流程

3．8 本章小结

第4章 Kubernetes多租户网络隔离系统的实现

4．1．1 Neutron Plugin的启动实现

4．1．2 Neutron Plugin的调用实现

4．2 Middleware模块的具体实现

4．2．1 网络管理模块实现

4．2．2 容器网络配置模块实现

4．3 Network-management Client模块的具体实现

4．4 Kube-proxy的改造实现

4．5 本章小结

第5章 系统功能展示与结果分析

5．1 实验环境

5．2 实验目的

5．3 功能展示及分析

5．3．1 网络资源管理

5．3．2 启动Pod时配置网络

5．3．3 同宿主机同租户连通性

5．3．4 同宿主机不同租户连通性

5．3．5 跨宿主机同租户连通性

5．3．6 跨宿主机不同租户连通性

5．3．7 同租户下不同应用问的访问

5．4 性能测试及分析

5．4．1 Pod间RTT平均值统计

5．4．2 Pod间RTT平均值比较

5．4．3 实验结论

5．5 本章小结

第6章 本文总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢