1、NetworkPolicy概述

官方说明:网络策略(NetworkPolicy)是一种关于pod间及pod与其他网络端点间所允许的通信规则的规范。
简单来说,NetworkPolicy就是对pod进行网络策略控制。用于为Kubernetes实现更为精细的流量控制,实现租户隔离机制。Kubernetes使用标准的资源对象NetworkPolicy供管理员按需定义网络访问控制策略。

2、NetworkPolicy策略模型

使用network policy资源可以配置pod的网络,networkPolicynamespace scoped的,他只能影响某个namespace下的pod的网络出入站规则。

  • metadata描述信息。
  • podSelector pod选择器,选定的pod所有的出入站流量要遵循本networkpolicy的约束。
  • policyTypes 策略类型。包括了IngressEgress,默认情况下一个policyTypes的值一定会包含Ingress,当有egress规则时,policyTypes的值中会包含Egress
  • ingress入站,即由其他网络端点发往特定Pod组的流量 ,通常由流量发出的源站点from和流量的目标端口所定义 。
  • egress出站,即由特定的Pod组发往其他网络端点的流量 ,通常由流量的目标网络端点to和端口ports来进行定义 。
  • port 端口,TCPUDP的端口号。
  • to,from 端点,流量目标和流量源相关的组件, 它可以是CIDR格式的IP地址块 ipBlock、网络名称空间选择器namespaceSelector匹配的名称空间, 或Pod选择器podSelector匹配的Pod组。

官方示例的说明:

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: test-network-policy
  namespace: default
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      role: db
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress
  ingress:
  - from:
    - ipBlock:
        cidr: 172.17.0.0/16
        except:
        - 172.17.1.0/24
    - namespaceSelector:
        matchLabels:
          project: myproject
    - podSelector:
        matchLabels:
          role: frontend
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 6379
  egress:
  - to:
    - ipBlock:
        cidr: 10.0.0.0/24
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 5978

该例子的效果如下:
1、default namespacelabel包含role=dbpod,都会被隔绝,他们只能建立满足networkPolicyingressegress描述的连接。即2-5点:
2、所有属于172.17.0.0/16网段的ip,除了172.17.1.0/24中的ip,其他的都可以与上述pod6379端口建立tcp连接。
3、所有包含label:project=myprojectnamespace中的pod可以与上述pod6379端口建立tcp连接;
4、所有default namespace下的label包含role=frontendpod可以与上述pod6379端口建立tcp连接;
5、允许上述pod访问网段为10.0.0.0/24的目的ip5978端口。

3、NetworkPolicy默认策略

默认情况下,如果名称空间中不存在任何策略,则所有进出该名称空间中的Pod的流量都被允许。以下示例用于更改该名称空间中的默认行为。

  • 默认拒绝所有入口流量
    通过创建选择所有容器但不允许任何进入这些容器的入口流量的NetworkPolicy来为名称空间创建default隔离策略。这样可以确保即使容器没有选择其他任何NetworkPolicy,也仍然可以被隔离。此策略不会更改默认的出口隔离行为。
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  • 默认允许所有入口流量
    如果要允许所有流量进入某个命名空间中的所有Pod(即使添加了导致某些Pod被视为“隔离”的策略),则可以创建一个策略来明确允许该命名空间中的所有流量。
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-all
spec:
  podSelector: {}
  ingress:
  - {}
  policyTypes:
  - Ingress
  • 默认拒绝所有出口流量
    通过创建选择所有容器但不允许来自这些容器的任何出口流量的NetworkPolicy来为名称空间创建default egress隔离策略。这样可以确保即使没有被其他任何NetworkPolicy选择的Pod也不会被允许流出流量。此策略不会更改默认的ingress隔离行为。
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Egress
  • 默认允许所有出口流量
    如果要允许来自命名空间中所有Pod的所有流量(即使添加了导致某些Pod被视为“隔离”的策略),则可以创建一个策略,该策略明确允许该命名空间中的所有出口流量。
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-all
spec:
  podSelector: {}
  egress:
  - {}
  policyTypes:
  - Egress
  • 默认拒绝所有入口和所有出口流量
    为名称空间创建default策略,以通过在该名称空间中创建以下NetworkPolicy来阻止所有入站和出站流量。这样可以确保即使没有被其他任何NetworkPolicy选择的Pod也不会被允许进入或流出流量。
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress

4、NetworkPolicy的实现

kubernetes的网络策略功能本身并不支持,依赖其所使用的网络插件实现。因此,仅在使用那些支持网络策略功能的网络插件时才能够配置网络策略,企业内部可以使用简单的flannelweavekube-router等,适合公有云的方案则有calico等。不同的网络实现原理vethpairbridgemacvlan等并不能统一地支持network policy。每种解决方案各有其特定的网络策略实现方式,它们的实现或依赖于节点自身的功能,或借助于Hypervisor的特性,也可能是网络自身的功能 。究其最终的底层实现原理,目前是基于linux iptables实现,使用类似于nf_conntrack检查记录网络流量session从而决定流量是否阻断。

5、使用flannel+canal实现k8s的NetworkPolicy

Flannel是解决容器网络方案最为普遍和简单的方案,Canal代表了针对云原生应用程序的最佳网络策略解决方案,旨在让用户轻松的将CalicoFlannel网络部署在一起作为统一的网络解决方案,将Calico的网络策略执行和Flannel的叠加及非叠加网络连接选项的丰富功能相结合。
Calico的官方文档的相应部分中描述到此种方案是:用于策略的Calico和用于网络的Flannel相组合。官方文档见:https://docs.projectcalico.org/v3.10/getting-started/kubernetes/installation/flannel

5.1、实验环境说明

实验k8s环境是kubeadm搭建的1master+2node最新版本1.16.2版本k8s,cni版本为0.3.1,flannel版本为0.11.0,flannel后端是vxlan模式并且已经开启了Directrouting

[root@k8s-master-01 ~]# kubectl version
Client Version: version.Info{Major:"1", Minor:"16", GitVersion:"v1.16.2", GitCommit:"c97fe5036ef3df2967d086711e6c0c405941e14b", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2019-10-15T19:18:23Z", GoVersion:"go1.12.10", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}
Server Version: version.Info{Major:"1", Minor:"16", GitVersion:"v1.16.2", GitCommit:"c97fe5036ef3df2967d086711e6c0c405941e14b", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2019-10-15T19:09:08Z", GoVersion:"go1.12.10", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}
[root@k8s-master-01 ~]# kubectl get nodes
NAME            STATUS   ROLES    AGE    VERSION
k8s-master-01   Ready    master   4d1h   v1.16.2
k8s-node-01     Ready    <none>   4d     v1.16.2
k8s-node-02     Ready    <none>   4d     v1.16.2
[root@k8s-master-01 ~]# kubectl get pods -n kube-system 
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
coredns-58cc8c89f4-bd6s8                1/1     Running   2          4d1h
coredns-58cc8c89f4-bv5rl                1/1     Running   2          4d1h
etcd-k8s-master-01                      1/1     Running   2          4d1h
kube-apiserver-k8s-master-01            1/1     Running   2          4d1h
kube-controller-manager-k8s-master-01   1/1     Running   2          4d1h
kube-flannel-ds-amd64-grzvh             1/1     Running   1          2d22h
kube-flannel-ds-amd64-hrd4h             1/1     Running   1          2d22h
kube-flannel-ds-amd64-l8rtk             1/1     Running   1          2d22h
kube-proxy-bp98z                        1/1     Running   2          4d
kube-proxy-kvwgh                        1/1     Running   2          4d
kube-proxy-n8lj6                        1/1     Running   2          4d1h
kube-scheduler-k8s-master-01            1/1     Running   2          4d1h

5.2、安装canal

按照官方文档说明安装:https://docs.projectcalico.org/v3.10/getting-started/kubernetes/installation/flannel
部署时canal支持将数据存储于etcd中,支持选择专用的etcd存储,也能够以kubernetes api server作为后端存储,这里选择以后种方式进行。
结合flannel工作时,Calico提供的默认配置清单中是以flannel默认使用的10.244.0.0/16Pod网络,因此,请确保kube-controller-manager程序在启动时通过--clustr-cidr选项设置使用了此网络地址,并且--allocate-node-cidrs的值应设置为true。在使用kubeadm安装的此版本集群中,此选项均已配置。
如果集群cidr网络地址不是默认值,需要修改配置再进行部署。

[root@k8s-master-01 canal]# curl https://docs.projectcalico.org/v3.10/manifests/canal.yaml -O
[root@k8s-master-01 canal]# kubectl apply -f canal.yaml 
configmap/canal-config created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/felixconfigurations.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/ipamblocks.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/blockaffinities.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/ipamhandles.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/ipamconfigs.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/bgppeers.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/bgpconfigurations.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/ippools.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/hostendpoints.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/clusterinformations.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/globalnetworkpolicies.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/globalnetworksets.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/networkpolicies.crd.projectcalico.org created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/networksets.crd.projectcalico.org created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/calico-node created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/flannel configured
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/canal-flannel created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/canal-calico created
daemonset.apps/canal created
serviceaccount/canal created
[root@k8s-master-01 ~]# kubectl get pods -n kube-system -o wide|grep canal
canal-rxb97                             2/2     Running   0          4h25m   192.168.2.12   k8s-node-02     <none>           <none>
canal-tdcgf                             2/2     Running   0          4h25m   192.168.2.10   k8s-master-01   <none>           <none>
canal-vll8z                             2/2     Running   0          4h25m   192.168.2.11   k8s-node-01     <none>           <none>

5.3、应用示例

5.3.1、创建默认服务

运行一组nginx pod并暴露80端口

[root@k8s-master-01 ~]# kubectl run nginx --image=nginx --replicas=3 --port=80 --expose
kubectl run --generator=deployment/apps.v1 is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl run --generator=run-pod/v1 or kubectl create instead.
service/nginx created
deployment.apps/nginx created
[root@k8s-master-01 ~]# kubectl get pods
NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-5578584966-8spqk        1/1     Running   0          15s
nginx-5578584966-sjlvc        1/1     Running   0          15s
nginx-5578584966-xm4pb        1/1     Running   0          15s
[root@k8s-master-01 ~]# kubectl get svc nginx 
NAME    TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx   ClusterIP   10.1.8.146   <none>        80/TCP    16s

5.3.2、测试访问

[root@k8s-master-01 ~]# kubectl run busy1 --rm -it --image=busybox /bin/sh
kubectl run --generator=deployment/apps.v1 is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl run --generator=run-pod/v1 or kubectl create instead.
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget --spider --timeout=1 nginx
Connecting to nginx (10.1.8.146:80)
remote file exists  ## 访问成功

5.3.4、创建默认policy

创建默认拒绝所有入站流量的networkpolicy,测试访问

[root@k8s-master-01 networkpolicy]# vim default-deny-ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
[root@k8s-master-01 networkpolicy]# kubectl apply -f default-deny-ingress.yaml 
networkpolicy.networking.k8s.io/default-deny created
[root@k8s-master-01 ~]# kubectl run busy1 --rm -it --image=busybox /bin/sh
kubectl run --generator=deployment/apps.v1 is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl run --generator=run-pod/v1 or kubectl create instead.
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget --spider --timeout=1 nginx
Connecting to nginx (10.1.8.146:80)
wget: download timed out  ## 访问失败

5.3.5、创建一个允许带有access=true的Pod访问nginx的网络策略

[root@k8s-master-01 networkpolicy]# vim nginx-policy.yaml
kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: access-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      run: nginx
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          access: "true"
[root@k8s-master-01 networkpolicy]# kubectl apply -f nginx-policy.yaml 
networkpolicy.networking.k8s.io/access-nginx created

使用不带access=true标签的pod访问服务

[root@k8s-master-01 ~]# kubectl run busy1 --rm -it --image=busybox /bin/sh
kubectl run --generator=deployment/apps.v1 is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl run --generator=run-pod/v1 or kubectl create instead.
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget --spider --timeout=1 nginx
Connecting to nginx (10.1.8.146:80)
wget: download timed out  ## 访问失败

使用带access=true标签的pod访问服务

[root@k8s-master-01 ~]# kubectl run busy2 --rm -it --labels="access=true" --image=busybox /bin/sh
kubectl run --generator=deployment/apps.v1 is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl run --generator=run-pod/v1 or kubectl create instead.
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # wget --spider --timeout=1 nginx
Connecting to nginx (10.1.8.146:80)
remote file exists  ## 访问成功

5.4、生产使用场景

5.4.1、禁止访问指定服务

kubectl run web --image=nginx --labels app=web,env=prod --expose --port 80

网络策略

kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: web-deny-all
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: web
      env: prod

5.4.2、只允许指定pod访问服务

kubectl run apiserver --image=nginx --labels app=bookstore,role=api --expose --port 80

网络策略

kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: api-allow
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: bookstore
      role: api
  ingress:
  - from:
      - podSelector:
          matchLabels:
            app: bookstore

5.4.3、禁止 namespace 中所有 Pod 之间的相互访问

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
  namespace: default
spec:
  podSelector: {}

5.4.4、禁止其他 namespace 访问服务

kubectl create namespace secondary
kubectl run web --namespace secondary --image=nginx \
    --labels=app=web --expose --port 80

网络策略

kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  namespace: secondary
  name: web-deny-other-namespaces
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
  ingress:
  - from:
    - podSelector: {}

5.4.5、只允许指定namespace访问服务

kubectl run web --image=nginx \
    --labels=app=web --expose --port 80

网络策略

kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: web-allow-prod
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: web
  ingress:
  - from:
    - namespaceSelector:
        matchLabels:
          purpose: production

5.4.6、允许外网访问服务

kubectl run web --image=nginx --labels=app=web --port 80
kubectl expose deployment/web --type=LoadBalancer

网络策略

kind: NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
metadata:
  name: web-allow-external
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: web
  ingress:
  - ports:
    - port: 80
    from: []

参考来源:
https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/services-networking/network-policies/
https://docs.projectcalico.org/v3.10/getting-started/kubernetes/installation/flannel
https://github.com/ahmetb/kubernetes-network-policy-recipes