[Kubernetes] 클러스터 네트워크 개괄

쿠버네티스에서 네트워크를 담당하는 리소스는 서비스 API 카테고리에 포함된 리소스들이다. 서비스 API 리소스는 클러스터상의 컨테이너에 대한 엔드포인트를 제공하거나 레이블과 일치하는 컨테이너를 서비스 디스커버리에 포함하는데 사용된다. 사용자가 직접 사용할 수 있는 것은 아래와 같으며, L4 의 서비스들과 L7의 인그레스 리소스가 있다.

• 서비스(L4)
  • ClusterIP
  • ExternalIP(ClusterIP 의 한 종류)
  • NodePort
  • LoadBalancer
  • Headless(None)
  • ExternalName
  • None-Selector
• 인그레스(L7)

각 서비스를 설명하기 전에 여기서는 기본적인 쿠버네티스 클러스터의 네트워크 구성을 알아보자.

 

쿠버네티스 클러스터를 생성하면, 자동으로 각 노드 내에 파드간 통신을 위한 내부 가상 네트워크(파드 네트워크)가 자동으로 구성된다. 노드별로 사용할 네트워크 세그먼트는 쿠버네티스가 클러스터 전체에 할당된 네트워크 세그먼트를 자동으로 분할해 할당하므로, 사용자가 직접 설정할 필요는 없다.

 

(아래 내용은 위 그램을 참고하여 읽자)

1. 파드 내 컨테이너 간 통신

동일한 파드 내에 존재하는 컨테이너와 컨테이너 간 통신은 별도의 IP 없이 localhost 로 통신이 가능하다. 쿠버네티스에서는 각 파드에 IP 주소가 할당되고, 네트워크 통신을 주고 받는 최소 단위는 파드이기 때문이다.(같은 파드 내에 존재하는 컨테이너는 IP가 같고 동일한 네트워크를 공유함)

 

2. 노드 내 파드 간 통신

동일 노드 내에 존재하는 파드간 통신을 할 때는 노드 내에서 여러 파드 인터페이스를 연결하는 cni0 네트워크 브릿지를 통해서 통신한다. cni0 bridge 에는 각 파드의 가상 IP 와 그 파드와 virtual ethernet pair 로 이어져있는 네트워크 인터페이스 장치(veth0,1,2...)의 mac 주소가 ARP 테이블에 매핑되어 저장되어 있어서 어느 파드로 통신할 것인지 알 수 있다.

 

3. 노드 간 파드 간 통신

다른 노드에 존재하는 파드간 통신의 경우에는 오버레이 네트워크를 이용하게 된다. 오버레이 네트워크의 실제 구성은 사용하는 CNI(Container Network Interface) 플러그인에 따라 다르다.(예시: Flannel 은 VxLAN 또는 host-gw, UDP 등을 사용함) Flannel CNI 플러그인을 설치하면 flannel.1 인터페이스가 생성되어 노드의 eth0 인터페이스와 cni0 브릿지를 연결해주며, cni0 -> flannel.1 -> eth0 을 통해 패킷이 외부로 나갈 때에는 flannel.1 에서 패킷을 wrap 하여 header 에 출발지/목적지 노드IP를 추가하고, payload 에 출발지/목적지 파드IP를 추가하는 행위를 한다.(패킷 캡슐화) 노드 네트워크를 통해서 목적지 노드에 도착하면 역순으로 eth0 -> flannel.1 -> cni0 으로 패킷이 전달되며, flannel.1 에서 패킷이 unwrap 되어 어떤 파드로 전달될 것인지 해석된다. 이를 가상 네트워크 오버레이라고 한다. 오버레이는 물리적 네트워크 구성과 관계없이 다른 노드에 있는 파드들이 마치 같은 노드에 존재하는 것 처럼 통신할 수 있게 해주는 것이다. 물론, 오버레이는 가상 네트워크이기 때문에 실제 패킷은 노드 네트워크를 통해 이동하게 된다.

 

4. 서비스 동작 맛보기

서비스 리소스를 사용하지 않아도 위와 같은 경로를 통해서 파드 간 통신이 가능하지만, 서비스를 사용하면 여러 파드에 대한 로드밸런싱과 서비스 디스커버리를 좀 더 수월하게 구성할 수 있다. 파드를 사용할 때는 보통 디플로이먼트를 이용해서 관리하게 되는데, 파드가 재기동되면 파드의 IP가 바뀌게 된다. 로드밸런싱을 직접 구현하게 되면 매번 파드의 IP를 재조회하는 등의 구현을 해야 하지만, 서비스를 사용하게 되면 label selector 기준으로 자동으로 변경된 파드 IP로 로드밸런싱 되게 하는 등의 편리함이 있다.

 

먼저 아래 매니페스트를 apply 하여 Deployment 를 기동하여 3개의 파드를 기동해보자. amsy810/echo-nginx 이미지는 접속정보를 응답으로 내어주는 이미지이다.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: sample-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: sample-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: sample-app
    spec:
      containers:
        - name: nginx-container
          image: amsy810/echo-nginx:v2.0
          ports:
            - containerPort: 80

 

띄워진 파드의 LABEL 과 IP 를 확인하자

$ kubectl get pods -l app=sample-app -o custom-columns="NAME:{metadata.name},LABELS:{metadata.labels}"
# pod template 이 완벽히 동일하므로 해시값도 동일하다.
NAME                                 LABELS
sample-deployment-79cd77b9d6-cr8vj   map[app:sample-app pod-template-hash:79cd77b9d6]
sample-deployment-79cd77b9d6-v7dzz   map[app:sample-app pod-template-hash:79cd77b9d6]
sample-deployment-79cd77b9d6-z6jt5   map[app:sample-app pod-template-hash:79cd77b9d6]

$ kubectl get pods -l app=sample-app -o custom-columns="NAME:{metadata.name},IP:{status.podIP}"
# 자동 할당된 파드의 VIP 확인
NAME                                 IP
sample-deployment-79cd77b9d6-cr8vj   10.244.2.111
sample-deployment-79cd77b9d6-v7dzz   10.244.1.106
sample-deployment-79cd77b9d6-z6jt5   10.244.1.107

 

아래 매니페스트를 이용하여 ClusterIP 타입의 Service 를 기동하자

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: sample-clusterip
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
    - name: "http-port"
      protocol: "TCP"
      port: 8080
      targetPort: 80
  selector:
    app: sample-app

 

아래 커맨드를 이용하여 생성한 서비스 정보를 확인해보면, IP 값이 해당 서비스의 IP 이고, Port 가 해당 서비스의 port 이다. Endpoints 에 명시된 IP:Port 들이 해당 서비스를 통해서 로드밸런싱 되는 대상 Pod 들의 주소값이다. 위에서 조회했던 Pod 의 IP:Port 와 동일함을 알 수 있다. selector 조건이 일치하는 Pod 의 주소를 자동으로 가져온 것이다. 본 서비스는 ClusterIP 타입이므로, 서비스의 엔드포인트가 되는 IP는 클러스터 내부에서만 접근 가능한 가상 IP임에 유의하자.

$ kubectl describe service sample-clusterip
Name:                     sample-clusterip
Namespace:                default
Labels:                   <none>
Annotations:              <none>
Selector:                 app=sample-app
Type:                     ClusterIP
IP Family Policy:         SingleStack
IP Families:              IPv4
IP:                       10.96.236.220
IPs:                      10.96.236.220
Port:                     http-port  8080/TCP
TargetPort:               80/TCP
Endpoints:                10.244.1.106:80,10.244.2.111:80,10.244.1.107:80
Session Affinity:         None
Internal Traffic Policy:  Cluster
Events:                   <none>

 

파드가 삭제된 후 다시 동일한 label 을 가진 파드가 기동되었을 때 서비스가 해당 파드들을 자동으로 인식하는지 알아보기 위해 아래 커맨드를 실행해보자

# 디플로이먼트를 삭제하여 파드를 모두 삭제한다.
$ kubectl delete -f sample-deployment.yaml

# 서비스의 Endpoints 를 확인하면, 비어진 상태가 됨을 알 수 있다.
$ kubectl describe service sample-clusterip
Name:                     sample-clusterip
Namespace:                default
Labels:                   <none>
Annotations:              <none>
Selector:                 app=sample-app
Type:                     ClusterIP
IP Family Policy:         SingleStack
IP Families:              IPv4
IP:                       10.96.236.220
IPs:                      10.96.236.220
Port:                     http-port  8080/TCP
TargetPort:               80/TCP
Endpoints:
Session Affinity:         None
Internal Traffic Policy:  Cluster
Events:                   <none>

# 다시 디플로이먼트를 기동하여 다른 IP를 가진 파드를 생성한다.
$ kubectl apply -f sample-deployment.yaml
deployment.apps/sample-deployment created

# 아까와는 다른 IP를 가진 파드들이 생성되었음을 확인한다.
$ kubectl get pods -l app=sample-app -o custom-columns="NAME:{metadata.name},IP:{status.podIP}"
NAME                                 IP
sample-deployment-75c768d5fb-4pngm   10.244.1.108
sample-deployment-75c768d5fb-pl4nz   10.244.2.113
sample-deployment-75c768d5fb-qwbjr   10.244.2.114

# 새로운 파드들의 IP를 Endpoints 로 가지고 있음을 확인한다.
$ kubectl describe service sample-clusterip
Name:                     sample-clusterip
Namespace:                default
Labels:                   <none>
Annotations:              <none>
Selector:                 app=sample-app
Type:                     ClusterIP
IP Family Policy:         SingleStack
IP Families:              IPv4
IP:                       10.96.236.220
IPs:                      10.96.236.220
Port:                     http-port  8080/TCP
TargetPort:               80/TCP
Endpoints:                10.244.1.108:80,10.244.2.113:80,10.244.2.114:80
Session Affinity:         None
Internal Traffic Policy:  Cluster
Events:                   <none>

 

이제 아래 커맨드를 이용해서 실제로 여러 파드로 균일하게 트래픽이 로드밸런싱 되는지 확인하자. ClusterIP 는 클러스터 내부에서만 접근이 가능한 가상 IP 를 사용하기 때문에 클러스터 내부에 호출용 파드를 하나 기동하고, 그 내부의 컨테이너에서 ClusterIP 로 요청을 보낸다. echo-nginx 컨테이너는 호출된 파드의 호스트명을 포함한 응답을 반환하므로 쉽게 확인할 수 있다.

$ kubectl run --image=amsy810/tools:v2.0 --restart=Never --rm -i testpod --command -- curl -s http://10.96.236.220:8080
Host=10.96.236.220  Path=/  From=sample-deployment-75c768d5fb-4pngm  ClientIP=10.244.1.118  XFF=
pod "testpod" deleted
$ kubectl run --image=amsy810/tools:v2.0 --restart=Never --rm -i testpod --command -- curl -s http://10.96.236.220:8080
Host=10.96.236.220  Path=/  From=sample-deployment-75c768d5fb-pl4nz  ClientIP=10.244.1.119  XFF=
pod "testpod" deleted
$ kubectl run --image=amsy810/tools:v2.0 --restart=Never --rm -i testpod --command -- curl -s http://10.96.236.220:8080
Host=10.96.236.220  Path=/  From=sample-deployment-75c768d5fb-pl4nz  ClientIP=10.244.1.120  XFF=
pod "testpod" deleted
$ kubectl run --image=amsy810/tools:v2.0 --restart=Never --rm -i testpod --command -- curl -s http://10.96.236.220:8080
Host=10.96.236.220  Path=/  From=sample-deployment-75c768d5fb-4pngm  ClientIP=10.244.1.121  XFF=
pod "testpod" deleted
$ kubectl run --image=amsy810/tools:v2.0 --restart=Never --rm -i testpod --command -- curl -s http://10.96.236.220:8080
Host=10.96.236.220  Path=/  From=sample-deployment-75c768d5fb-pl4nz  ClientIP=10.244.1.122  XFF=
pod "testpod" deleted
$ kubectl run --image=amsy810/tools:v2.0 --restart=Never --rm -i testpod --command -- curl -s http://10.96.236.220:8080
Host=10.96.236.220  Path=/  From=sample-deployment-75c768d5fb-qwbjr  ClientIP=10.244.1.124  XFF=
pod "testpod" deleted