使用flannel+canal实现k8s的NetworkPolicy

1、NetworkPolicy概述
2、NetworkPolicy策略模型
3、NetworkPolicy默认策略
4、NetworkPolicy的实现
5、使用flannel+canal实现k8s的NetworkPolicy

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，networkPolicy是namespace 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Ingress和Egress，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，TCP或UDP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。

对官方示例的说明：

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 namespace下label包含role=db的pod，都会被隔绝，他们只能建立满足networkPolicy的ingress和egress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pod的6379端口建立tcp连接。

3、所有包含label：project=myproject的namespace中的pod可以与上述pod的6379端口建立tcp连接；

4、所有default namespace下的label包含role=frontend的pod可以与上述pod的6379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ip的5978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flannel、weave、kube-router等，适合公有云的方案则有calico等。不同的网络实现原理vethpair、bridge、macvlan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Calico和Flannel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。

在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10.244.0.0/16 为Pod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