📘 Day 10：网络策略与 CNI 原理

🎯 今日目标

  • 理解 Calico CNI 的基本原理
  • 能创建 NetworkPolicy 实现 Pod 间访问控制
  • 掌握 namespaceSelector 和 podSelector
  • 能配置 ingress 和 egress 规则
  • 能通过 NetworkPolicy 实现零信任网络

🧠 理论精讲（30 分钟）

CNI 工作流程

1. kubelet 创建 Pod → 
2. 调用 CNI 插件 → 
3. CNI 分配 IP、创建 veth pair →
4. 配置路由规则 →
5. Pod 获得网络

Calico 数据路径

Pod-A (veth) ←→ Host-A (cali-xxx) ←→ BGP/IPIP ←→ Host-B (cali-yyy) ←→ Pod-B (veth)

NetworkPolicy 核心概念

# 默认规则：所有流量允许（无 NetworkPolicy 时）
# 一旦创建 NetworkPolicy，默认拒绝所有未明确允许的流量

spec:
  podSelector: {}        # 选择受影响的 Pod
  policyTypes:           # 规则方向
  - Ingress
  - Egress
  ingress: [...]         # 入站规则
  egress: [...]          # 出站规则

选择器组合

选择器作用域
podSelector选 Pod
namespaceSelector选命名空间
ipBlock选 IP CIDR

🔧 动手实操（120 分钟）

练习 10.1：Deny-All 策略

# 1. 创建测试命名空间和 Pod
kubectl create ns netpol-test

kubectl run web --image=nginx:alpine -n netpol-test --port=80
kubectl expose pod web -n netpol-test --port=80

kubectl run client --image=busybox:1.36 -n netpol-test -- sleep 3600

# 2. 验证默认情况下可访问
kubectl exec client -n netpol-test -- wget -q -O- http://web.netpol-test
# 正常返回

# 3. 创建 Deny-All 策略
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-all
  namespace: netpol-test
spec:
  podSelector: {}        # 选择所有 Pod
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress
  # 空的 ingress/egress = 不允许任何流量
EOF

# 4. 再次尝试访问
kubectl exec client -n netpol-test -- wget -q -O- http://web.netpol-test --timeout=5
# 超时！被 NetworkPolicy 阻止

# 5. 清理
kubectl delete networkpolicy deny-all -n netpol-test

练习 10.2：精确允许 Ingress

# 1. 只允许特定标签的 Pod 访问 web
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-web-access
  namespace: netpol-test
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      run: web              # 应用到 web Pod
  policyTypes:
  - Ingress
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          role: frontend    # 只允许有 role=frontend 的 Pod
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
EOF

# 2. client 没有 role=frontend 标签，应被拒绝
kubectl exec client -n netpol-test -- wget -q -O- http://web.netpol-test --timeout=5
# 超时

# 3. 给 client 打上标签
kubectl label pod client -n netpol-test role=frontend

# 4. 再次访问，应成功
kubectl exec client -n netpol-test -- wget -q -O- http://web.netpol-test
# 正常返回

# 5. 清理
kubectl delete networkpolicy allow-web-access -n netpol-test
kubectl label pod client -n netpol-test role-

练习 10.3：namespaceSelector 跨命名空间控制

# 1. 创建第二个命名空间
kubectl create ns netpol-external

# 2. 在 external 命名空间创建 Pod
kubectl run ext-client --image=busybox:1.36 -n netpol-external -- sleep 3600
kubectl label ns netpol-external env=trusted

# 3. 创建允许来自 trusted 命名空间的策略
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-trusted-ns
  namespace: netpol-test
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      run: web
  policyTypes:
  - Ingress
  ingress:
  - from:
    - namespaceSelector:
        matchLabels:
          env: trusted         # 允许 env=trusted 的命名空间
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
EOF

# 4. 测试从不同命名空间访问
kubectl exec ext-client -n netpol-external -- \
  wget -q -O- http://web.netpol-test.netpol-test.svc.cluster.local --timeout=5
# 正常返回

kubectl exec client -n netpol-test -- \
  wget -q -O- http://web --timeout=5
# 超时（test 命名空间内默认 Pod 被拒绝）

# 5. 清理
kubectl delete networkpolicy allow-trusted-ns -n netpol-test
kubectl label ns netpol-external env-

练习 10.4：Egress 出站控制

# 1. 限制 Pod 只能访问特定外部地址
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: restrict-egress
  namespace: netpol-test
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      run: client
  policyTypes:
  - Egress
  egress:
  - to:
    - podSelector:
        matchLabels:
          run: web           # 允许访问 web
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
  - to:                      # 还允许 DNS
    - namespaceSelector: {}
      podSelector:
        matchLabels:
          k8s-app: kube-dns
    ports:
    - protocol: UDP
      port: 53
EOF

# 2. 测试访问 web（应允许）
kubectl exec client -n netpol-test -- wget -q -O- http://web --timeout=5
# 正常返回

# 3. 测试访问外部（应被拒绝）
kubectl exec client -n netpol-test -- wget -q -O- http://www.baidu.com --timeout=5
# 超时

# 4. 清理
kubectl delete networkpolicy restrict-egress -n netpol-test

练习 10.5：ipBlock 白名单

# 允许来自特定 IP 段的访问
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-ipblock
  namespace: netpol-test
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      run: web
  policyTypes:
  - Ingress
  ingress:
  - from:
    - ipBlock:
        cidr: 10.244.0.0/16     # Pod 网络
    - ipBlock:
        cidr: 10.0.0.0/8        # 节点网络
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
EOF

kubectl get networkpolicy allow-ipblock -n netpol-test -o yaml

🐛 排错练习（30 分钟）

场景：NetworkPolicy 导致服务不可用

# 问题：创建 NetworkPolicy 后某些服务突然不可用

# 排查步骤：
# 1. 列出所有 NetworkPolicy
kubectl get networkpolicy --all-namespaces

# 2. 查看具体策略规则
kubectl describe networkpolicy <name> -n <ns>

# 3. 检查是否缺少必需的规则
# - CoreDNS 访问（UDP 53）
# - api-server 访问
# - 健康检查端点

# 4. 临时删除策略验证
kubectl delete networkpolicy <name> -n <ns>

# 5. 恢复后确认问题根源，补充遗漏规则

🏆 赛题模拟（40 分钟）

⚠️ 严格限时 40 分钟

题目：零信任网络策略

【初始环境】
- 命名空间 secure-app 中存在以下 Pod：
  - db（标签 app=db，端口 5432）
  - api（标签 app=api，端口 8080）
  - web（标签 app=web，端口 80）

【操作要求】

1. 创建 Deny-All 默认策略（拒绝所有入站和出站流量）

2. 放行规则：
   a. web → api:8080（前端调用 API）
   b. api → db:5432（API 调用数据库）
   c. 所有 Pod → CoreDNS（UDP 53，kube-system 命名空间）
   d. web 允许来自 Ingress Controller 命名空间的入站（标签 app=ingress-nginx）

3. 验证：
   - web 可以访问 api:8080 ✅
   - api 可以访问 db:5432 ✅
   - web 无法直接访问 db:5432 ❌（应被拒绝）
   - api 无法访问外部网络 ❌（应被拒绝）

【评分标准】
- Deny-All 策略正确（15 分）
- web→api 规则正确（20 分）
- api→db 规则正确（20 分）
- DNS 放行规则正确（20 分）
- Ingress Controller 入站规则正确（15 分）
- 隔离验证通过（10 分）

🧹 环境清理

kubectl delete ns netpol-test netpol-external

📋 命令速查

命令功能注解
kubectl get networkpolicy列出所有 NetworkPolicyshort name: netpol
kubectl get networkpolicy -o yaml查看 NetworkPolicy 详细规则查看 podSelector、ingress/egress 规则、policyTypes
kubectl describe networkpolicy <name>NetworkPolicy 详情包含规则匹配的 Pod 和流向
kubectl get pods -n kube-system -l k8s-app=calico-node查看 Calico node PodCalico 在每个节点运行一个 agent
kubectl -n kube-system logs -l k8s-app=calico-node --tail=50查看 Calico 日志NetworkPolicy 不生效时首要排查
calicoctl get ippool -o wide查看 IP 地址池确认 Pod CIDR 与 kubeadm init 一致
calicoctl get felixconfiguration查看 Calico Felix 配置Felix 是每个节点的策略执行引擎
calicoctl get networkpolicy查看 Calico 层面的网络策略比 kubectl get netpol 更底层
kubectl run test --image=busybox --rm -it --labels="app=test" -- wget -O- --timeout=3 http://<svc>携带标签测试连通性NetworkPolicy 基于标签匹配，运行测试 Pod 时需带正确的 labels
kubectl exec <pod> -- nc -zv <target-ip> <port>测试 TCP 端口通断比 curl/wget 更底层的连通性测试
kubectl get nodes -o wide | awk '{print $6}'提取所有节点 CIDRCalico IPAM 基于节点 CIDR 分配 Pod IP
kubectl exec <pod> -- ip route查看 Pod 内路由表理解 Pod 出站流量路径

📚 参考来源

来源链接 / 说明
Kubernetes 官方：NetworkPolicyhttps://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/network-policies/
Kubernetes 官方：声明 Network Policyhttps://kubernetes.io/docs/tasks/administer-cluster/declare-network-policy/
Calico 官方文档https://docs.tigera.io/calico/latest/about/
Calico 网络策略指南https://docs.tigera.io/calico/latest/network-policy/
CNI 规范https://github.com/containernetworking/cni/blob/master/SPEC.md
Calico IPAM 原理https://docs.tigera.io/calico/latest/networking/ipam/