谈谈对K8S CNI、CRI和CSI插件的理解

K8S的设计初衷就是支持可插拔架构，解决PaaS平台不好用、不能用、需要定制化等问题，K8S集成了插件、附加组件、服务和接口来扩展平台的核心功能。附加组件被定义为与环境的其他部分无缝集成的组件，提供类似本机的特性，并扩展集群管理员可用的组件，扩展还可以用于添加自定义软硬件的支持；服务和接口提供了看似繁琐和冗余的设计（比如我们常见的PV、PVC、SC），实际上为开发人员提供了更多的可扩展性。在本文中，我们将更多地关注K8S提供三个特定功能的接口插件:运行时插件、存储插件和网络插件。更具体地说，我们将讨论容器网络接口(CNI)、容器运行时接口(CRI)和容器存储接口(CSI)如何扩展K8S的核心功能，以及它对定制服务的支持。

网络插件CNI

众所周知，CNI是一个类似于Docker0的网桥，那么K8S为什么没有直接在docker0的基础上实现overlay网络插件，而是重新抽象了CNI？

如下图所示，三层覆盖网络直接在docker0网桥的基础上进行数据转发，docker0和cni同样都是实现了网桥的功能。

而K8S在实现的时候偏偏把docker0换成了cni0，如下图所示。之所以如此，其主要原因是docker和K8S的网络模型的设计思路是完全不同的。

Docker容器只有在同一台机器上(也就是同一个虚拟网桥上)才能与其他容器进行通信。不同机器上的容器无法相互连接——事实上，对于其它服务器，它们最终可能拥有完全相同的网络范围和IP地址。

K8S网络模型要求所有容器都可以直接使用IP地址与其他容器通信，而无需使用NAT；所有宿主机都可以直接使用IP地址与所有容器通信，而无需使用NAT。反之亦然。容器自己的IP地址，和别人（宿主机或者容器）看到的地址是完全一样的。

另外，K8S在Pod范围内的所有容器共享同一个网络命名空间——包括它们的IP地址。这意味着同一个Pod内部的容器可以通过localhost直接通信，这一点通过docker0网桥是无法直接简单实现的。

因此，K8S提供了一个插件规范，称为容器网络接口(CNI)。只要满足K8S的基本需求，第三方厂商可以随意使用自己的网络栈，通过使用overlay网络来支持多子网或者一些个性化使用场景，所以出现很多优秀的CNI插件被添加到Kubernetes集群中。

Calico是许多集群管理员使用的一个流行插件，它使用标准的三层网络方案提供可伸缩的网络功能。它不仅支持AWS等公有云环境中的网络划分，而且能够跟私有云网络无缝集成。

Flannel是另一个利用三层网络结构的CNI插件。它直接使用K8S API并直接设置默认的VXLAN体系结构。与其他工具一起使用时，Flannel为用户提供了可扩展的支持，比如我们可以选择使用hostgw。

Canal在易用性和健壮性之间提供了很好的平衡。它基本上是一个随时可用的VXLAN网络解决方案，利用现有的CNI插件(如Calico)，包括自定义网络策略和策略隔离。Canal使构建网络架构的过程变得更容易。

我们在谈论CNI插件时不能不提到Weave Net，它提供的模式和我们目前为止讨论的所有网络方案都不同。Weave在集群中的每个节点之间创建网状Overlay网络，参与者之间可以灵活路由。这一特性再结合其他一些独特的功能，在不同的云网络配置中整合覆盖网络，使网络更加通用。对于那些寻求功能丰富的网络、同时希望不要增加大量复杂性或管理难度的人来说，Weave是一个很好的选择。它设置起来相对容易，提供了许多内置和自动配置的功能，并且可以在其他解决方案可能出现故障的场景下提供智能路由。例如，它可以在K8S不同服务之间提供通信加解密服务。

CNI插件并不是Kubernetes唯一可用的网络插件。虽然CNI插件被设计成与Kubernetes作为一个平台无缝集成的接口，并以一种更开放的方式提供功能，但你仍然可以选择使用Kubernetes插件通过基本的cbr0实现与CNI插件一起工作。

容器运行时CRI

初期，K8S并没有实现CRI功能，docker运行时代码跟kubelet代码耦合在一起，再加上后期其它容器运行时的加入给kubelet的维护人员带来了巨大负担。解决方式也很简单，把kubelet对容器的调用之间再抽象出一层接口即可，这就是CRI。CRI接口设计的一个重要原则是只关注接口本身，而不关心具体实现，kubelet就只需要跟这个接口打交道。而作为具体的容器项目，比如Docker、rkt、containerd、kata container它们就只需要自己提供一个该接口的实现，然后对kubelet暴露出gRPC服务即可。简单来说，CRI主要作用就是实现了kubelet和容器运行时之间的解耦。

容器运行时位于每个K8S运行环境中。它是K8S的核心组件，负责获取硬件资源信息、镜像拉取、容器运行和停止，并确保容器接收到它们最佳运行所需的资源。然而，容器运行时自身并不受限制。

容器运行时接口或CRI插件在这里允许新的容器API被充分利用。使用正确的插件可以使Docker等运行时更加灵活。当然，CRI插件提供了一个主要的好处:它们允许您使用不同的容器运行时，而无需重新编译。

仔细观察，CRI插件提供了三个主要功能，第一个是前面提到的对更换容器运行时的支持。这意味着您可以在任何阶段和任何原因更改Kubernetes环境使用的运行时。如果您发现一个运行时比另一个运行时更有效率，通过CRI，更换就变得容易，很多组织就把Docker运行时换成了相对更高效的containerd。

CRI集成了gRPC协议并对外提供API，所以你可以在你的环境的一部分使用像Dart和Go这样的语言，在另一部分使用Python或Java。RPC框架被设计为在任何环境或网络体系结构之上运行。特别是gRPC API，它简化了服务定义，并且可以很容易地扩展为无数个rpc接口。

最流行的CNI插件是CRI-O，一个容器运行时，以其不可思议的轻便和敏捷而闻名。它可以与Kubic(它被配置为可以开箱运行CRI-O)以及Minikube和Kubeadm一起工作。它完全集成了Open Container Initiative (OCI)，消除了对Docker的依赖;您可以运行Kata容器或使用任何OCI容器镜像启动容器。

存储接口CSI

其实K8S在没有提供CSI接口之前就已经提供了强大的数据卷插件系统，但是这些插件系统实现是K8S核心代码的一部分，并随K8S核心二进制文件一起发布。如果第三方存储厂商发现一些问题，即使修复后不得不跟K8S一起发布；另外第三方厂商的代码跟K8S核心代码存储在一起引起了安全性、可靠性以及后期维护成本。K8S将存储体系抽象出了外部存储组件接口，也就是CSI，通过grpc接口对外提供服务。第三方存储厂商可以发布和部署公开的存储插件，而无需接触K8S核心代码。同时为K8S用户提供了更多的存储选项，这不正是衡量开源项目质量的重要标准吗？