CNI plugin là gì? Cơ chế hoạt động và các mô hình mạng phổ biến trong Kubernetes

Tính đến năm 2026, có tới 82% người dùng container trên toàn cầu đang vận hành Kubernetes trong các môi trường production thực tế. Khi quy mô cluster ngày càng mở rộng, bài toán kết nối Pod, cấp địa chỉ IP và kiểm soát lưu lượng mạng trở thành yếu tố quan trọng để hệ thống hoạt động ổn định. Cùng Viettel IDC tìm hiểu CNI plugin là gì  và đâu là giải pháp phù hợp cho từng mô hình triển khai.

CNI plugin là gì?

Container Network Interface (CNI) hay Giao diện mạng Container là một framework tiêu chuẩn dùng để cấu hình giao diện mạng cho các container Linux. CNI quy định cách các container runtime như containerd hoặc CRI-O gọi plugin mạng để kết nối Pod vào mạng, cấp địa chỉ IP và thiết lập định tuyến.

Tại sao nên sử dụng CNI plugin?

CNI plugin giúp Kubernetes triển khai mạng cho Pod theo một cơ chế thống nhất, linh hoạt và dễ mở rộng. Thay vì tích hợp cố định một giải pháp mạng vào hệ thống, Kubernetes có thể sử dụng nhiều plugin khác nhau để đáp ứng yêu cầu về hiệu suất, bảo mật và kiến trúc hạ tầng.

- Tự động cấu hình mạng cho Pod: CNI plugin tạo giao diện mạng, cấp địa chỉ IP và thiết lập route mỗi khi Pod được khởi tạo.

- Đảm bảo kết nối giữa các Pod: Plugin hỗ trợ Pod giao tiếp với nhau trên cùng Node, khác Node, với Service và các hệ thống bên ngoài cluster.

- Linh hoạt trong lựa chọn giải pháp mạng: Doanh nghiệp có thể chọn Calico, Flannel, Cilium hoặc CNI của nhà cung cấp cloud tùy theo nhu cầu triển khai.

- Hỗ trợ mở rộng hệ thống: CNI plugin giúp quản lý mạng hiệu quả khi số lượng Pod và Node trong cluster tăng lên.

- Tăng cường bảo mật mạng: Một số plugin hỗ trợ NetworkPolicy, mã hóa lưu lượng và kiểm soát kết nối giữa các workload.

- Tối ưu hiệu suất truyền dữ liệu: Các mô hình routing, overlay hoặc eBPF cho phép lựa chọn phương thức xử lý lưu lượng phù hợp với từng hệ thống.

- Đơn giản hóa quản trị: CNI tạo ra một tiêu chuẩn chung, giúp container runtime và plugin mạng phối hợp mà không cần thay đổi thành phần cốt lõi của Kubernetes.

Cơ chế hoạt động của Kubernetes CNI plugin là gì?

Kubernetes CNI plugin hoạt động bằng cách phối hợp với kubelet và container runtime để cấu hình mạng mỗi khi một Pod được tạo hoặc xóa. CNI không trực tiếp quản lý mạng mà cung cấp bộ quy tắc chung để các plugin thực hiện cấp IP, tạo giao diện mạng và thiết lập đường truyền cho Pod.

Các thành phần chính trong kiến trúc CNI

Kiến trúc CNI gồm bốn thành phần chính: Kubelet, Container Runtime, CNI Plugin và IPAM. Các thành phần này phối hợp với nhau để tạo giao diện mạng, cấp địa chỉ IP, thiết lập định tuyến và thu hồi tài nguyên mạng cho Pod trong Kubernetes.

- Kubelet: Tiếp nhận thông tin Pod được phân bổ đến Node và yêu cầu container runtime tạo Pod sandbox. Kubelet không trực tiếp gọi CNI plugin mà kích hoạt quá trình cấu hình mạng thông qua container runtime.

- Container Runtime: Các runtime như containerd hoặc CRI-O chịu trách nhiệm quản lý vòng đời của container và Pod sandbox. Khi Pod được tạo, kiểm tra hoặc xóa, runtime gọi CNI plugin bằng các lệnh ADD, CHECK hoặc DEL.

- CNI Plugin: Là chương trình trực tiếp cấu hình mạng cho Pod. Plugin tạo giao diện mạng, đưa giao diện vào network namespace, đồng thời thiết lập bridge, route hoặc mạng overlay. Một số CNI plugin phổ biến gồm Calico, Cilium và Flannel.

- IPAM: Chịu trách nhiệm cấp phát, quản lý và thu hồi địa chỉ IP cho Pod. IPAM có thể cấp IP từ dải mạng cục bộ bằng host-local hoặc nhận địa chỉ từ dịch vụ bên ngoài như DHCP.

Tại sao cần nhiều Kubernetes network plugin khác nhau?

CNI hỗ trợ nhiều plugin và đã được triển khai trong các nền tảng điều phối container lớn như Kubernetes. Mỗi plugin đảm nhận một hoặc nhiều chức năng mạng container khác nhau và phải tuân thủ các tiêu chuẩn được định nghĩa trong đặc tả CNI.

CNI cung cấp đặc tả cho nhiều loại plugin bởi mạng container là một lĩnh vực phức tạp, trong khi nhu cầu của mỗi người dùng và từng hệ thống không giống nhau. Vì vậy, lựa chọn plugin phù hợp với dự án và trường hợp sử dụng là yếu tố rất quan trọng.

CNI sử dụng những mô hình mạng nào?

Trong Kubernetes, CNI có thể triển khai mạng Pod theo bốn hướng chính: mạng đóng gói, mạng không đóng gói, mạng dựa trên eBPF và mạng tích hợp trực tiếp với hạ tầng cloud. Mỗi mô hình sử dụng một cơ chế xử lý lưu lượng riêng, tạo ra sự khác biệt về hiệu suất, khả năng mở rộng và mức độ phức tạp khi vận hành.

Mạng đóng gói (Encapsulated Network)

Mạng đóng gói tạo một lớp mạng Layer 2 logic trên hạ tầng Layer 3 hiện có, qua đó kết nối các Pod nằm trên nhiều Kubernetes Node. Khi dữ liệu được truyền đi, lớp overlay bổ sung một header mới vào gói tin gốc rồi vận chuyển lưu lượng thông qua các đường hầm như VXLAN hoặc IP-in-IP.

Nhờ cơ chế này, các Pod có thể giao tiếp như đang nằm trong cùng một mạng Layer 2 dù thực tế được phân bổ trên nhiều Node khác nhau. Tuy nhiên, quá trình đóng gói và tháo gói làm phát sinh thêm overhead, có thể tăng mức sử dụng CPU và giảm dung lượng payload thực tế.

Mạng đóng gói tương đối dễ triển khai, ít phụ thuộc vào cấu hình mạng vật lý và phù hợp với các cluster hoạt động trên nhiều loại hạ tầng. Flannel, Weave Net và Canal là những giải pháp thường áp dụng mô hình này.

Mạng không đóng gói (Unencapsulated Network)

Mạng không đóng gói sử dụng định tuyến Layer 3 để chuyển trực tiếp gói tin giữa các Pod mà không tạo thêm lớp overlay. Thông tin về đường đi đến từng dải IP của Pod được phân phối giữa các Node, thường thông qua giao thức định tuyến BGP.

Do không phải đóng gói lại dữ liệu, mô hình này thường có độ trễ thấp và tận dụng hiệu quả hơn năng lực của hạ tầng mạng bên dưới. Đổi lại, các Kubernetes Node hoặc hệ thống mạng vật lý phải quản lý và cập nhật đầy đủ bảng định tuyến.

Mô hình này phù hợp với trung tâm dữ liệu, hệ thống on-premises hoặc cluster yêu cầu hiệu suất truyền tải cao. Calico là một Kubernetes CNI plugin tiêu biểu hỗ trợ cả BGP và định tuyến Layer 3.

Mô hình mạng dựa trên eBPF

eBPF là công nghệ thuộc Linux kernel, cho phép các chương trình được thực thi khi xuất hiện sự kiện như gói tin mạng, system call hoặc tracepoint mà không cần chỉnh sửa mã nguồn kernel. Trong mạng container, eBPF có thể kiểm tra, lọc, chuyển tiếp và áp dụng chính sách đối với lưu lượng ngay bên trong kernel space.

So với phương thức xử lý truyền thống dựa trên iptables hoặc IPVS, eBPF giúp rút ngắn đường đi của gói tin, từ đó giảm độ trễ và tối ưu mức sử dụng tài nguyên. Công nghệ này cũng hỗ trợ thực thi NetworkPolicy chi tiết, quản lý NAT, cân bằng tải và quan sát luồng giao tiếp giữa Pod với Service.

Nhờ hiệu suất cao và khả năng lập trình linh hoạt, eBPF phù hợp với cluster quy mô lớn, kiến trúc microservices hoặc môi trường cần giám sát lưu lượng theo thời gian thực. Cilium là một trong những CNI phổ biến sử dụng eBPF làm data plane.

CNI của nhà cung cấp cloud và nền tảng Kubernetes được quản lý

Các nhà cung cấp cloud thường phát triển CNI riêng nhằm kết nối Pod trực tiếp với hạ tầng mạng gốc của nền tảng. Thông qua cơ chế này, giao diện mạng Container có thể sử dụng địa chỉ IP thuộc mạng cloud, đồng thời tích hợp với firewall, bảng định tuyến, công cụ giám sát và chính sách bảo mật sẵn có.

Một số giải pháp phổ biến gồm:

- Amazon VPC CNI: Cấp địa chỉ IP từ VPC subnet cho từng Pod, giúp Pod giao tiếp trực tiếp với các tài nguyên AWS mà không cần đi qua NAT.

- Azure CNI: Cấp IP cho Pod từ Azure Virtual Network, đồng thời tích hợp với Network Security Group và User-Defined Route.

- Google Kubernetes Engine: Sử dụng mô hình VPC-native để cấp địa chỉ IP riêng cho Pod và kết nối với Google Cloud Firewall cùng hệ thống định tuyến của nền tảng.

Những giải pháp trên đều tuân theo tiêu chuẩn Container Network Interface nhưng được tối ưu cho kiến trúc của từng nhà cung cấp. Ưu điểm nổi bật là khả năng tích hợp sâu, độ trễ thấp và quản lý tập trung; hạn chế chủ yếu nằm ở số lượng địa chỉ IP khả dụng và mức độ phụ thuộc vào nền tảng cloud.

Kết luận

Qua bài viết, có thể thấy CNI đóng vai trò nền tảng trong quá trình thiết lập kết nối, cấp địa chỉ IP và định tuyến lưu lượng cho Pod trong Kubernetes. Tùy theo yêu cầu về hiệu suất, bảo mật và hạ tầng, bạn có thể lựa chọn mô hình mạng overlay, định tuyến trực tiếp, eBPF hoặc CNI tích hợp với nền tảng cloud.

Để đơn giản hóa quá trình triển khai và vận hành Kubernetes, doanh nghiệp có thể tham khảo Viettel Dedicated Kubernetes Service (vDKS) của Viettel IDC. Đây là dịch vụ Kubernetes chuyên dụng ở lớp nền tảng PaaS, cung cấp môi trường triển khai container đồng bộ, hỗ trợ quản lý cluster, mở rộng tài nguyên và vận hành workload trên hạ tầng cloud của Viettel IDC. Giải pháp phù hợp với các tổ chức muốn khai thác Kubernetes nhưng không muốn tự xây dựng và duy trì toàn bộ hệ thống hạ tầng phức tạp.

Thông tin chi tiết: https://viettelidc.com.vn/viettel-kubernetes-service