k8s service服务发现详解：ipvs代理模式、服务类型

绝地灬酷狼 2023-10-05 19:09 26阅读 0赞

## 目录 ##

*  k8s服务发现Service
    
     *  [理解][Link 1]
     *  Service的实现模型
        
         *  [userspace代理模式][userspace]
         *  [iptables代理模式][iptables]
         *  [ipvs代理模式][ipvs]
     *  Service定义
        
         *  [Service配置清单重要字段][Service]
         *  [创建ClusterIP类型Service][ClusterIP_Service]
         *  [创建NodePort类型Service][NodePort_Service]
         *  [Pod的会话保持][Pod]
     *  Headless无头Service
        
         *  [参考资料][Link 2]

## Kubernetes之（十）服务发现Service ##

### 理解 ###

Service是对一组提供相同功能的Pods的抽象，并为它们提供一个统一的入口。借助Service，应用可以方便的实现服务发现与负载均衡，并实现应用的零宕机升级。Service通过标签来选取服务后端，一般配合Replication Controller或者Deployment来保证后端容器的正常运行。这些匹配标签的Pod IP和端口列表组成endpoints，由kubeproxy负责将服务IP负载均衡到这些endpoints上。  
Service有四种类型：

*  ClusterIP：默认类型，自动分配一个仅cluster内部可以访问的虚拟IP
 *  NodePort：在ClusterIP基础上为Service在每台机器上绑定一个端口，这样就可以通过 :NodePort 来访问该服务
 *  LoadBalancer：在NodePort的基础上，借助cloud provider创建一个外部的负载均衡器，并将请求转发到 :NodePort
 *  ExternalName：将服务通过DNS CNAME记录方式转发到指定的域名（通过 spec.externlName 设定） 。需要kube-dns版本在1.7以上。

另外，也可以将已有的服务以Service的形式加入到Kubernetes集群中来，只需要在创建  
Service的时候不指定Label selector，而是在Service创建好后手动为其添加endpoint。

### Service的实现模型 ###

在 Kubernetes 集群中，每个 Node 运行一个 kube-proxy 进程。kube-proxy 负责为 Service 实现了一种 VIP（虚拟 IP）的形式，而不是 ExternalName 的形式。 在 Kubernetes v1.0 版本，代理完全在 userspace。在 Kubernetes v1.1 版本，新增了 iptables 代理，但并不是默认的运行模式。 从 Kubernetes v1.2 起，默认就是 iptables 代理。在Kubernetes v1.8.0-beta.0中，添加了ipvs代理。在 Kubernetes v1.0 版本，Service 是 “4层”（TCP/UDP over IP）概念。 在 Kubernetes v1.1 版本，新增了 Ingress API（beta 版），用来表示 “7层”（HTTP）服务。  
kube-proxy 这个组件始终监视着apiserver中有关service的变动信息，获取任何一个与service资源相关的变动状态，通过watch监视，一旦有service资源相关的变动和创建，kube-proxy都要转换为当前节点上的能够实现资源调度规则（例如：iptables、ipvs）。

#### userspace代理模式 ####

当客户端Pod请求内核空间的service iptables后，把请求转到给用户空间监听的kube-proxy 的端口，由kube-proxy来处理后，再由kube-proxy将请求转给内核空间的 service ip，再由service iptalbes根据请求转给各节点中的的service pod。  
这个模式有很大的问题，由客户端请求先进入内核空间的，又进去用户空间访问kube-proxy，由kube-proxy封装完成后再进去内核空间的iptables，再根据iptables的规则分发给各节点的用户空间的pod。这样流量从用户空间进出内核带来的性能损耗是不可接受的。在Kubernetes 1.1版本之前，userspace是默认的代理模型。  
\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-w8x639QH-1612426479772)(http://10.0.0.14:8181/uploads/kubetnetes/images/m\_4b007aa6eec83d58515d8f8d67bfe1f2\_r.png)\]

#### iptables代理模式 ####

客户端IP请求时，直接请求本地内核service ip，根据iptables的规则直接将请求转发到到各pod上，因为使用iptable NAT来完成转发，也存在不可忽视的性能损耗。另外，如果集群中存在上万的Service/Endpoint，那么Node上的iptables rules将会非常庞大，性能还会再打折扣。iptables代理模式由Kubernetes 1.1版本引入，自1.2版本开始成为默认类型。  
\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZElqJDJo-1612426479783)(http://10.0.0.14:8181/uploads/kubetnetes/images/m\_ec099b48ed77d624c4b7b1f32ea6efe8\_r.png)\]

#### ipvs代理模式 ####

Kubernetes自1.9-alpha版本引入了ipvs代理模式，自1.11版本开始成为默认设置。客户端IP请求时到达内核空间时，根据ipvs的规则直接分发到各pod上。kube-proxy会监视Kubernetes Service对象和Endpoints，调用netlink接口以相应地创建ipvs规则并定期与Kubernetes Service对象和Endpoints对象同步ipvs规则，以确保ipvs状态与期望一致。访问服务时，流量将被重定向到其中一个后端Pod。

与iptables类似，ipvs基于netfilter 的 hook 功能，但使用哈希表作为底层数据结构并在内核空间中工作。这意味着ipvs可以更快地重定向流量，并且在同步代理规则时具有更好的性能。此外，ipvs为负载均衡算法提供了更多选项，如，rr轮询，lc最小连接数，dh目标哈希，sh源哈希，sed最短期望延迟，nq不排队调度。  
**注意：** ipvs模式假定在运行kube-proxy之前在节点上都已经安装了IPVS内核模块。当kube-proxy以ipvs代理模式启动时，kube-proxy将验证节点上是否安装了IPVS模块，如果未安装，则kube-proxy将回退到iptables代理模式。  
\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-N2TuElAA-1612426479786)(http://10.0.0.14:8181/uploads/kubetnetes/images/m\_4e5825eac5d1c326f4499b50c6e6603d\_r.png)\]

当某个服务后端pod发生变化，标签选择器适应的pod有多一个，适应的信息会立即反映到apiserver上,而kube-proxy一定可以watch到etc中的信息变化，而将它立即转为ipvs或者iptables中的规则，这一切都是动态和实时的，删除一个pod也是同样的原理。  
\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NaKXgfPF-1612426479789)(http://10.0.0.14:8181/uploads/kubetnetes/images/m\_1479135c6b7b3ab8944da7f559b45247\_r.png)\]

### Service定义 ###

#### Service配置清单重要字段 ####

apiVersion:
    kind:
    metadata:
    spec:
    　　clusterIP: 可以自定义，也可以动态分配
    　　ports:（与后端容器端口关联）
    　　selector:（关联到哪些pod资源上）
    　　type：服务类型

**Service的服务类型**  
对一些应用（如 Frontend）的某些部分，可能希望通过外部（Kubernetes 集群外部）IP 地址暴露 Service。  
Kubernetes ServiceTypes 允许指定一个需要的类型的 Service，默认是 ClusterIP 类型。  
Type 的取值以及行为如下：

*  \*\*ClusterIP：\*\*通过集群的内部 IP 暴露服务，选择该值，服务只能够在集群内部可以访问，这也是默认的 ServiceType。
 *  \*\*NodePort：\*\*通过每个 Node 上的 IP 和静态端口（NodePort）暴露服务。NodePort 服务会路由到 ClusterIP 服务，这个 ClusterIP 服务会自动创建。通过请求 :，可以从集群的外部访问一个 NodePort 服务。
 *  \*\*LoadBalancer：\*\*使用云提供商的负载均衡器，可以向外部暴露服务。外部的负载均衡器可以路由到 NodePort 服务和 ClusterIP 服务。
 *  \*\*ExternalName：\*\*通过返回 CNAME 和它的值，可以将服务映射到 externalName 字段的内容（例如， foo.bar.example.com）。 没有任何类型代理被创建，这只有 Kubernetes 1.7 或更高版本的 kube-dns 才支持。

#### 创建ClusterIP类型Service ####

[root@master manifests]# vim redis-svc.yaml
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: redis
      namespace: default
    spec:
      selector:
        app: redis
        role: logstore
      clusterIP: 10.97.97.97
      type: ClusterIP
      ports:
      - port: 6379    #容器端口
        targetPort: 6379   #Pod端口

创建并查看svc:

[root@master manifests]# kubectl apply -f redis-svc.yaml 
    service/redis created
    [root@master manifests]# kubectl get svc
    NAME         TYPE        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
    kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1     <none>        443/TCP    4d22h
    redis        ClusterIP   10.97.97.97   <none>        6379/TCP   4s

查看redis服务详细信息

[root@master manifests]# kubectl describe svc redis
    Name:              redis
    Namespace:         default
    Labels:            <none>
    Annotations:       kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration:
                         {"apiVersion":"v1","kind":"Service","metadata":{"annotations":{},"name":"redis","namespace":"default"},"spec":{"clusterIP":"10.97.97.97","...
    Selector:          app=redis,role=logstore
    Type:              ClusterIP
    IP:                10.97.97.97  　#service ip
    Port:              <unset>  6379/TCP
    TargetPort:        6379/TCP
    Endpoints:         10.244.2.43:6379   #此处的ip+端口就是pod的ip+端口
    Session Affinity:  None
    Events:            <none>
    
    [root@master manifests]# kubectl get pods  -o wide
    NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
    filebeat-ds-h8rwk        1/1     Running   0          8m36s   10.244.1.39   node01   <none>           <none>
    filebeat-ds-kzhxw        1/1     Running   0          8m36s   10.244.2.44   node02   <none>           <none>
    readiness-httpget-pod    1/1     Running   0          2d21h   10.244.2.18   node02   <none>           <none>
    redis-76c85b5744-94djm   1/1     Running   0          8m36s   10.244.2.43   node02   <none>           <none>

**总结：**

*  service不会直接到pod，service是直接到endpoint资源，就是地址加端口，再由endpoint再关联到pod。
 *  service只要创建完，就会在dns中添加一个资源记录进行解析，添加完成即可进行解析。资源记录的格式为：SVC\_NAME.NS\_NAME.DOMAIN.LTD.
 *  默认的集群service 的A记录：svc.cluster.local.
 *  redis服务创建的A记录：redis.default.svc.cluster.local.

#### 创建NodePort类型Service ####

将myapp-deploy发布出去，并可以通过集群外部进行访问

[root@master manifests]# kubectl get pods --show-labels
    NAME                            READY   STATUS    RESTARTS   AGE     LABELS
    filebeat-ds-h8rwk               1/1     Running   0          12m     app=filebeat,controller-revision-hash=7f59445876,pod-template-generation=1,release=stable
    filebeat-ds-kzhxw               1/1     Running   0          12m     app=filebeat,controller-revision-hash=7f59445876,pod-template-generation=1,release=stable
    myapp-deploy-65df64765c-257gl   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
    myapp-deploy-65df64765c-hqmkd   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
    myapp-deploy-65df64765c-kvj92   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
    readiness-httpget-pod           1/1     Running   0          2d22h   <none>
    redis-76c85b5744-94djm          1/1     Running   0          12m     app=redis,pod-template-hash=76c85b5744,role=logstore
    
    #编辑yaml文件
    [root@master manifests]# vim myapp-svc.yaml
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: myapp
      namespace: default
    spec:
      selector:
        app: myapp
        release: canary
      clusterIP: 10.99.99.99
      type: NodePort
      ports:
      - port: 80
        targetPort: 80
        nodePort: 31111    #节点端口设置非常用端口

创建并查看svc

[root@master manifests]# kubectl apply -f myapp-svc.yaml 
    service/myapp created
    [root@master manifests]# kubectl get svc
    NAME         TYPE        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
    kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1     <none>        443/TCP        4d22h
    myapp        NodePort    10.99.99.99   <none>        80:31111/TCP   8s
    redis        ClusterIP   10.97.97.97   <none>        6379/TCP       10m

此时可以在集群外使用31111端口进行访问

[root@nfs ~]# while true;do curl http://10.0.0.11:31111/hostname.html;sleep 1;done
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-hqmkd
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-czwkg
    myapp-deploy-65df64765c-kvj92

\*\*总结：\*\*从以上例子，可以看到通过NodePort方式已经实现了从集群外部端口进行访问，访问链接如下：[http://10.0.0.10:31111][http_10.0.0.10_31111] 。实践中并不鼓励用户自定义使用节点的端口，因为容易和其他现存的Service冲突，建议留给系统自动配置。

#### Pod的会话保持 ####

Service资源还支持Session affinity（粘性会话）机制，可以将来自同一个客户端的请求始终转发至同一个后端的Pod对象，这意味着它会影响调度算法的流量分发功用，进而降低其负载均衡的效果。因此，当客户端访问Pod中的应用程序时，如果有基于客户端身份保存某些私有信息，并基于这些私有信息追踪用户的活动等一类的需求时，那么应该启用session affinity机制。

Service affinity的效果仅仅在一段时间内生效，默认值为10800秒，超出时长，客户端再次访问会重新调度。该机制仅能基于客户端IP地址识别客户端身份，它会将经由同一个NAT服务器进行原地址转换的所有客户端识别为同一个客户端，由此可知，其调度的效果并不理想。Service 资源 通过. spec. sessionAffinity 和. spec. sessionAffinityConfig 两个字段配置粘性会话。 spec. sessionAffinity 字段用于定义要使用的粘性会话的类型，它仅支持使用“ None” 和“ ClientIP” 两种属性值。如下：

[root@master ~]# kubectl explain svc.spec.sessionAffinity.
    KIND:     Service
    VERSION:  v1
    
    FIELD:    sessionAffinity <string>
    
    DESCRIPTION:
         Supports "ClientIP" and "None". Used to maintain session affinity. Enable
         client IP based session affinity. Must be ClientIP or None. Defaults to
         None. More info:
         https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/#virtual-ips-and-service-proxies

sessionAffinity支持ClientIP和None 两种方式，默认是None（随机调度） ClientIP是来自于同一个客户端的请求调度到同一个pod中:

[root@master manifests]# vim myapp-svc-clientip.yaml
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: myapp
      namespace: default
    spec:
      selector:
        app: myapp
        release: canary
      sessionAffinity: ClientIP
      type: NodePort
      ports:
      - port: 80
        targetPort: 80
        nodePort: 31111
    
    [root@master manifests]# kubectl apply -f myapp-svc-clientip.yaml
    service/myapp created
    
    [root@master manifests]# kubectl describe svc myapp
    Name:                     myapp
    Namespace:                default
    Labels:                   <none>
    Annotations:              kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration:
                                {"apiVersion":"v1","kind":"Service","metadata":{"annotations":{},"name":"myapp","namespace":"default"},"spec":{"ports":[{"nodePort":31111,...
    Selector:                 app=myapp,release=canary
    Type:                     NodePort
    IP:                       10.106.188.204
    Port:                     <unset>  80/TCP
    TargetPort:               80/TCP
    NodePort:                 <unset>  31111/TCP
    Endpoints:                10.244.1.40:80,10.244.1.41:80,10.244.2.45:80 + 1 more...
    Session Affinity:         ClientIP
    External Traffic Policy:  Cluster
    Events:                   <none>
    
    [root@nfs ~]# while true;do curl http://10.0.0.11:31111/hostname.html;sleep 1;done
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl
    myapp-deploy-65df64765c-257gl

也可以使用kubectl patch来动态修改

kubectl patch svc myapp -p '{"spec":{"sessionAffinity":"ClusterIP"}}'  #session保持，同一ip访问同一个pod
    kubectl patch svc myapp -p '{"spec":{"sessionAffinity":"None"}}'    #取消session

### Headless无头Service ###

有时不需要或不想要负载均衡，以及单独的Service IP。 遇到这种情况，可以通过指定 Cluster IP（spec.clusterIP）的值为 “None” 来创建 Headless Service。

这个选项允许开发人员自由寻找他们自己的方式，从而降低与 Kubernetes 系统的耦合性。 应用仍然可以使用一种自注册的模式和适配器，对其它需要发现机制的系统能够很容易地基于这个 API 来构建。

对这类 Service 并不会分配 Cluster IP，kube-proxy 不会处理它们，而且平台也不会为它们进行负载均衡和路由。 DNS 如何实现自动配置，依赖于 Service 是否定义了 selector

[root@master manifests]# vim myapp-svc-headless.yaml
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: myapp-headless
      namespace: default
    spec:
      selector:
        app: myapp
        release: canary
      clusterIP: "None"
      ports:
      - port: 80
        targetPort: 80

部署并查看

[root@master manifests]#  kubectl apply -f myapp-svc-headless.yaml 
    service/myapp-headless created
    [root@master manifests]# kubectl get svc
    NAME             TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
    kubernetes       ClusterIP   10.96.0.1        <none>        443/TCP        4d23h
    myapp            NodePort    10.106.188.204   <none>        80:31111/TCP   10m
    myapp-headless   ClusterIP   None             <none>        80/TCP         2s
    redis            ClusterIP   10.97.97.97      <none>        6379/TCP       68m

使用coredns进行解析验证

[root@master manifests]# dig -t A myapp-svc.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10
    
    ; <<>> DiG 9.9.4-RedHat-9.9.4-73.el7_6 <<>> -t A myapp-svc.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10
    ;; global options: +cmd
    ;; Got answer:
    ;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NXDOMAIN, id: 35237
    ;; flags: qr aa rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 0, AUTHORITY: 1, ADDITIONAL: 1
    
    ;; OPT PSEUDOSECTION:
    ; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4096
    ;; QUESTION SECTION:
    ;myapp-svc.default.svc.cluster.local. IN        A
    
    ;; AUTHORITY SECTION:
    cluster.local.          30      IN      SOA     ns.dns.cluster.local. hostmaster.cluster.local. 1554105626 7200 1800 86400 30
    
    ;; Query time: 2 msec
    ;; SERVER: 10.96.0.10#53(10.96.0.10)
    ;; WHEN: 一 4月 01 16:03:40 CST 2019
    ;; MSG SIZE  rcvd: 157
    
    #10.96.0.10是coredns服务的svc地址
    [root@master manifests]# kubectl get svc -n kube-system
    NAME       TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)         AGE
    kube-dns   ClusterIP   10.96.0.10   <none>        53/UDP,53/TCP   5d

解析普通的svc 来对比查看区别

[root@master manifests]# dig -t A myapp.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10
    
    ; <<>> DiG 9.9.4-RedHat-9.9.4-73.el7_6 <<>> -t A myapp.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10
    ;; global options: +cmd
    ;; Got answer:
    ;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 26217
    ;; flags: qr aa rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 1, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 0
    
    ;; QUESTION SECTION:
    ;myapp.default.svc.cluster.local. IN    A
    
    ;; ANSWER SECTION:
    myapp.default.svc.cluster.local. 5 IN   A       10.99.99.99
    
    ;; Query time: 0 msec
    ;; SERVER: 10.96.0.10#53(10.96.0.10)
    ;; WHEN: 一 4月 01 16:09:34 CST 2019
    ;; MSG SIZE  rcvd: 96

从以上的演示可以看到对比普通的service和headless service，headless service做dns解析是直接解析到pod的，而servcie是解析到ClusterIP的。  
headless无头服务主要用在statefulset中。

###### 参考资料 ######

https://www.cnblogs.com/linuxk  
https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html

[Link 1]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#%E7%90%86%E8%A7%A3
[userspace]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#userspace%E4%BB%A3%E7%90%86%E6%A8%A1%E5%BC%8F
[iptables]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#iptables%E4%BB%A3%E7%90%86%E6%A8%A1%E5%BC%8F
[ipvs]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#ipvs%E4%BB%A3%E7%90%86%E6%A8%A1%E5%BC%8F
[Service]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#service%E9%85%8D%E7%BD%AE%E6%B8%85%E5%8D%95%E9%87%8D%E8%A6%81%E5%AD%97%E6%AE%B5
[ClusterIP_Service]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#%E5%88%9B%E5%BB%BAclusterip%E7%B1%BB%E5%9E%8Bservice
[NodePort_Service]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#%E5%88%9B%E5%BB%BAnodeport%E7%B1%BB%E5%9E%8Bservice
[Pod]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#pod%E7%9A%84%E4%BC%9A%E8%AF%9D%E4%BF%9D%E6%8C%81
[Link 2]: https://www.cnblogs.com/wlbl/p/10694316.html#%E5%8F%82%E8%80%83%E8%B5%84%E6%96%99
[http_10.0.0.10_31111]: http://10.0.0.10:31111/