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kubernetes的流量负载组件：Service和Ingress
一、 Service介绍
在kubernetes中，pod是应用程序的载体，我们可以通过pod的ip来访问应用程序，但是pod的ip地址不是固定的，这也就意味着不方便直接采用pod的ip对服务进行访问。
为了解决这个问题，kubernetes提供了Service资源，Service会对提供同一个服务的多个pod进行聚合，并且提供一个统一的入口地址。通过访问Service的入口地址就能访问到后面的pod服务。
Service在很多情况下只是一个概念，真正起作用的其实是kube-proxy服务进程，每个Node节点上都运行着一个kube-proxy服务进程。当创建Service的时候会通过api-server向etcd写入创建的service的信息，而kube-proxy会基于监听的机制发现这种Service的变动，然后它会将最新的Service信息转换成对应的访问规则
# 10.97.97.97:80 是service提供的访问入口
# 当访问这个入口的时候，可以发现后面有三个pod的服务在等待调用，
# kube-proxy会基于rr（轮询）的策略，将请求分发到其中一个pod上去
# 这个规则会同时在集群内的所有节点上都生成，所以在任何一个节点上访问都可以。
[root@node1 ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 10.97.97.97:80 rr
-> 10.244.1.39:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.1.40:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.2.33:80 Masq 1 0 0
kube-proxy目前支持三种工作模式:
userspace 模式
userspace模式下，kube-proxy会为每一个Service创建一个监听端口，发向Cluster IP的请求被Iptables规则重定向到kube-proxy监听的端口上，kube-proxy根据LB算法选择一个提供服务的Pod并和其建立链接，以将请求转发到Pod上。 该模式下，kube-proxy充当了一个四层负责均衡器的角色。由于kube-proxy运行在userspace中，在进行转发处理时会增加内核和用户空间之间的数据拷贝，虽然比较稳定，但是效率比较低。
iptables 模式
iptables模式下，kube-proxy为service后端的每个Pod创建对应的iptables规则，直接将发向Cluster IP的请求重定向到一个Pod IP。 该模式下kube-proxy不承担四层负责均衡器的角色，只负责创建iptables规则。该模式的优点是较userspace模式效率更高，但不能提供灵活的LB策略，当后端Pod不可用时也无法进行重试。
ipvs 模式
ipvs模式和iptables类似，kube-proxy监控Pod的变化并创建相应的ipvs规则。ipvs相对iptables转发效率更高。除此以外，ipvs支持更多的LB算法。
# 此模式必须安装ipvs内核模块，否则会降级为iptables
# 开启ipvs
[root@k8s-master01 ~]# kubectl edit cm kube-proxy -n kube-system
# 修改mode: "ipvs"
[root@k8s-master01 ~]# kubectl delete pod -l k8s-app=kube-proxy -n kube-system
[root@node1 ~]# ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 10.97.97.97:80 rr
-> 10.244.1.39:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.1.40:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.2.33:80 Masq 1 0 0
二、 Service类型
k8s默认的配置文件
[root@k8s-m-01 ~]# cat /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
Service的资源清单文件：
kind: Service # 资源类型
apiVersion: v1 # 资源版本
metadata: # 元数据
name: service # 资源名称
namespace: dev # 命名空间
spec: # 描述
selector: # 标签选择器，用于确定当前service代理哪些pod，只支持精准匹配
app: nginx
type: # Service类型，指定service的访问方式，如果定义NodePort，就要定义他的端口
clusterIP: # 虚拟服务的ip地址
sessionAffinity: # session亲和性，支持ClientIP、None两个选项
ports: # 端口信息
- protocol: TCP
port: 3017 # service端口
targetPort: 5003 # pod端口
nodePort: 31122 # 主机端口，默认是30000-32700
protocal: TCP #反向代理的网络类型
#如果代理多个IP，要用名字区别开来
kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
name: test-svc
namespace: default
spec:
ports:
- port: 80 #service负载均衡器的端口
targetPort: 80 #容器的端口
name: http
- port: 443
targetPort: 443
name: https
- ClusterIP：默认值，它是Kubernetes系统自动分配的虚拟IP，只能在集群内部访问
- NodePort：将Service通过指定的Node上的端口暴露给外部，通过此方法，就可以在集群外部访问服务
- LoadBalancer：使用外接负载均衡器完成到服务的负载分发，注意此模式需要外部云环境支持
- ExternalName： 把集群外部的服务引入集群内部，直接使用
三、 Service使用
1. 实验环境准备
在使用service之前，首先利用Deployment创建出3个pod，注意要为pod设置app=nginx-pod的标签
创建deployment.yaml，内容如下：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: pc-deployment
namespace: dev
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx-pod
template:
metadata:
labels:
app: nginx-pod
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.17.1
ports:
- containerPort: 80
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f deployment.yaml
deployment.apps/pc-deployment created
# 查看pod详情
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get pods -n dev -o wide --show-labels
NAME READY STATUS IP NODE LABELS
pc-deployment-66cb59b984-8p84h 1/1 Running 10.244.1.39 node1 app=nginx-pod
pc-deployment-66cb59b984-vx8vx 1/1 Running 10.244.2.33 node2 app=nginx-pod
pc-deployment-66cb59b984-wnncx 1/1 Running 10.244.1.40 node1 app=nginx-pod
# 为了方便后面的测试，修改下三台nginx的index.html页面（三台修改的IP地址不一致）
# kubectl exec -it pc-deployment-66cb59b984-8p84h -n dev /bin/sh
# echo "10.244.1.39" > /usr/share/nginx/html/index.html
#修改完毕之后，访问测试
[root@k8s-master01 ~]# curl 10.244.1.39
10.244.1.39
[root@k8s-master01 ~]# curl 10.244.2.33
10.244.2.33
[root@k8s-master01 ~]# curl 10.244.1.40
10.244.1.40
2. ClusterIP类型的Service
k8s默认的类型
创建service-clusterip.yaml文件
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: service-clusterip
namespace: dev
spec:
selector:
app: nginx-pod
clusterIP: 10.97.97.97 # service的ip地址，如果不写，默认会生成一个
type: ClusterIP
ports:
- port: 80 # Service端口
targetPort: 80 # pod端口
# 创建service
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f service-clusterip.yaml
service/service-clusterip created
# 查看service
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get svc -n dev -o wide
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE SELECTOR
service-clusterip ClusterIP 10.97.97.97 <none> 80/TCP 13s app=nginx-pod
# 查看service的详细信息
# 在这里有一个Endpoints列表，里面就是当前service可以负载到的服务入口
[root@k8s-master01 ~]# kubectl describe svc service-clusterip -n dev
Name: service-clusterip
Namespace: dev
Labels: <none>
Annotations: <none>
Selector: app=nginx-pod
Type: ClusterIP
IP: 10.97.97.97
Port: <unset> 80/TCP
TargetPort: 80/TCP
Endpoints: 10.244.1.39:80,10.244.1.40:80,10.244.2.33:80
Session Affinity: None
Events: <none>
# 查看ipvs的映射规则
[root@k8s-master01 ~]# ipvsadm -Ln
TCP 10.97.97.97:80 rr
-> 10.244.1.39:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.1.40:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.2.33:80 Masq 1 0 0
# 访问10.97.97.97:80观察效果
[root@k8s-master01 ~]# curl 10.97.97.97:80
10.244.2.33
Endpoint
Endpoint是kubernetes中的一个资源对象，存储在etcd中，用来记录一个service对应的所有pod的访问地址，它是根据service配置文件中selector描述产生的。
一个Service由一组Pod组成，这些Pod通过Endpoints暴露出来，Endpoints是实现实际服务的端点集合。换句话说，service和pod之间的联系是通过endpoints实现的。
负载分发策略
对Service的访问被分发到了后端的Pod上去，目前kubernetes提供了两种负载分发策略：
-
如果不定义，默认使用kube-proxy的策略，比如随机、轮询
-
基于客户端地址的会话保持模式，即来自同一个客户端发起的所有请求都会转发到固定的一个Pod上
此模式可以使在spec中添加
sessionAffinity:ClientIP选项
# 查看ipvs的映射规则【rr 轮询】
[root@k8s-master01 ~]# ipvsadm -Ln
TCP 10.97.97.97:80 rr
-> 10.244.1.39:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.1.40:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.2.33:80 Masq 1 0 0
# 循环访问测试
[root@k8s-master01 ~]# while true;do curl 10.97.97.97:80; sleep 5; done;
10.244.1.40
10.244.1.39
10.244.2.33
10.244.1.40
10.244.1.39
10.244.2.33
# 修改分发策略----sessionAffinity: ClientIP
# 查看ipvs规则【persistent 代表持久】
[root@k8s-master01 ~]# ipvsadm -Ln
TCP 10.97.97.97:80 rr persistent 10800
-> 10.244.1.39:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.1.40:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.2.33:80 Masq 1 0 0
# 循环访问测试
[root@k8s-master01 ~]# while true;do curl 10.97.97.97; sleep 5; done;
10.244.2.33
10.244.2.33
10.244.2.33
# 删除service
[root@k8s-master01 ~]# kubectl delete -f service-clusterip.yaml
service "service-clusterip" deleted
3. HeadLiness类型的Service
在某些场景中，开发人员可能不想使用Service提供的负载均衡功能，而希望自己来控制负载均衡策略，针对这种情况，kubernetes提供了HeadLiness Service，这类Service不会分配Cluster IP，如果想要访问service，只能通过service的域名进行查询。
创建service-headliness.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: service-headliness
namespace: dev
spec:
selector:
app: nginx-pod
clusterIP: None # 将clusterIP设置为None，即可创建headliness Service
type: ClusterIP
ports:
- port: 80
targetPort: 80
# 创建service
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f service-headliness.yaml
service/service-headliness created
# 获取service， 发现CLUSTER-IP未分配
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get svc service-headliness -n dev -o wide
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE SELECTOR
service-headliness ClusterIP None <none> 80/TCP 11s app=nginx-pod
# 查看service详情
[root@k8s-master01 ~]# kubectl describe svc service-headliness -n dev
Name: service-headliness
Namespace: dev
Labels: <none>
Annotations: <none>
Selector: app=nginx-pod
Type: ClusterIP
IP: None
Port: <unset> 80/TCP
TargetPort: 80/TCP
Endpoints: 10.244.1.39:80,10.244.1.40:80,10.244.2.33:80
Session Affinity: None
Events: <none>
# 查看域名的解析情况
[root@k8s-master01 ~]# kubectl exec -it pc-deployment-66cb59b984-8p84h -n dev /bin/sh
/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 10.96.0.10
search dev.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
[root@k8s-master01 ~]# dig @10.96.0.10 service-headliness.dev.svc.cluster.local
service-headliness.dev.svc.cluster.local. 30 IN A 10.244.1.40
service-headliness.dev.svc.cluster.local. 30 IN A 10.244.1.39
service-headliness.dev.svc.cluster.local. 30 IN A 10.244.2.33
4. NodePort类型的Service
在之前的样例中，创建的Service的ip地址只有集群内部才可以访问，如果希望将Service暴露给集群外部使用，那么就要使用到另外一种类型的Service，称为NodePort类型。NodePort的工作原理其实就是将service的端口映射到Node的一个端口上，然后就可以通过NodeIp:NodePort来访问service了。
创建service-nodeport.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: service-nodeport
namespace: dev
spec:
selector:
app: nginx-pod
type: NodePort # service类型
ports:
- port: 80
nodePort: 30002 # 指定绑定的node的端口(默认的取值范围是：30000-32767), 如果不指定，会默认分配
targetPort: 80
#指定绑定的node端口可以修改默认值
[root@k8s-m-01 ~]# vim /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
--service-node-port-range=0-1000
[root@k8s-m-01 ~]# kubectl apply -f /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
# 创建service
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f service-nodeport.yaml
service/service-nodeport created
# 查看service
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get svc -n dev -o wide
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) SELECTOR
service-nodeport NodePort 10.105.64.191 <none> 80:30002/TCP app=nginx-pod
# 接下来可以通过电脑主机的浏览器去访问集群中任意一个nodeip的30002端口，即可访问到pod
5. LoadBalancer类型的Service
弹性IP
LoadBalancer和NodePort很相似，目的都是向外部暴露一个端口，区别在于LoadBalancer会在集群的外部再来做一个负载均衡设备，而这个设备需要外部环境支持的，外部服务发送到这个设备上的请求，会被设备负载之后转发到集群中。
必须要在公有云上创建集群弹性ip
6 .ExternalName类型的Service
ExternalName类型的Service用于引入集群外部的服务，它通过externalName属性指定外部一个服务的地址，然后在集群内部访问此service就可以访问到外部的服务了。
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: service-externalname
namespace: dev
spec:
type: ExternalName # service类型
externalName: www.baidu.com #改成ip地址也可以
# 创建service
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f service-externalname.yaml
service/service-externalname created
# 域名解析
[root@k8s-master01 ~]# dig @10.96.0.10 service-externalname.dev.svc.cluster.local
service-externalname.dev.svc.cluster.local. 30 IN CNAME www.baidu.com.
www.baidu.com. 30 IN CNAME www.a.shifen.com.
www.a.shifen.com. 30 IN A 39.156.66.18
www.a.shifen.com. 30 IN A 39.156.66.14
四、 Ingress介绍
在前面课程中已经提到，Service对集群之外暴露服务的主要方式有两种：NotePort和LoadBalancer，但是这两种方式，都有一定的缺点：
- NodePort方式的缺点是会占用很多集群机器的端口，那么当集群服务变多的时候，这个缺点就愈发明显
- LB方式的缺点是每个service需要一个LB，浪费、麻烦，并且需要kubernetes之外设备的支持
基于这种现状，kubernetes提供了Ingress资源对象，Ingress只需要一个NodePort或者一个LB就可以满足暴露多个Service的需求。工作机制大致如下图表示：
实际上，Ingress相当于一个7层的负载均衡器，是kubernetes对反向代理的一个抽象，它的工作原理类似于Nginx，可以理解成在Ingress里建立诸多映射规则，Ingress Controller通过监听这些配置规则并转化成Nginx的反向代理配置 , 然后对外部提供服务。在这里有两个核心概念：
- ingress：kubernetes中的一个对象，作用是定义请求如何转发到service的规则
- ingress controller：具体实现反向代理及负载均衡的程序，对ingress定义的规则进行解析，根据配置的规则来实现请求转发，实现方式有很多，比如Nginx, Contour, Haproxy等等
Ingress（以Nginx为例）的工作原理如下：
- 用户编写Ingress规则，说明哪个域名对应kubernetes集群中的哪个Service
- Ingress控制器动态感知Ingress服务规则的变化，然后生成一段对应的Nginx反向代理配置
- Ingress控制器会将生成的Nginx配置写入到一个运行着的Nginx服务中，并动态更新
- 到此为止，其实真正在工作的就是一个Nginx了，内部配置了用户定义的请求转发规则
五、 Ingress使用
1 .环境准备
搭建ingress环境
# 创建文件夹
[root@k8s-master01 ~]# mkdir ingress-controller
[root@k8s-master01 ~]# cd ingress-controller/
# 获取ingress-nginx，本次案例使用的是0.30版本
[root@k8s-master01 ingress-controller]# wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/nginx-0.30.0/deploy/static/mandatory.yaml
[root@k8s-master01 ingress-controller]# wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/nginx-0.30.0/deploy/static/provider/baremetal/service-nodeport.yaml
# 修改mandatory.yaml文件中的仓库
# 修改quay.io/kubernetes-ingress-controller/nginx-ingress-controller:0.30.0
# 为quay-mirror.qiniu.com/kubernetes-ingress-controller/nginx-ingress-controller:0.30.0
# 创建ingress-nginx
[root@k8s-master01 ingress-controller]# kubectl apply -f ./
# 查看ingress-nginx
[root@k8s-master01 ingress-controller]# kubectl get pod -n ingress-nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
pod/nginx-ingress-controller-fbf967dd5-4qpbp 1/1 Running 0 12h
# 查看service
[root@k8s-master01 ingress-controller]# kubectl get svc -n ingress-nginx
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
ingress-nginx NodePort 10.98.75.163 <none> 80:32240/TCP,443:31335/TCP 11h
准备service和pod
为了后面的实验比较方便，创建如下图所示的模型
创建tomcat-nginx.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-deployment
namespace: dev
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx-pod
template:
metadata:
labels:
app: nginx-pod
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.17.1
ports:
- containerPort: 80
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: tomcat-deployment
namespace: dev
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: tomcat-pod
template:
metadata:
labels:
app: tomcat-pod
spec:
containers:
- name: tomcat
image: tomcat:8.5-jre10-slim
ports:
- containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx-service
namespace: dev
spec:
selector:
app: nginx-pod
clusterIP: None
type: ClusterIP
ports:
- port: 80
targetPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: tomcat-service
namespace: dev
spec:
selector:
app: tomcat-pod
clusterIP: None
type: ClusterIP
ports:
- port: 8080
targetPort: 8080
# 创建
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f tomcat-nginx.yaml
# 查看
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get svc -n dev
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
nginx-service ClusterIP None <none> 80/TCP 48s
tomcat-service ClusterIP None <none> 8080/TCP 48s
2 .Http代理
创建ingress-http.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
name: ingress-http
namespace: dev
spec:
rules:
- host: nginx.itheima.com
http:
paths:
- path: /
backend:
serviceName: nginx-service
servicePort: 80
- host: tomcat.itheima.com
http:
paths:
- path: /
backend:
serviceName: tomcat-service
servicePort: 8080
# 创建
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f ingress-http.yaml
ingress.extensions/ingress-http created
# 查看
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get ing ingress-http -n dev
NAME HOSTS ADDRESS PORTS AGE
ingress-http nginx.itheima.com,tomcat.itheima.com 80 22s
[root@k8s-m-01 ~]# kubectl get svc -n ingress-nginx
...
post（80:32240）/TCP,443:31335/TCP
# 查看详情
[root@k8s-master01 ~]# kubectl describe ing ingress-http -n dev
...
Rules:
Host Path Backends
---- ---- --------
nginx.itheima.com / nginx-service:80 (10.244.1.96:80,10.244.1.97:80,10.244.2.112:80)
tomcat.itheima.com / tomcat-service:8080(10.244.1.94:8080,10.244.1.95:8080,10.244.2.111:8080)
...
# 接下来,在本地电脑上配置host文件,解析上面的两个域名到192.168.109.100(master)上
# 然后,就可以分别访问tomcat.itheima.com:32240 和 nginx.itheima.com:32240 查看效果了
3. Https代理
创建证书
# 生成证书
openssl req -x509 -sha256 -nodes -days 365 -newkey rsa:2048 -keyout tls.key -out tls.crt -subj "/C=CN/ST=BJ/L=BJ/O=nginx/CN=itheima.com"
# 创建密钥
kubectl create secret tls tls-secret --key tls.key --cert tls.crt
创建ingress-https.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
name: ingress-https
namespace: dev
spec:
tls:
- hosts:
- nginx.itheima.com
- tomcat.itheima.com
secretName: tls-secret # 指定秘钥
rules:
- host: nginx.itheima.com
http:
paths:
- path: /
backend:
serviceName: nginx-service
servicePort: 80
- host: tomcat.itheima.com
http:
paths:
- path: /
backend:
serviceName: tomcat-service
servicePort: 8080
# 创建
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f ingress-https.yaml
ingress.extensions/ingress-https created
# 查看
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get ing ingress-https -n dev
NAME HOSTS ADDRESS PORTS AGE
ingress-https nginx.itheima.com,tomcat.itheima.com 10.104.184.38 80, 443 2m42s
# 查看详情
[root@k8s-master01 ~]# kubectl describe ing ingress-https -n dev
...
TLS:
tls-secret terminates nginx.itheima.com,tomcat.itheima.com
Rules:
Host Path Backends
---- ---- --------
nginx.itheima.com / nginx-service:80 (10.244.1.97:80,10.244.1.98:80,10.244.2.119:80)
tomcat.itheima.com / tomcat-service:8080(10.244.1.99:8080,10.244.2.117:8080,10.244.2.120:8080)
...
# 下面可以通过浏览器访问https://nginx.itheima.com:31335 和 https://tomcat.itheima.com:31335来查看了