7.Service四层负载均衡

1.为什么要用Service

在kubernetes中，Pod是有生命周期的，如果Pod重启它的IP很有可能会发生变化。如果我们的服务都是将Pod的IP地址写死，Pod挂掉或者重启，和刚才重启的pod相关联的其他服务将会找不到它所关联的Pod，为了解决这个问题，在kubernetes中定义了service资源对象，Service 定义了一个服务访问的入口，客户端通过这个入口即可访问服务背后的应用集群实例，service是一组Pod的逻辑集合，这一组Pod能够被Service访问到，通常是通过Label Selector实现的。
可以看下面的图：

• pod ip经常变化，service是pod的代理，我们客户端访问，只需要访问service，就会把请求代理到Pod
• pod ip在k8s集群之外无法访问，所以需要创建service，这个service可以在k8s集群外访问的。

2.Service概述

service是一个固定接入层，客户端可以通过访问service的ip和端口访问到service关联的后端pod，这个service工作依赖于在kubernetes集群之上部署的一个附件，就是kubernetes的dns服务（不同kubernetes版本的dns默认使用的也是不一样的，1.11之前的版本使用的是kubeDNs，较新的版本使用的是coredns），service的名称解析是依赖于dns附件的，因此在部署完k8s之后需要再部署dns附件，kubernetes要想给客户端提供网络功能，需要依赖第三方的网络插件（flannel，calico等）。每个K8s节点上都有一个组件叫做kube-proxy，kube-proxy这个组件将始终监视着apiserver中有关service资源的变动信息，需要跟master之上的apiserver交互，随时连接到apiserver上获取任何一个与service资源相关的资源变动状态，这种是通过kubernetes中固有的一种请求方法watch（监视）来实现的，一旦有service资源的内容发生变动（如创建，删除），kube-proxy都会将它转化成当前节点之上的能够实现service资源调度，把我们请求调度到后端特定的pod资源之上的规则，这个规则可能是iptables，也可能是ipvs，取决于service的实现方式。

3.Service工作原理

k8s在创建Service时，会根据标签选择器selector(lable selector)来查找Pod，据此创建与Service同名的endpoint对象，当Pod 地址发生变化时，endpoint也会随之发生变化，service接收前端client请求的时候，就会通过endpoint，找到转发到哪个Pod进行访问的地址。(至于转发到哪个节点的Pod，由负载均衡kube-proxy决定)

4.kubernetes集群中三类IP地址

• Node Network（节点网络）：物理节点或者虚拟节点的网络，如ens33接口上的网路地址

[root@master1 ~]# ip addr
ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP 
    link/ether 00:0c:29:87:60:d5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.1.63/24 brd 192.168.1.255 scope global noprefixroute ens33

• Pod network（pod 网络）: 创建的Pod具有的IP地址

[root@master1 ~]# kubectl get pods -o wide
NAME             READY   STATUS          IP               NODE
frontend-h78gw   1/1       Running       10.244.187.76    node2

Node Network和Pod network这两种网络地址是我们实实在在配置的，其中节点网络地址是配置在节点接口之上，而pod网络地址是配置在pod资源之上的，因此这些地址都是配置在某些设备之上的，这些设备可能是硬件，也可能是软件模拟的

• Cluster Network（集群地址，也称为service network）: 这个地址是虚拟的地址（virtual ip），没有配置在某个接口上，只是出现在service的规则当中。

[root@master1 ~]# kubectl get svc
NAME               TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)
kubernetes         ClusterIP   10.96.0.1           <none>        443/TCP

5.Service资源清单

• service

[root@master1 ~]# kubectl explain service
KIND:     Service
VERSION:  v1

DESCRIPTION:
     Service is a named abstraction of software service (for example, mysql)
     consisting of local port (for example 3306) that the proxy listens on, and
     the selector that determines which pods will answer requests sent through
     the proxy.

FIELDS:
   apiVersion	<string> #service资源使用的api组
   kind	<string> #创建的资源类型
   metadata	<Object> #定义元数据
   spec	<Object>
   status	<Object>

• spec

[root@master1 ~]# kubectl explain service.spec
KIND:     Service
VERSION:  v1
RESOURCE: spec <Object>
DESCRIPTION:
     Spec defines the behavior of a service.
     https://git.k8s.io/community/contributors/devel/sig-architecture/api-conventions.md#spec-and-status
     ServiceSpec describes the attributes that a user creates on a service.
FIELDS:
   allocateLoadBalancerNodePorts	<boolean>
   clusterIP	<string> # 动态分配的地址，也可以自己在创建的时候指定，创建之后就改不了了
   clusterIPs	<[]string>
   externalIPs	<[]string>
   externalName	<string>
   externalTrafficPolicy	<string>
   healthCheckNodePort	<integer>
   ipFamilies	<[]string>
   ipFamilyPolicy	<string>
   loadBalancerIP	<string>
   loadBalancerSourceRanges	<[]string>
   ports	<[]Object>  # 定义service端口，用来和后端pod建立联系
   publishNotReadyAddresses	<boolean>
   selector	<map[string]string> # 通过标签选择器选择关联的pod有哪些
   sessionAffinity	<string>
   sessionAffinityConfig	<Object> # service在实现负载均衡的时候还支持sessionAffinity，sessionAffinity 什么意思？会话联系，默认是none，随机调度的（基于iptables规则调度的）；如果我们定义sessionAffinity的client ip，那就表示把来自同一客户端的IP请求调度到同一个pod上
   topologyKeys	<[]string>
   type	<string>  #定义service的类型

6.Service的四种类型

[root@master1 ~]# kubectl explain service.spec.type
KIND:     Service
VERSION:  v1
FIELD:    type <string>
DESCRIPTION:
     type determines how the Service is exposed. Defaults to ClusterIP. Valid
     options are ExternalName, ClusterIP, NodePort, and LoadBalancer.
     "ClusterIP" allocates a cluster-internal IP address for load-balancing to
     endpoints. Endpoints are determined by the selector or if that is not
     specified, by manual construction of an Endpoints object or EndpointSlice
     objects. If clusterIP is "None", no virtual IP is allocated and the
     endpoints are published as a set of endpoints rather than a virtual IP.
     "NodePort" builds on ClusterIP and allocates a port on every node which
     routes to the same endpoints as the clusterIP. "LoadBalancer" builds on
     NodePort and creates an external load-balancer (if supported in the current
     cloud) which routes to the same endpoints as the clusterIP. "ExternalName"
     aliases this service to the specified externalName. Several other fields do
     not apply to ExternalName services. More info:
     https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/#publishing-services-service-types

• ExternalName：
  适用于k8s集群内部容器访问外部资源，它没有selector，也没有定义任何的端口和Endpoint。
  以下Service 定义的是将prod名称空间中的my-service服务映射到my.database.example.com

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: my-service
  namespace: prod
spec:
  type: ExternalName
  externalName: my.database.example.com

当查询主机 my-service.prod.svc.cluster.local 时，群集DNS将返回值为my.database.example.com的CNAME记录。
service的FQDN是： <service_name>..svc.cluster.local
my-service.prod. svc.cluster.local

• ClusterIP：
  通过k8s集群内部IP暴露服务，选择该值，服务只能够在集群内部访问，这也是默认的ServiceType。

• NodePort:
  通过每个Node节点上的IP和静态端口暴露k8s集群内部的服务。通过请求:可以把请求代理到内部的pod。
  Client----->NodeIP:NodePort----->Service Ip:ServicePort----->PodIP:ContainerPort。

• 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。

7.Service的端口

[root@master1 ~]# kubectl explain service.spec.ports
KIND:     Service
VERSION:  v1
RESOURCE: ports <[]Object>
DESCRIPTION:
     The list of ports that are exposed by this service. More info:
     https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/#virtual-ips-and-service-proxies
     ServicePort contains information on service's port.
FIELDS:
   appProtocol	<string>
   name	<string>  #定义端口的名字
   nodePort	<integer> #宿主机上映射的端口，比如一个Web应用需要被k8s集群之外的其他用户访问，那么需要配置type=NodePort，若配置nodePort=30001，那么其他机器就可以通过浏览器访问scheme://k8s集群中的任何一个节点ip:30001即可访问到该服务，例如http://192.168.1.63:30001。如果在k8s中部署MySQL数据库，MySQL可能不需要被外界访问，只需被内部服务访问，那么就不需要设置NodePort
   port	<integer> -required-  #service的端口，这个是k8s集群内部服务可访问的端口
   protocol	<string>
   targetPort	<string> # pod上的端口，从port和nodePort上来的流量，经过kube-proxy流入到后端pod的targetPort上，最后进入容器。与制作容器时暴露的端口一致（使用DockerFile中的EXPOSE），例如官方的nginx暴露80端口。

8.ClusterIP示例

创建pod

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: my-nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        run: my-nginx
    spec:
      containers:
      - name: my-nginx
        image: nginx
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80  #pod中的容器需要暴露的端口

更新资源清单文件

[root@master1 ~]# kubectl apply -f pod_test.yaml

查看刚才创建的Pod ip地址

[root@master1 ~]# kubectl get pods -l run=my-nginx -o wide   
NAME                             STATUS           IP                   NODE
my-nginx-5b56ccd65f-26vcz       Running          10.244.187.101      node2
my-nginx-5b56ccd65f-95n7p       Running         10.244.209.149      node1

[root@master1 ~]# kubectl exec -it my-nginx-5b56ccd65f-26vcz -- /bin/bash
root@my-nginx-5b56ccd65f-26vcz:/# curl 10.244.209.149
<!DOCTYPE html>
<html>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
</html>
root@my-nginx-5b56ccd65f-26vcz:/#exit

需要注意的是，pod虽然定义了容器端口，但是不会使用调度到该节点上的80端口，也不会使用任何特定的NAT规则去路由流量到Pod上。 这意味着可以在同一个节点上运行多个 Pod，使用相同的容器端口，并且可以从集群中任何其他的Pod或节点上使用IP的方式访问到它们。

误删除其中一个Pod：

[root@master1 service]# kubectl delete pods my-nginx-5b56ccd65f-26vcz
pod "my-nginx-5b56ccd65f-26vcz" deleted
[root@master1 service]# kubectl get pods -l run=my-nginx -o wide
NAME                          STATUS         IP               NODE
my-nginx-5b56ccd65f-7xzr4    Running       10.244.187.102   node2
my-nginx-5b56ccd65f-95n7p     Running     10.244.209.149   node1

通过上面可以看到重新生成了一个pod ：my-nginx-5b56ccd65f-7xzr4，ip是10.244.187.102，在k8s中创建pod，如果pod被删除了，重新生成的pod ip地址会发生变化，所以需要在pod前端加一个固定接入层。接下来创建service：
查看pod标签：

[root@master1 service]# kubectl get pods --show-labels

创建Service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nginx
  labels:
    run: my-nginx
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - port: 80   #service的端口，暴露给k8s集群内部服务访问
    protocol: TCP
    targetPort: 80    #pod容器中定义的端口
  selector:
    run: my-nginx  #选择拥有run=my-nginx标签的pod

上述yaml文件将创建一个 Service，具有标签run=my-nginx的Pod，目标TCP端口 80，并且在一个抽象的Service端口（targetPort：容器接收流量的端口；port：抽象的 Service 端口，可以使任何其它 Pod访问该 Service 的端口）上暴露。

[root@master1 service]# kubectl apply -f service_test.yaml
service/my-nginx created

[root@master1 ~]# kubectl get svc -l run=my-nginx
NAME       TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
my-nginx   ClusterIP   10.99.198.177   <none>        80/TCP    143m

在k8s控制节点访问service的ip:端口就可以把请求代理到后端pod

[root@master1 ~]# curl 10.99.198.177:80
<!DOCTYPE html>
<html>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
</html>

通过上面可以看到请求service IP:port跟直接访问pod ip:port看到的结果一样，这就说明service可以把请求代理到它所关联的后端pod
注意：上面的10.99.198.177:80地址只能是在k8s集群内部可以访问，在外部无法访问，比方说我们想要通过浏览器访问，那么是访问不通的，如果想要在k8s集群之外访问，是需要把service type类型改成nodePort的

查看service详细信息

[root@master1 ~]# kubectl describe svc my-nginx
Name:              my-nginx
Namespace:         default
Labels:            run=my-nginx
Annotations:       <none>
Selector:          run=my-nginx
Type:              ClusterIP
IP Families:       <none>
IP:                10.99.198.177
IPs:               10.99.198.177
Port:              <unset>  80/TCP
TargetPort:        80/TCP
Endpoints:         10.244.187.102:80,10.244.209.149:80
Session Affinity:  None
Events:            <none>

[root@master1 ~]# kubectl get ep my-nginx
NAME       ENDPOINTS                             AGE
my-nginx   10.244.187.102:80,10.244.209.149:80   142m

service可以对外提供统一固定的ip地址，并将请求重定向至集群中的pod。其中“将请求重定向至集群中的pod”就是通过endpoint与selector协同工作实现。selector是用于选择pod，由selector选择出来的pod的ip地址和端口号，将会被记录在endpoint中。endpoint便记录了所有pod的ip地址和端口号。当一个请求访问到service的ip地址时，就会从endpoint中选择出一个ip地址和端口号，然后将请求重定向至pod中。具体把请求代理到哪个pod，需要的就是kube-proxy的轮询实现的。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只要创建完成，我们就可以直接解析它的服务名，每一个服务创建完成后都会在集群dns中动态添加一个资源记录，添加完成后我们就可以解析了，资源记录格式是：
SVC_NAME.NS_NAME.DOMAIN.LTD.
服务名.命名空间.域名后缀
集群默认的域名后缀是svc.cluster.local.
就像我们上面创建的my-nginx这个服务，它的完整名称解析就是
my-nginx.default.svc.cluster.local

[root@master1 ~]# kubectl exec -it my-nginx-5b56ccd65f-7xzr4 -- /bin/bash
root@my-nginx-5b56ccd65f-7xzr4:/# curl my-nginx.default.svc.cluster.local
<!DOCTYPE html>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
root@my-nginx-5b56ccd65f-7xzr4:/# exit

9.NodePort示例

pod

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-nginx-nodeport
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: my-nginx-nodeport
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        run: my-nginx-nodeport
    spec:
      containers:
      - name: my-nginx-nodeport-container
        image: nginx
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80

更新资源清单文件

[root@master1 ~]# kubectl apply -f pod_nodeport.yaml 
deployment.apps/my-nginx-nodeport created

查看pod是否创建成功

[root@master1 ~]# kubectl get pods -l run=my-nginx-nodeport
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-nginx-nodeport-6f8c64fc6c-86wnc   1/1     Running   0          67s
my-nginx-nodeport-6f8c64fc6c-8wrpq   1/1     Running   0          67s

service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nginx-nodeport
  labels:
    run: my-nginx-nodeport
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 80
    nodePort: 30380
  selector:
    run: my-nginx-nodeport

更新资源清单文件

[root@master1 ~]# kubectl apply -f service_nodeport.yaml 
service/my-nginx-nodeport created

查看刚才创建的service

[root@master1 ~]# kubectl get svc -l run=my-nginx-nodeport
NAME                TYPE       CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)
my-nginx-nodeport   NodePort   10.100.156.7   <none>        80:30380/TCP

访问service

[root@master1 ~]# curl 10.100.156.7
<!DOCTYPE html>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
</html>

注意：
10.100.156.7是k8s集群内部的service ip地址，只能在k8s集群内部访问，在集群外无法访问。
在集群外访问service

[root@master1 ~]# curl 192.168.1.63:30380
<!DOCTYPE html>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
</html>

在浏览器访问service时需要使用集群节点IP
服务请求走向：Client-node ip:30380->service ip:80-pod ip:container port
Client ->192.168.1.63:30380->10.100.156.7:80->pod ip:80

10.ExternalName示例

应用场景：跨名称空间访问
需求：default名称空间下的client 服务想要访问nginx-ns名称空间下的nginx-svc服务

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: client
spec: 
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: busybox
  template:
   metadata:
    labels:
      app: busybox
   spec:
     containers:
     - name: busybox
       image: busybox
       command: ["/bin/sh","-c","sleep 36000"]
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: client-svc
spec:
  type: ExternalName
  externalName: nginx-svc.nginx-ns.svc.cluster.local
  ports:
  - name: http
    port: 80
    targetPort: 80

该文件中指定了到 nginx-svc 的软链，让使用者感觉就好像调用自己命名空间的服务一样。

查看pod是否正常运行

[root@master1 exter]# kubectl get pods
NAME                                 READY   STATUS      RESTARTS
client-76b6556d97-xk7mg              1/1     Running      0
[root@master1 exter]# kubectl apply -f client_svc.yaml
[root@master1 exter]# kubectl create ns nginx-ns

server_nginx.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
  namespace: nginx-ns
spec: 
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
   metadata:
    labels:
      app: nginx
   spec:
     containers:
     - name: nginx
       image: nginx
       imagePullPolicy: IfNotPresent

[root@master1 exter]# kubectl apply -f server_nginx.yaml

查看pod是否创建成功

[root@master1 exter]# kubectl get pods -n nginx-ns
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-7cf7d6dbc8-lzm6j   1/1     Running   0          10m

nginx_svc.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-svc
  namespace: nginx-ns
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
   - name: http
     protocol: TCP
     port: 80
     targetPort: 80

[root@master1 exter]# kubectl apply -f nginx_svc.yaml

登录到client pod

[root@master1 exter]# kubectl exec -it  client-76b6556d97-xk7mg -- /bin/sh
/ # wget -q -O - client-svc.default.svc.cluster.local
    wget -q -O - nginx-svc.nginx-ns.svc.cluster.local

上面两个请求的结果一样

11.k8s最佳实践：映射外部服务案例分享

场景1：k8s集群引用外部的mysql数据库

在node2上安装mysql数据库：

[root@node2 ~]# yum install mariadb-server.x86_64 -y
[root@node2 ~]# systemctl start mariadb

mysql_service.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - port: 3306

[root@master1 mysql]# kubectl apply -f mysql_service.yaml
service/mysql created
[root@master1 mysql]# kubectl get svc | grep mysql
mysql               ClusterIP      10.107.232.103              3306/TCP

[root@master1 mysql]# kubectl describe svc mysql
Name:              mysql
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       <none>
Selector:          <none>
Type:              ClusterIP
IP Families:       <none>
IP:                10.107.232.103
IPs:               10.107.232.103
Port:              <unset>  3306/TCP
TargetPort:        3306/TCP
Endpoints:         <none>  #还没有endpoint
Session Affinity:  None
Events:            <none>

mysql_endpoint.yaml

apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: mysql
subsets:
- addresses:
  - ip: 192.168.40.182
  ports:
  - port: 3306

[root@master1 mysql]# kubectl apply -f mysql_endpoint.yaml 
endpoints/mysql created
[root@master1 mysql]# kubectl describe svc mysql
Name:              mysql
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       <none>
Selector:          <none>
Type:              ClusterIP
IP Families:       <none>
IP:                10.107.232.103
IPs:               10.107.232.103
Port:              <unset>  3306/TCP
TargetPort:        3306/TCP
Endpoints:         192.168.1.62:3306  #这个就是定义的外部数据库
Session Affinity:  None
Events:            <none>

上面配置就是将外部IP地址和服务引入到k8s集群内部，由service作为一个代理来达到能够访问外部服务的目的。