Kubernetes（k8s）kubeproxy、Service详解

目录

• 一、kube-proxy简介
• 二、Service 简介
• 三、Service 类型
  • 1）ClusterIp（集群内部使用）
  • 2）NodePort（对外暴露应用）
  • 3）LoadBalancer（对外暴露应用，适用于公有云）
  • 4）ExternalName
• 四、Service 工作流程
• 五、Endpoints简介
  • 1）工作流程
  • 2）示例
• 六、Service, Endpoints与Pod的关系
• 七、Service的资源清单文件详解
• 八、kubernetes中的四种port
  • 1）nodePort
  • 2）port
  • 3）targetPort
  • 4）containerPort
• 九、kubernetes服务发现
  • 1）环境变量
  • 2) DNS
• 十、Service代理模式
  • 1）userspace模式
  • 2）iptables模式（默认模式）
  • 3）ipvs模型
  • 4）kube-proxy配置 ipvs模式（所有节点）

一、kube-proxy简介

kube-proxy负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡，它运行在每个Node计算节点上，负责Pod网络代理, 它会定时从etcd服务获取到service信息来做相应的策略，维护网络规则和四层负载均衡工作。在K8s集群中微服务的负载均衡是由Kube-proxy实现的，它是K8s集群内部的负载均衡器，也是一个分布式代理服务器，在K8s的每个节点上都有一个，这一设计体现了它的伸缩性优势，需要访问服务的节点越多，提供负载均衡能力的Kube-proxy就越多，高可用节点也随之增多。

service是一组pod的服务抽象，相当于一组pod的LB，负责将请求分发给对应的pod。service会为这个LB提供一个IP，一般称为cluster IP。kube-proxy的作用主要是负责service的实现，具体来说，就是实现了内部从pod到service和外部的从node port向service的访问。

简单来说:

• kube-proxy其实就是管理service的访问入口，包括集群内Pod到Service的访问和集群外访问service。
• kube-proxy管理sevice的Endpoints，该service对外暴露一个Virtual IP，也成为Cluster IP, 集群内通过访问这个Cluster IP:Port就能访问到集群内对应的serivce下的Pod。
• service是通过Selector选择的一组Pods的服务抽象，其实就是一个微服务，提供了服务的LB和反向代理的能力，而kube-proxy的主要作用就是负责service的实现。
• service另外一个重要作用是，一个服务后端的Pods可能会随着生存灭亡而发生IP的改变，service的出现，给服务提供了一个固定的IP，而无视后端Endpoint的变化。

二、Service 简介

Kubernetes Service定义了这样一种抽象： Service是一种可以访问 Pod逻辑分组的策略， Service通常是通过 Label Selector访问 Pod组。

Service能够提供负载均衡的能力，但是在使用上有以下限制：只提供 4 层负载均衡能力，而没有 7 层功能，但有时我们可能需要更多的匹配规则来转发请求，这点上 4 层负载均衡是不支持的。

三、Service 类型

Service在 K8s中有以下四种类型：

1）ClusterIp（集群内部使用）

默认类型，自动分配一个仅Cluster内部可以访问的虚拟IP（VIP）。

2）NodePort（对外暴露应用）

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NodeIP:NodePort访问来访问该服务。
端口范围：30000~32767

3）LoadBalancer（对外暴露应用，适用于公有云）

在NodePort的基础上，借助Cloud Provider创建一个外部负载均衡器，并将请求转发到NodePort。

4）ExternalName

创建一个dns别名指到service name上，主要是防止service name发生变化，要配合dns插件使用。通过返回 CNAME 和它的值，可以将服务映射到 externalName 字段的内容。这只有 Kubernetes 1.7或更高版本的kube-dns才支持（我这里是Kubernetes 1.22.1版本）。

四、Service 工作流程

1. 客户端访问节点时通过 iptables实现的
2. iptables规则是通过 kube-proxy写入的
3. apiserver通过监控 kube-proxy去进行对服务和端点的监控
4. kube-proxy通过 pod的标签（ lables）去判断这个断点信息是否写入到 Endpoints里

五、Endpoints简介

endpoint是k8s集群中的一个资源对象，存储在etcd中，用来记录一个service对应的所有pod的访问地址。service配置selector，endpoint controller才会自动创建对应的endpoint对象；否则，不会生成endpoint对象。

【例如】k8s集群中创建一个名为hello的service，就会生成一个同名的endpoint对象，ENDPOINTS就是service关联的pod的ip地址和端口。

1）工作流程

一个 Service 由一组 backend Pod 组成。这些 Pod 通过 endpoints 暴露出来。 Service Selector 将持续评估，结果被 POST 到一个名称为 Service-hello 的 Endpoint 对象上。 当 Pod 终止后，它会自动从 Endpoint 中移除，新的能够匹配上 Service Selector 的 Pod 将自动地被添加到 Endpoint 中。 检查该 Endpoint，注意到 IP 地址与创建的 Pod 是相同的。现在，能够从集群中任意节点上使用 curl 命令请求 hello Service <CLUSTER-IP>:<PORT> 。

2）示例

1、deployment-hello.yaml

$ cat << EOF > deployment-hello.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: hello
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
     run: hello
  template:
    metadata:
      labels:
        run: hello
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.17.1
EOF

2、service-hello.yaml

$ cat << EOF > service-hello.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: service-hello
  labels:
  name: service-hello
spec:
  type: NodePort      #这里代表是NodePort类型的,另外还有ingress,LoadBalancer
  ports:
  - port: 80          
    targetPort: 8080
    protocol: TCP
    nodePort: 31111   # 所有的节点都会开放此端口30000--32767，此端口供外部调用。
  selector:
    run: hello
EOF

3、查看验证

$ kubectl apply -f deployment-hello.yaml
$ kubectl apply -f service-hello.yaml
# 查看pod，如果本地没有镜像，可能等待的时候比较长，一定要等到所有pod都在运行中才行。
$ kubectl get pod -o wide|grep hello-*
# 查看service
$ kubectl get service service-hello -o wide
# 查看service详情
$ kubectl describe service service-hello
# 查看pointer
$ kubectl get endpoints service-hello

六、Service, Endpoints与Pod的关系

Kube-proxy进程获取每个Service的Endpoints,实现Service的负载均衡功能。

Service的负载均衡转发规则

访问Service的请求，不论是Cluster IP+TargetPort的方式；还是用Node节点IP+NodePort的方式，都被Node节点的Iptables规则重定向到Kube-proxy监听Service服务代理端口。kube-proxy接收到Service的访问请求后，根据负载策略，转发到后端的Pod。

七、Service的资源清单文件详解

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
#元数据
  name: string
  #Service名称
  namespace: string
  #命名空间，不指定时默认为default命名空间
  labels:
  #自定义标签属性列表     
    - name: string
  annotations:
  #自定义注解属性列表    
    - name: string
spec:
#详细描述    
  selector: []
  #这里选择器一定要选择容器的标签，也就是pod的标签
  #selector:
  #  app: web
  #Label Selector配置，选择具有指定label标签的pod作为管理范围
  type: string
  #service的类型，指定service的访问方式，默认ClusterIP
  #ClusterIP：虚拟的服务ip地址，用于k8s集群内部的pod访问，在Node上kube-porxy通过设置的iptables规则进行转发
  #NodePort：使用宿主机端口，能够访问各Node的外部客户端通过Node的IP和端口就能访问服务器
  #LoadBalancer：使用外部负载均衡器完成到服务器的负载分发，
  #需要在spec.status.loadBalancer字段指定外部负载均衡服务器的IP，并同时定义nodePort和clusterIP用于公有云环境。
  clusterIP: string
  #虚拟服务IP地址，当type=ClusterIP时，如不指定，则系统会自动进行分配，也可以手动指定。当type=loadBalancer，需要指定
  sessionAffinity: string
  #是否支持session，可选值为ClietIP，默认值为空
  #ClientIP表示将同一个客户端(根据客户端IP地址决定)的访问请求都转发到同一个后端Pod
  ports:
  #service需要暴露的端口列表    
  - name: string
    #端口名称
    protocol: string
    #端口协议，支持TCP或UDP，默认TCP
     port: int
    #服务监听的端口号
     targetPort: int
    #需要转发到后端的端口号
     nodePort: int
    #当type=NodePort时，指定映射到物理机的端口号
  status:
  #当type=LoadBalancer时，设置外部负载均衡的地址，用于公有云环境    
    loadBalancer:
    #外部负载均衡器    
      ingress:
      #外部负载均衡器 
      ip: string
      #外部负载均衡器的IP地址
      hostname: string
     #外部负载均衡器的机主机

八、kubernetes中的四种port

1）nodePort

nodePort是外部访问k8s集群中service的端口，通过nodeIP: nodePort可以从外部访问到某个service。

2）port

port是k8s集群内部访问service的端口，即通过clusterIP: port可以访问到某个service。

3）targetPort

targetPort是pod的端口，从port和nodePort来的流量经过kube-proxy流入到后端pod的targetPort上，最后进入容器。

4）containerPort

containerPort是pod内部容器的端口，targetPort映射到containerPort。

九、kubernetes服务发现

Kubernetes提供了两种方式进行服务发现, 即环境变量和DNS, 简单说明如下:

1）环境变量

当你创建一个Pod的时候，kubelet会在该Pod中注入集群内所有Service的相关环境变量。

【注意】要想一个Pod中注入某个Service的环境变量，则必须Service要比该Pod先创建。这一点，几乎使得这种方式进行服务发现不可用。比如，一个ServiceName为redis-master的Service，对应的ClusterIP:Port为172.16.50.11:6379，则其对应的环境变量为:

REDIS_MASTER_SERVICE_HOST=172.16.50.11
REDIS_MASTER_SERVICE_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT=tcp://172.16.50.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP=tcp://172.16.50.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PROTO=tcp
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_ADDR=172.16.50.11

2) DNS

这是k8s官方强烈推荐的方式!!! 可以通过cluster add-on方式轻松的创建KubeDNS来对集群内的Service进行服务发现。

十、Service代理模式

k8s群集中的每个节点都运行一个kube-proxy的组件，kube-proxy其实是一个代理层负责实现service。

Kubernetes v1.2之前默认是userspace，v1.2之后默认是iptables模式，iptables模式性能和可靠性更好，但是iptables模式依赖健康检查，在没有健康检查的情况下如果一个pod不响应，iptables模式不会切换另一个pod上。

1）userspace模式

客户端访问ServiceIP(clusterIP)请求会先从用户空间到内核中的iptables，然后回到用户空间kube-proxy，kube-proxy负责代理工作。

缺点：

可见，userspace这种mode最大的问题是，service的请求会先从用户空间进入内核iptables，然后再回到用户空间，由kube-proxy完成后端Endpoints的选择和代理工作，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。这也是k8s v1.0及之前版本中对kube-proxy质疑最大的一点，因此社区就开始研究iptables mode。

详细工作流程：

userspace这种模式下，kube-proxy 持续监听 Service 以及 Endpoints 对象的变化；对每个 Service，它都为其在本地节点开放一个端口，作为其服务代理端口；发往该端口的请求会采用一定的策略转发给与该服务对应的后端 Pod 实体。kube-proxy 同时会在本地节点设置 iptables 规则，配置一个 Virtual IP，把发往 Virtual IP 的请求重定向到与该 Virtual IP 对应的服务代理端口上。其工作流程大体如下:

【分析】该模式请求在到达 iptables 进行处理时就会进入内核，而 kube-proxy 监听则是在用户态, 请求就形成了从用户态到内核态再返回到用户态的传递过程, 一定程度降低了服务性能。

2）iptables模式（默认模式）

该模式完全利用内核iptables来实现service的代理和LB, 这是K8s在v1.2及之后版本默认模式. 工作原理如下:

iptables mode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。这也导致目前大部分企业用k8s上生产时，都不会直接用kube-proxy作为服务代理，而是通过自己开发或者通过Ingress Controller来集成HAProxy, Nginx来代替kube-proxy。

详细工作流程：

iptables 模式与 userspace 相同，kube-proxy 持续监听 Service 以及 Endpoints 对象的变化；但它并不在本地节点开启反向代理服务，而是把反向代理全部交给 iptables 来实现；即 iptables 直接将对 VIP 的请求转发给后端 Pod，通过 iptables 设置转发策略。其工作流程大体如下:

【分析】 该模式相比 userspace 模式，克服了请求在用户态-内核态反复传递的问题，性能上有所提升，但使用 iptables NAT 来完成转发，存在不可忽视的性能损耗，而且在大规模场景下，iptables 规则的条目会十分巨大，性能上还要再打折扣。

示例:

cat << EOF > mysql-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    name: mysql
    role: service
  name: mysql-service
spec:
  ports:
    - port: 3306
      targetPort: 3306
      nodePort: 30964
  type: NodePort
  selector:
    mysql-service: "true"
    name: mysql
EOF
$ kubectl apply -f mysql-service.yaml
$ kubectl get svc

3）ipvs模型

在kubernetes 1.8以上的版本中，对于kube-proxy组件增加了除iptables模式和用户模式之外还支持ipvs模式。kube-proxy ipvs 是基于 NAT 实现的，通过ipvs的NAT模式，对访问k8s service的请求进行虚IP到POD IP的转发。当创建一个 service 后，kubernetes 会在每个节点上创建一个网卡，同时帮你将 Service IP(VIP) 绑定上，此时相当于每个 Node 都是一个 ds，而其他任何 Node 上的 Pod，甚至是宿主机服务(比如 kube-apiserver 的 6443)都可能成为 rs；

详细工作流程：

与iptables、userspace 模式一样，kube-proxy 依然监听Service以及Endpoints对象的变化, 不过它并不创建反向代理, 也不创建大量的 iptables 规则, 而是通过netlink 创建ipvs规则，并使用k8s Service与Endpoints信息，对所在节点的ipvs规则进行定期同步; netlink 与 iptables 底层都是基于 netfilter 钩子，但是 netlink 由于采用了 hash table 而且直接工作在内核态，在性能上比 iptables 更优。其工作流程大体如下:

【分析】ipvs 是目前 kube-proxy 所支持的最新代理模式，相比使用 iptables，使用 ipvs 具有更高的性能。

---

4）kube-proxy配置 ipvs模式（所有节点）

1、加载ip_vs相关内核模块

$ modprobe -- ip_vs
$ modprobe -- ip_vs_sh
$ modprobe -- ip_vs_rr
$ modprobe -- ip_vs_wrr
$ modprobe -- nf_conntrack_ipv4

所有节点验证开启了ipvs：

$ lsmod |grep ip_vs

2、安装ipvsadm工具

$ yum install ipset ipvsadm -y

3、编辑kube-proxy配置文件，mode修改成ipvs

$ kubectl edit  configmap -n kube-system  kube-proxy

4、重启kube-proxy
先查看之前的kube-proxy

$ kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy

删掉上面三个kube-proxy，重新拉起新的服务

$ kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy |awk '{system("kubectl delete pod "$1" -n kube-system")}'

再查看

$ kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy

5、查看

$ ipvsadm -Ln

关于Kubernetes（k8s）kube-proxy、Service的介绍，就先到这里了，有疑问的小伙伴，欢迎给我留言哦~