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【云原生】kubernetes深入理解之Service

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一、概述

1.1 Service

Service引入主要是解决Pod的动态变化，提供统一访问入口。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。Service的作用：

• 防止Pod失联，准备找到提供同一个服务的Pod（服务发现）

• 定义一组Pod的访问策略（负载均衡）

1.2 kube-proxy与Service

  • 客户端访问节点时通过 iptables 实现的；
  • iptables规则是通过 kube-proxy写入的；
  • apiserver通过监控 kube-proxy去进行对服务和端点的监控；
  • 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

1.3VIP和Service代理

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）服务为何不使用 round-robin DNS？

DNS会在很多的客户端里进行缓存，很多服务在访问 DNS进行域名解析完成、得到地址后不会对 DNS的解析进行清除缓存的操作，所以一旦有他的地址信息后，不管访问几次还是原来的地址信息，导致负载均衡无效。

二、Pod与Service 的关系

• Service通过标签关联一组Pod

• Service使用iptables或者ipvs为一组Pod提供负载均衡能力

三、Service类型

  • 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
  • NodePort：对外暴露应用（集群外），在ClusterIP基础上为Service在每台机器上绑定一个端口
  • LoadBalancer：对外暴露应用，适用公有云
  • ExternalName：把集群外部的服务引入到集群内部来，在集群内部直接使用。

四、代理模式分类

  • iptables 代理模式
  • userspace 代理模式
  • ipvs 代理模式

ipvs代理模式中 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，例如：rr：轮询调度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

五、Service定义与创建

5.1 创建ClusterIP类型的Service

ClusterIP主要在每个node节点使用iptables，将发向ClusterIP对应端口的数据，转发到kube-proxy中。然后kube-proxy自己内部实现有负载均衡的方法，并可以查询到这个service下对应pod的地址和端口，进而把数据转发给对应的pod的地址和端口。

主要需要以下几个组件的协同工作：

apiserver：用户通过 kubectl命令向 apiserver发送创建 service的命令， apiserver接收到请求后将数据存储到 etcd中

kube-proxy： Kubernetes的每个节点中都有一个叫做 kube-porxy的进程，这个进程负责感知 service、 pod的变化，并将变化的信息写入本地的 iptables规则中

iptables：使用 NAT等技术将 virtualIP的流量转至 endpoint中

创建 service.yaml文件：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web
  namespace: default
spec:
  ports:
  - port: 8090      # service端口
    protocol: TCP   # 协议
    targetPort: 80  # 容器端口
  selector:         # 标签选择器
    app: nginx      # 指定关联Pod的标签
  type: ClusterIP   # 服务类型

### 
kubectl apply -f service.yaml
### 查看service
kubectl get svc
### 查看pod 标签
kubectl get pods --show-labels

关联 Labels app=nginx 的pod，然后使用 service 提供的 IP 访问

ClusterIP 默认分配一个稳定的IP地址，即VIP，只能在集群内部访问。

5.2 创建NodePort类型的Service

NodePort：在每个节点上启用一个端口来暴露服务，可以在集群外部访问，将向该端口的流量导入到 kube-proxy，然后由 kube-proxy进一步到给对应的 pod。。也会分配一个稳定内部集群IP地址。

访问地址：<任意NodeIP>:<NodePort> 端口范围：30000-32767

示例 

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-nodeport
  namespace: default
spec:
  ports:
  - port: 80        # service 端口
    protocol: TCP   # 协议
    targetPort: 80  # 容器内部端口
    nodePort: 30008 # NodePort端口
  selector:         # 标签选择器
    app: nginx      # 指定关联Pod的标签
  type: NodePort    # service类型

使用 NodePort类型的服务将nginx 的服务端口暴露出来。

端口30553 加任意一台服务器IP成功访问

NodePort：会在每台Node上监听端口接收用户流量，在实际情况下，对用户暴露的只会有一个IP和端口，那这么多台Node该使用哪台让用户访问呢？

这时就需要前面加一个公网负载均衡器为项目提供统一访问入口了。

负载均衡器：

开源：Nginx 、LVS、haproxy

公有云：SLB

部署Nginx：

​## 安装 nginx ,并启动
yum install epel-release -y
yum install nginx  -y
systemctl start nginx

vim /etc/nginx/nginx.conf
#在server 的上面插入以下代码
    upstream webservers {
        server 192.168.2.118:30553;
        server 192.168.2.210:30553;
   }
    server{
        listen       8553;
        location / {
            proxy_pass http://webservers;
        }
   }
    server {
        listen       80 default_server;
        listen       [::]:80 default_server;  
.....

## 配置关系重新 加载
[root@k8s-devops ~]# nginx -s reload
## 查看 8553 端口是否监听
[root@k8s-devops ~]# netstat -anlp | grep  8553
tcp        0      0 0.0.0.0:8553            0.0.0.0:*               LISTEN      16715/nginx: master 
[root@k8s-devops ~]# 
​

监听端口如下：

IP+8553 端口访问 nginx 应用 ：

5.3创建LoadBalancer类型的Service

LoadBalancer：与NodePort类似，在每个节点上启用一个端口来暴露服务。除此之外，Kubernetes会请求底层云平台（例如阿里云、腾讯云、AWS等）上的负载均衡器，将每个Node

（[NodeIP]:[NodePort]）作为后端添加进去。

六、Service 代理模式

6.1iptables简介

表（tables）提供特定的功能，iptables内置了4个表，即filter表、nat表、mangle表和raw表，分别用于实现包过滤，网络地址转换、包重构(修改)和数据跟踪处理。

链（chains）是数据包传播的路径，每一条链其实就是众多规则中的一个检查清单，每一条链中可以有一 条或数条规则。当一个数据包到达一个链时，iptables就会从链中第一条规则开始检查，看该数据包是否满足规则所定义的条件。如果满足，系统就会根据 该条规则所定义的方法处理该数据包；否则iptables将继续检查下一条规则，如果该数据包不符合链中任一条规则，iptables就会根据该链预先定 义的默认策略来处理数据包。

使用-j可以指定动作，比如

-j ACCEPT

-j DROP

-j REJECT

原文链接：Iptables 详解与实战案例_开着拖拉机回家的博客-CSDN博客_iptables 实战

6.2iptables规则链在NodePort的应用

我们将 web-nodeport Service 的iptables 规则链 搜索出来。·

iptables规则链方位步骤：

第一步 ：在浏览器访问

http://192.168.2.119:30553

第二步 ： 规则链重定向

###  数据包经过iptables规则匹配，重定向另一个链， KUBE-SVC-GCYSPZR5VVR6P7RM，  
##  -A 表示在指定链的末尾添加（append）一条新的规则
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/web-nodeport" -m tcp --dport 30553 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/web-nodeport" -m tcp --dport 30553 -j KUBE-SVC-GCYSPZR5VVR6P7RM

第三步 ： 实现规则链转发负载

### 一组规则，有几个pod就会创建几条，我们这个三个 pod（这里实现了负载均衡器, probability 匹配到规则链的概率）
-A KUBE-SVC-GCYSPZR5VVR6P7RM -m comment --comment "default/web-nodeport" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-KYDJN3GW7WZ2VGX2
-A KUBE-SVC-GCYSPZR5VVR6P7RM -m comment --comment "default/web-nodeport" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-MC5SFNONWFPVUITK
-A KUBE-SVC-GCYSPZR5VVR6P7RM -m comment --comment "default/web-nodeport" -j KUBE-SEP-7GGWNYUUPHQRXI76

第四步： 使用DNAT转发到具体的Pod

### 使用DNAT转发到具体的Pod  
# 匹配链：KUBE-SEP-7GGWNYUUPHQRXI76， KUBE-SEP-MC5SFNONWFPVUITK，KUBE-SEP-MC5SFNONWFPVUITK 
# -s  源服务器 
# to-destination   目标服务器
# -j 指定动作 ACCEPT DROP 
-A KUBE-SEP-7GGWNYUUPHQRXI76 -s 10.244.2.16/32 -m comment --comment "default/web-nodeport" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-7GGWNYUUPHQRXI76 -p tcp -m comment --comment "default/web-nodeport" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.16:80
-A KUBE-SEP-KYDJN3GW7WZ2VGX2 -s 10.244.1.11/32 -m comment --comment "default/web-nodeport" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-KYDJN3GW7WZ2VGX2 -p tcp -m comment --comment "default/web-nodeport" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.11:80
-A KUBE-SEP-MC5SFNONWFPVUITK -s 10.244.2.15/32 -m comment --comment "default/web-nodeport" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-MC5SFNONWFPVUITK -p tcp -m comment --comment "default/web-nodeport" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.15:80

针对ClusterIP实现的转发后面与nodeport一样，回到了上面第三步

#### 针对ClusterIP实现的转发，后面与nodeport一样，回到了上面第三步
-A KUBE-SERVICES ! -s 10.244.0.0/16 -d 10.96.186.242/32 -p tcp -m comment --comment "default/web-nodeport cluster IP" -m tcp --dport 8090 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SERVICES -d 10.96.186.242/32 -p tcp -m comment --comment "default/web-nodeport cluster IP" -m tcp --dport 8090 -j KUBE-SVC-GCYSPZR5VVR6P7RM

6.3IPVS

kube-proxy 是configmap 配置文件 部署的，我们修改下 kube-proxy 配置文件

编辑 修改 mode为IPVA：

## 编辑  kube-proxy 配置文件
kubectl edit configmap kube-proxy -n kube-system

40       tcpTimeout: 0s
41       udpTimeout: 0s
42     kind: KubeProxyConfiguration
43     metricsBindAddress: ""
44     mode: "ipvs"        ##   修改 kube-proxy 配置中的mode为:ipvs
45     nodePortAddresses: null
46     oomScoreAdj: null
47     portRange: ""
48     showHiddenMetricsForVersion: ""
49     udpIdleTimeout: 0s

可以使用如下的命令查看 IPVS数据链

## 安装IPVS 命令
yum install ipvsadm

ipvsadm -L -n

### 删除POD kube-proxy-tg889 
kubectl -n kube-system delete pod  kube-proxy-tg889

删除node1 上的pod ，重新启动

查看新的kube-proxy pod日志，显示“Using ipvs Proxier” 表示开启了ipvs模式：

[root@node1 ~]# kubectl -n kube-system logs  kube-proxy-tg889
I0512 20:46:39.128357       1 node.go:172] Successfully retrieved node IP: 192.168.2.118
I0512 20:46:39.128553       1 server_others.go:142] kube-proxy node IP is an IPv4 address (192.168.10.136), assume IPv4 operation
I0512 20:46:39.153956       1 server_others.go:258] Using ipvs Proxier.
I0512 20:46:39.166860       1 proxier.go:372] missing br-netfilter module or unset sysctl br-nf-call-iptables; proxy may not work as intended
E0512 20:46:39.167001       1 proxier.go:389] can't set sysctl net/ipv4/vs/conn_reuse_mode, kernel version must be at least 4.1
W0512 20:46:39.167105       1 proxier.go:445] IPVS scheduler not specified, use rr by default
I0512 20:46:39.167274       1 server.go:650] Version: v1.19.0

6.4iptables和IPVS对比

Iptables：

  • 灵活，功能强大
  • 规则遍历匹配和更新，呈线性时延

IPVS：

  • 工作在内核态，为大型集群提供了更好的可扩展性和性能
  • 调度算法丰富：最小负载、最少连接、加权等（rr，wrr，lc，wlc，ip hash...）
  • ipvs 支持服务器健康检查和连接重试等功能

6.5Service工作流程

  1. 用户执行kubectl/userClient向apiserver发起一个命令，经过认证授权后，经过scheduler的各种策略，得到一个目标node，然后告诉apiserver，apiserver 会请求相关node的kubelet，通过kubelet把pod运行起来，apiserver还会将pod的信息保存在etcd；
  2. pod运行起来后，controllermanager就会负责管理pod的状态，如，若pod挂了，controllermanager就会重新创建一个一样的pod，或者像扩缩容等；
  3. pod有一个独立的ip地址，但pod的IP是易变的，如异常重启，或服务升级的时候，IP都会变，这就有了service；完成service工作的具体模块是kube-proxy，在每个node上都会有一个kube-proxy，在任何一个节点上访问一个service的虚拟ip，都可以访问到pod；
  4. service的IP可以在集群内部访问到，在集群外呢？service可以把服务端口暴露在当前的Node上，外面的请求直接访问到node上的端口就可以访问到service了

参考：一文讲透K8s的Service概念

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标签： kubernetes service NodePort
本文转载自: https://blog.csdn.net/qq_35995514/article/details/128068997
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