kube-proxy工作原理

摘要：本文对kube-proxy做了一些总结说明，对其内部的实现原理进行了研究，并对userspace和iptables两种mode的缺点进行的描述，都通过例子说明了iptable的工作。在下一篇博文中，我将对k8s v1.5中kube-proxy的源码进行分析，有兴趣的同学可以关注。

kube-proxy & service必要说明

说到kube-proxy，就不得不提到k8s中service，下面对它们两做简单说明：

• 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。

服务发现

k8s提供了两种方式进行服务发现：

• 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。需要注意的是，要想一个Pod中注入某个Service的环境变量，则必须Service要先比该Pod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10.0.0.11:6379，则其对应的环境变量为：

  REDIS_MASTER_SERVICE_HOST=10.0.0.11
  REDIS_MASTER_SERVICE_PORT=6379
  REDIS_MASTER_PORT=tcp://10.0.0.11:6379
  REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP=tcp://10.0.0.11:6379
  REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PROTO=tcp
  REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PORT=6379
  REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_ADDR=10.0.0.11

• DNS：这也是k8s官方强烈推荐的方式。可以通过cluster add-on的方式轻松的创建KubeDNS来对集群内的Service进行服务发现。更多关于KubeDNS的内容，请查看我的博文：Kubernetes DNS Service技术研究 ,在此不再赘述。

发布(暴露)服务

k8s原生的，一个Service的ServiceType决定了其发布服务的方式。

• ClusterIP：这是k8s默认的ServiceType。通过集群内的ClusterIP在内部发布服务。
• NodePort：这种方式是常用的，用来对集群外暴露Service，你可以通过访问集群内的每个NodeIP:NodePort的方式，访问到对应Service后端的Endpoint。
• LoadBalancer: 这也是用来对集群外暴露服务的，不同的是这需要Cloud Provider的支持，比如AWS等。
• ExternalName：这个也是在集群内发布服务用的，需要借助KubeDNS(version >= 1.7)的支持，就是用KubeDNS将该service和ExternalName做一个Map，KubeDNS返回一个CNAME记录。

kube-proxy内部原理

kube-proxy当前实现了两种proxyMode：userspace和iptables。其中userspace mode是v1.0及之前版本的默认模式，从v1.1版本中开始增加了iptables mode，在v1.2版本中正式替代userspace模式成为默认模式。

userspace mode

userspace是在用户空间，通过kube-proxy来实现service的代理服务。废话不多说，其原理如下如图所示：

可见，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。

Example

$ kubectl get service
NAME             LABELS                                    SELECTOR              IP(S)            PORT(S)
kubernetes       component=apiserver,provider=kubernetes   <none>                10.254.0.1       443/TCP
ssh-service1     name=ssh,role=service                     ssh-service=true      10.254.132.107   2222/TCP

$ kubectl describe service ssh-service1 
Name:           ssh-service1
Namespace:      default
Labels:         name=ssh,role=service
Selector:       ssh-service=true
Type:           LoadBalancer
IP:         10.254.132.107
Port:           <unnamed>   2222/TCP
NodePort:       <unnamed>   30239/TCP
Endpoints:      <none>
Session Affinity:   None
No events.

NodePort的工作原理与ClusterIP大致相同，发送到某个NodeIP:NodePort的请求，通过iptables重定向到kube-proxy对应的端口(Node上的随机端口)上，然后由kube-proxy再将请求发送到其中的一个Pod:TargetPort。

这里，假如Node的ip为10.0.0.5，则对应的iptables如下：

$ sudo iptables -S -t nat
...
-A KUBE-NODEPORT-CONTAINER -p tcp -m comment --comment "default/ssh-service1:" -m tcp --dport 30239 -j REDIRECT --to-ports 36463
-A KUBE-NODEPORT-HOST -p tcp -m comment --comment "default/ssh-service1:" -m tcp --dport 30239 -j DNAT --to-destination 10.0.0.5:36463
-A KUBE-PORTALS-CONTAINER -d 10.254.132.107/32 -p tcp -m comment --comment "default/ssh-service1:" -m tcp --dport 2222 -j REDIRECT --to-ports 36463
-A KUBE-PORTALS-HOST -d 10.254.132.107/32 -p tcp -m comment --comment "default/ssh-service1:" -m tcp --dport 2222 -j DNAT --to-destination 10.0.0.5:36463

可见：访问10.0.0.5:30239端口会被转发到node上的36463端口（随机监听端口）。而且在访问clusterIP 10.254.132.107的2222端口时，也会把请求转发到本地的36463端口。 36463端口实际被kube-proxy所监听，将流量进行导向到后端的pod上。

iptables mode

另一种mode是iptables，它完全利用内核iptables来实现service的代理和LB。是v1.2及之后版本默认模式，其原理图如下所示：

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。

Example

iptables的方式则是利用了linux的iptables的nat转发进行实现。

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"

mysql-service对应的nodePort暴露出来的端口为30964，对应的cluster IP(10.254.162.44)的端口为3306，进一步对应于后端的pod的端口为3306。

mysql-service后端代理了两个pod，ip分别是192.168.125.129和192.168.125.131。先来看一下iptables。

$iptables -S -t nat
...
-A PREROUTING -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES
-A OUTPUT -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES
-A POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes postrouting rules" -j KUBE-POSTROUTING
-A KUBE-MARK-MASQ -j MARK --set-xmark 0x4000/0x4000
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp --dport 30964 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp --dport 30964 -j KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM
-A KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P -s 192.168.125.129/32 -m comment --comment "default/mysql-service:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.125.129:3306
-A KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T -s 192.168.125.131/32 -m comment --comment "default/mysql-service:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.125.131:3306
-A KUBE-SERVICES -d 10.254.162.44/32 -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service: cluster IP" -m tcp --dport 3306 -j KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM
-A KUBE-SERVICES -m comment --comment "kubernetes service nodeports; NOTE: this must be the last rule in this chain" -m addrtype --dst-type LOCAL -j KUBE-NODEPORTS
-A KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM -m comment --comment "default/mysql-service:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P
-A KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM -m comment --comment "default/mysql-service:" -j KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T

首先如果是通过node的30964端口访问，则会进入到以下链:

-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp --dport 30964 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp --dport 30964 -j KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM

然后进一步跳转到KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM的链:

-A KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM -m comment --comment "default/mysql-service:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P
-A KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM -m comment --comment "default/mysql-service:" -j KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T

这里利用了iptables的–probability的特性，使连接有50%的概率进入到KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P链，50%的概率进入到KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T链。

KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P的链的具体作用就是将请求通过DNAT发送到192.168.125.129的3306端口。

-A KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P -s 192.168.125.129/32 -m comment --comment "default/mysql-service:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-ID6YWIT3F6WNZ47P -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.125.129:3306

同理KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T的作用是通过DNAT发送到192.168.125.131的3306端口。

-A KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T -s 192.168.125.131/32 -m comment --comment "default/mysql-service:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-IN2YML2VIFH5RO2T -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service:" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.125.131:3306

分析完nodePort的工作方式，接下里说一下clusterIP的访问方式。 对于直接访问cluster IP(10.254.162.44)的3306端口会直接跳转到KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM。

-A KUBE-SERVICES -d 10.254.162.44/32 -p tcp -m comment --comment "default/mysql-service: cluster IP" -m tcp --dport 3306 -j KUBE-SVC-67RL4FN6JRUPOJYM

接下来的跳转方式同NodePort方式。

参考：
- https://kubernetes.io/docs/user-guide/services/
- https://xuxinkun.github.io/2016/07/22/kubernetes-proxy/