k8s集群中ipvs负载详解

目录：

ipvs vs iptables
ipvs kube-proxy原理分析
2.1.cluster-ip到pod访问
2.2.node-ip到pod访问
总结

IPVS简介：

尽管 Kubernetes 在版本v1.6中已经支持5000个节点，但使用 iptables 的 kube-proxy 实
际上是将集群扩展到5000个节点的瓶颈。在5000节点集群中使用 NodePort 服务，如
果有2000个服务并且每个服务有10个 pod，这将在每个工作节点上至少产生20000个
iptable 记录，这可能使内核非常繁忙。

ipvs (IP Virtual Server) 实现了传输层负载均衡，也就是我们常说的4层LAN交换，作为
Linux 内核的一部分。ipvs运行在主机上，在真实服务器集群前充当负载均衡器。ipvs
可以将基于TCP和UDP的服务请求转发到真实服务器上，并使真实服务器的服务在单个
IP 地址上显示为虚拟服务。

1、ipvs vs iptables：

我们知道kube-proxy支持 iptables 和 ipvs 两种模式，在kubernetes v1.8 中引入了 ipvs
模式，在 v1.9 中处于 beta 阶段，在 v1.11 中已经正式可用了。iptables 模式在 v1.1 中
就添加支持了，从 v1.2版本开始 iptables 就是 kube-proxy 默认的操作模式，ipvs 和
iptables 都是基于netfilter的。ipvs 会使用 iptables 进行包过滤、SNAT、masquared。
具体来说，ipvs 将使用ipset来存储需要DROP或masquared的流量的源或目标地址，
以确保 iptables 规则的数量是恒定的，这样我们就不需要关心我们有多少服务了。

启动ipvs的要求：

k8s版本 >= v1.11
使用ipvs需要安装相应的工具来处理”yum install ipset ipvsadm -y“
确保 ipvs已经加载内核模块， ip_vs、ip_vs_rr、ip_vs_wrr、ip_vs_sh、
nf_conntrack_ipv4。如果这些内核模块不加载，当kube-proxy启动后，会退回到iptables模式。

2、ipvs kube-proxy原理分析：

先前基于iptables规则表的DNAT->SNAT方式来处理外部客户端到k8s集群pod内的流量
和集群内部流量(cluster-ip到pod ip)，无需在宿主机上管理cluster-ip都由iptables来进行
管理。

使用IPVS后是需要对vs(虚拟服务也就是vip)进行管理，由于IPVS的DNAT钩子挂在
INPUT链上，因此必须要让内核识别 VIP(cluster-ip) 是本机的 IP。k8s 通过设置将
service cluster ip 绑定到虚拟网卡kube-ipvs0，其中下面的10.96.x.x都是VIP，也就
是cluster-ip。如下图：

ipvs-clsterip.png

ipvs 会使用 iptables 进行包过滤、SNAT、masquared(伪装)。具体来说，ipvs 将使用
ipset来存储需要DROP或masquared的流量的源或目标地址，以确保 iptables 规则的
数量是恒定的，这样我们就不需要关心我们有多少服务了。

2.1、cluster-ip到pod访问

这里访问cluster ip为10.96.0.10，k8s集群内部的dns服务

1)、入口流量匹配：
数据包是通过本地协议发出的，在宿主机本地通过访问cluster-ip到后端真是的pod那
么就要伪装所有访问 Service Cluster IP 的外部流量，k8s只能在OUTPUT这个链上
来做相应的规则：
$iptables -S -tnat | grep OUTPUT

ipvs-cls-out.png

匹配到倒数第二条就是将流量引入到KUBE-SERVICES规则中处理。如下图：

2)、入口流量引流到全局链KUBE-SERVICES中：
ipset list KUBE-CLUSTER-IP
iptables -S -tnat | grep KUBE-SERVICES

ipvs-cls-out-2.png

第一步中上面的数据包流入到KUBE-SERVICES该规则中目的就是让源地址不是
10.244.0.0/16，目的地址match 到 KUBE-CLUSTER-IP 的数据包打上标签。

3)、入口流量标签化处理：
将上面KUBE-SERVICES链中的流量进行打标签处理：
$iptables -S -tnat | grep KUBE-MARK-MASQ

ipvs-cls-tag.png

4)、入口流量SNAT处理：
那么数据包在出去的时候一定是要经过POSTROUTING链进行SNAT即将所有来源外部
流量转换成该cluster ip的源地址。
$iptables -S -tnat | grep POSTROUTING

ipvs-cls-pro-1.png

然后通过内部的lvs进行流量转发到后端pod上。如下图：
$ipvsadm -Ln

ipvs-cls-out-3.png

2.2、node-ip到pod访问

这里创建一个service为NodePort的nginx应用对应为nodeip:port(192.168.100.100:30080)，
clusterip:port(10.101.19.237:80)
$ip ad| grep ipvs

$kubectl get svc

ipvs-node-1.png

1)、入口流量匹配：
集群外部通过node ip 访问到后端pod服务，流量肯定是先在PREROUTING链中处理：
$iptables -S -tnat | grep PREROUTING

ipvs-node-2.png

匹配到倒数第二条就是，将流量引入到KUBE-SERVICES规则中处理。

2)、入口流量引流到全局链KUBE-SERVICES中：
$ipset list KUBE-CLUSTER-IP

$iptables -S -tnat | grep KUBE-SERVICES

ipvs-node-3.jpg

第一步中上面的数据包流入到KUBE-SERVICES该规则中目的就是让源地址不是10.244.0.0/16，目的地址match 到 KUBE-CLUSTER-IP 的数据包打上标签

3)、入口流量标签化处理：
$iptables -S -tnat | grep KUBE-MARK-MASQ

ipvs-node-4.png

4)、入口流量SNAT处理：
那么数据包在出去的时候一定是要经过POSTROUTING链进行SNAT即将所有来源外部流量转换成该cluster ip的源地址。
$iptables -S -tnat | grep POSTROUTING

ipvs-node-5.png

iptables中POSTROUTING链最先将流量引流到KUBE-POSTROUTING中做进一步的SNAT处理
$iptables -S -tnat | grep KUBE-POSTROUTING

ipvs-node-6.png

端口的转换
$iptables -S -tnat | grep KUBE-NODE-PORT

ipvs-node-7.png

上面的流程进行SNAT后即将所有来源外部流量转换成该cluster ip的源地址的对应得端
口。然后通过内部的lvs进行流量转发到后端pod上。

3、总结如下流程：

这种的LB方式和之前分析的swarm集群中LB类似都是用lvs来直接进行负载，这比起原先使用iptables来进行负载在性能上要好的多，同时也比较清晰友好。总之一句话流量都是要先经过iptables清理一遍然后交给4层的lvs进行负载。

lc.png