Kubernetes Service 服务发现与负载均衡

本文将主要分享以下四方面的内容:

  1. 为什么需要 K8s service;
  2. K8s service 用例解读;
  3. K8s service 操作演示;
  4. K8s service 架构设计。

 

一、需求来源


为什么需要服务发现

在 K8s 集群里面会通过 pod 去部署应用,与传统的应用部署不同,传统应用部署在给定的机器上面去部署,我们知道怎么去调用别的机器的 IP 地址。但是在 K8s 集群里面应用是通过 pod 去部署的, 而 pod 生命周期是短暂的。在 pod 的生命周期过程中,比如它创建或销毁,它的 IP 地址都会发生变化,这样就不能使用传统的部署方式,不能指定 IP 去访问指定的应用。

另外在 K8s 的应用部署里,之前虽然学习了 deployment 的应用部署模式,但还是需要创建一个 pod 组,然后这些 pod 组需要提供一个统一的访问入口,以及怎么去控制流量负载均衡到这个组里面。比如说测试环境、预发环境和线上环境,其实在部署的过程中需要保持同样的一个部署模板以及访问方式。因为这样就可以用同一套应用的模板在不同的环境中直接发布。

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Service:Kubernetes 中的服务发现与负载均衡

最后应用服务需要暴露到外部去访问,需要提供给外部的用户去调用的。我们上节了解到 pod 的网络跟机器不是同一个段的网络,那怎么让 pod 网络暴露到去给外部访问呢?这时就需要服务发现。

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在 K8s 里面,服务发现与负载均衡就是 K8s Service。上图就是在 K8s 里 Service 的架构,K8s Service 向上提供了外部网络以及 pod 网络的访问,即外部网络可以通过 service 去访问,pod 网络也可以通过 K8s Service 去访问。

向下,K8s 对接了另外一组 pod,即可以通过 K8s Service 的方式去负载均衡到一组 pod 上面去,这样相当于解决了前面所说的复发性问题,或者提供了统一的访问入口去做服务发现,然后又可以给外部网络访问,解决不同的 pod 之间的访问,提供统一的访问地址。

 

二、用例解读


下面进行实际的一个用例解读,看 pod K8s 的 service 要怎么去声明、怎么去使用?

Service 语法

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首先来看 K8s Service 的一个语法,上图实际就是 K8s 的一个声明结构。这个结构里有很多语法,跟之前所介绍的 K8s 的一些标准对象有很多相似之处。比如说标签 label 去做一些选择、selector 去做一些选择、label 去声明它的一些 label 标签等。

这里有一个新的知识点,就是定义了用于 K8s Service 服务发现的一个协议以及端口。继续来看这个模板,声明了一个名叫 my-service 的一个 K8s Service,它有一个 app:my-service 的 label,它选择了 app:MyApp 这样一个 label 的 pod 作为它的后端。

最后是定义的服务发现的协议以及端口,这个示例中我们定义的是 TCP 协议,端口是 80,目的端口是 9376,效果是访问到这个 service 80 端口会被路由到后端的 targetPort,就是只要访问到这个 service 80 端口的都会负载均衡到后端 app:MyApp 这种 label 的 pod 的 9376 端口。

创建和查看 Service

如何去创建刚才声明的这个 service 对象,以及它创建之后是什么样的效果呢?通过简单的命令:

  • kubectl apply -f service.yaml

或者是

  • kubectl created -f service.yaml

上面的命令可以简单地去创建这样一个 service。创建好之后,可以通过:

  • kubectl discribe service

去查看 service 创建之后的一个结果。

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service 创建好之后,你可以看到它的名字是 my-service。Namespace、Label、Selector 这些都跟我们之前声明的一样,这里声明完之后会生成一个 IP 地址,这个 IP 地址就是 service 的 IP 地址,这个 IP 地址在集群里面可以被其它 pod 所访问,相当于通过这个 IP 地址提供了统一的一个 pod 的访问入口,以及服务发现。

这里还有一个 Endpoints 的属性,就是我们通过 Endpoints 可以看到:通过前面所声明的 selector 去选择了哪些 pod?以及这些 pod 都是什么样一个状态?比如说通过 selector,我们看到它选择了这些 pod 的一个 IP,以及这些 pod 所声明的 targetPort 的一个端口。

 

实际的架构如上图所示。在 service 创建之后,它会在集群里面创建一个虚拟的 IP 地址以及端口,在集群里,所有的 pod 和 node 都可以通过这样一个 IP 地址和端口去访问到这个 service。这个 service 会把它选择的 pod 及其 IP 地址都挂载到后端。这样通过 service 的 IP 地址访问时,就可以负载均衡到后端这些 pod 上面去。

当 pod 的生命周期有变化时,比如说其中一个 pod 销毁,service 就会自动从后端摘除这个 pod。这样实现了:就算 pod 的生命周期有变化,它访问的端点是不会发生变化的。

集群内访问 Service

在集群里面,其他 pod 要怎么访问到我们所创建的这个 service 呢?有三种方式:

  • 首先我们可以通过 service 的虚拟 IP 去访问,比如说刚创建的 my-service 这个服务,通过 kubectl get svc 或者 kubectl discribe service 都可以看到它的虚拟 IP 地址是 172.29.3.27,端口是 80,然后就可以通过这个虚拟 IP 及端口在 pod 里面直接访问到这个 service 的地址。
  • 第二种方式直接访问服务名,依靠 DNS 解析,就是同一个 namespace 里 pod 可以直接通过 service 的名字去访问到刚才所声明的这个 service。不同的 namespace 里面,我们可以通过 service 名字加“.”,然后加 service 所在的哪个 namespace 去访问这个 service,例如我们直接用 curl 去访问,就是 my-service:80 就可以访问到这个 service。
  • 第三种是通过环境变量访问,在同一个 namespace 里的 pod 启动时,K8s 会把 service 的一些 IP 地址、端口,以及一些简单的配置,通过环境变量的方式放到 K8s 的 pod 里面。在 K8s pod 的容器启动之后,通过读取系统的环境变量比读取到 namespace 里面其他 service 配置的一个地址,或者是它的端口号等等。比如在集群的某一个 pod 里面,可以直接通过 curl $ 取到一个环境变量的值,比如取到 MY_SERVICE_SERVICE_HOST 就是它的一个 IP 地址,MY_SERVICE 就是刚才我们声明的 MY_SERVICE,SERVICE_PORT 就是它的端口号,这样也可以请求到集群里面的 MY_SERVICE 这个 service。

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 Headless Service

service 有一个特别的形态就是 Headless Service。service 创建的时候可以指定 clusterIP:None,告诉 K8s 说我不需要 clusterIP(就是刚才所说的集群里面的一个虚拟 IP),然后 K8s 就不会分配给这个 service 一个虚拟 IP 地址,它没有虚拟 IP 地址怎么做到负载均衡以及统一的访问入口呢?

它是这样来操作的:pod 可以直接通过 service_name 用 DNS 的方式解析到所有后端 pod 的 IP 地址,通过 DNS 的 A 记录的方式会解析到所有后端的 Pod 的地址,由客户端选择一个后端的 IP 地址,这个 A 记录会随着 pod 的生命周期变化,返回的 A 记录列表也发生变化,这样就要求客户端应用要从 A 记录把所有 DNS 返回到 A 记录的列表里面 IP 地址中,客户端自己去选择一个合适的地址去访问 pod。 

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 可以从上图看一下跟刚才我们声明的模板的区别,就是在中间加了一个 clusterIP:None,即表明不需要虚拟 IP。实际效果就是集群的 pod 访问 my-service 时,会直接解析到所有的 service 对应 pod 的 IP 地址,返回给 pod,然后 pod 里面自己去选择一个 IP 地址去直接访问。

向集群外暴露 Service

前面介绍的都是在集群里面 node 或者 pod 去访问 service,service 怎么去向外暴露呢?怎么把应用实际暴露给公网去访问呢?这里 service 也有两种类型去解决这个问题,一个是 NodePort,一个是 LoadBalancer。

  • NodePort 的方式就是在集群的 node 上面(即集群的节点的宿主机上面)去暴露节点上的一个端口,这样相当于在节点的一个端口上面访问到之后就会再去做一层转发,转发到虚拟的 IP 地址上面,就是刚刚宿主机上面 service 虚拟 IP 地址。
  • LoadBalancer 类型就是在 NodePort 上面又做了一层转换,刚才所说的 NodePort 其实是集群里面每个节点上面一个端口,LoadBalancer 是在所有的节点前又挂一个负载均衡。比如在阿里云上挂一个 SLB,这个负载均衡会提供一个统一的入口,并把所有它接触到的流量负载均衡到每一个集群节点的 node pod 上面去。然后 node pod 再转化成 ClusterIP,去访问到实际的 pod 上面。

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