【云原生】K8S--负载均衡详细介绍；什么是K8S的负载均衡？

一、K8S云原生服务集群问题

（一）负载均衡原理

在之前的文章说过，每一个Pod都是独立的IP、HostName、存储，同时Pod是随时可以被动态创建和回收的，那么就有个问题，我们如何知道Pod的IP并进行访问的呢？ 其实K8S是使用Service VIP技术的虚拟ip + kube-proxy来解决这个问题，其中service VIP用来转发请求，kube-proxy用来监控pod状态，并且会及时修改pod的ip。

service是K8S的资源对象，service资源对象运行在每一个node节点上，每一个node节点都有一个service进程，service有自己的IP地址（虚拟IP），而service VIP相当于一个网关，所有的请求都要经过service VIP，通过service VIP进行转发，从而实现负载均衡。

service VIP一旦被创建，是不会被修改的，除非删除service后重新创建service；同时由于service信息存储在高可用的etcd中，且service实例运行在多个node节点上，因此Service VIP不存在单点故障的问题；由于service VIP中使用的是虚拟IP，因此Service VIP只能在局域网内部进行访问，不能通过外网进行访问，如果想要进行外网访问，则需要借助物理网卡进行端口映射转发。

在K8S中IP资源的分类如下：

• Node IP：Node物理节点IP

• Pod IP：物理机内部运行的一个虚拟容器pod的ip

• cluster IP：集群IP，也是个虚拟IP，是K8S抽象出来的一个service的IP。此IP只能局域网内部访问，不能通过外网访问，如果要使用外网访问，就必须开辟nodeport类型的IP地址。如下图所示，外网访问物理IP，然后将访问请求映射到service VIP上，service VIP从etcd上获取endpoints中pod的IP，然后使用负载均衡策略选择一个pod进行调用

（二）Pod服务发现

Pod服务发现借助kube-proxy实现，该组件实现了三件事情：监控pod；pod如果发生了变化，及时修改映射关系；修改映射关系的同时，修改路由规则，以便在负载均衡时可以选择到新的pod。

二、负载均衡方案（四层负载）

K8S的负载均衡方案有三种：kube-proxy（userspace）、iptables（防火墙）、ipvs。

1、kube-proxy

使用kube-proxy的负载方案是使用kube-proxy来监控pod的状态，如果pod发生了变化，则需要kube-proxy去修改service和pod的映射关系（endpoints），同时修改路由规则，并且由kube-proxy转发请求，这种方式kube-proxy的压力比较大，性能可能会出现问题。

2、IPtables

IPtables是K8S默认采用的负载策略，这种方式中，kube-proxy同样用来监控pod和修改映射关系以及修改路由规则，但是转发请求是采用轮询iptables路由规则的方式进行调用处理的。

这种模式kube-proxy主要做好watching Cluster API即可，路由和请求的转发都交给了iptables，但是kube-proxy在请求无响应时会换一个pod进行重试，而iptables则是一条条的路由规则，不会进行重试。

在iptables中，默认的轮询策略是随机的轮询策略，但是也可以将其设置为轮询。

（1）设置为随机策略

# 随机：(Random balancing)
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 27017 -m statistic --mode random --probability 0.33  -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 27017 -m statistic --mode random --probability 0.5 -j DNAT --to-destination 10.0.0.3:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 27017  -j DNAT --to-destination 10.0.0.4:1234

在iptables命令中，命令的执行和顺序有关，在上述命令中，用–probability 设置了命中几率，第一条设置了纪律是0.33，也就是整个请求的0.33，第二条命中率为0.5，实际是剩余请求的0.5，也就是总请求的0.335，第三条是剩余的流量全部打到该ip上，也就是0.335，基本上就是随机分配了。

（2）设置为轮询策略

#every：每n个包匹配一次规则
#packet：从第p个包开始
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 27017 -m statistic --mode nth --every 3 --packet 0 -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 27017 -m statistic --mode nth --every 2 --packet 0  -j DNAT --to-destination 10.0.0.3:1234
iptables -A PREROUTING -t nat -p tcp -d 192.168.1.1 --dport 27017 -j DNAT --to-destination 10.0.0.4:1234

3、IPVS

ipvs (IP Virtual Server) 实现传输层负载均衡，通常称为第四层LAN交换，是Linux内核的一部分。

ipvs与iptables的区别：

• ipvs为大型集群提供了更好的可扩展性和性能

• ipvs支持比iptables更复杂的负载均衡算法

• ipvs支持服务器的健康检查和连接重试等。

对于上述差异做个说明：

在linux中iptables设计是用于防火墙的，对于比较少的规则，没有太多的性能影响，如果对于一个庞大的K8S集群，会有上千Service服务，Service服务会对应多个pod，每条都是一个iptables规则，那么对于集群来说，每个node上都有大量的规则，简直是噩梦。而IPVS则是使用hash tables来存储网络转发规则的，比iptables更有优势，而且ipvs主要工作在kerbespace，减少了上下文的切换。

IPVS有轮询（rr）、最小连接数（lc）、目的地址hash（dh）、源地址hash（sh）、最短期望延迟（sed）、无须队列等待（nq）等负载均衡算法，在node上通过 “–ipvs-scheduler”参数，指定kube-proxy的启动算法。

kube-proxy和IPVS合作的流程：

（1）kube-proxy仍然是watching Cluster API，获取新建、删除Service或Endpoint pod指令，如果有新的Service建立，kube-proxy回调网络接口，构建IPVS规则。

（2）kube-proxy会定期同步Service和Pod的转发规则，确保失效的转发可以被及时修复

（3）有请求转发到后端的集群时，IPVS的负载均衡直接将其转发到对应的Pod上

三、Ingres-nginx（七层负载均衡）

（一）为什么要使用Ingres

1、先介绍以下部署K8S服务时使用到的配置文件：

创建配置文件（ingres.yaml），用来部署一个nginx的deployment和service

# 创建一个service资源对象
# kubectl expose deployment xxName –port=80 –target-port=80    k8s指令模式创建一个service
# k8s部署yaml方式
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
---

# 部署deployment对象，k8s创建3个资源对象：Deployment,ReplicaSet,POD
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.16
        ports:
        - containerPort: 80

对上面的配置文件做个描述：

首先看Deployment：

apiVersion标记版本，Kind标记类型，说明要创建一个Deployment，该deployment的名字叫nginx，空间为默认空间。

spec下是rs和pod的配置，首先replicas是副本的数量，然后就是选择器的名称为nginx。

template下是副本的配置，首先副本的标签是nginx，容器的名字是nginx，镜像为nginx1.16，这里可以配置为镜像仓库地址和对应的镜像，最后ports是容器开放的端口。

这里说明几个比较重要的配置，就是选择器的名称和容器的标签一定要一致（绿色连接线），否则容器不会被副本控制器RS所控制。

然后说一下Service：

apiVersion和Kind都和Deployment一样，Kind的值表明了这是一个Service配置。

然后就是这个service的名字，service标签选择器的名字，以及目标容器的端口。

这里说几个比较重要的配置，和Deployment一样，选择器的名字要和容器的名字一致（绿色连接线），目标容器端口要和容器的端口保持一致（紫色连接线）

执行配置文件，生成deployment和service：

kubectl apply -f ingres.yaml

执行后查看deployment、service、rs、pod的情况（注意：这一步一般时间比较久，需要等一会）

从上面图片的输出中可以看到，nginx的type为ClusterIp，这种类型的service只能在集群内部访问，而不能在外部直接访问，那么就需要修改类型为NodePort，修改命令：

kubectl edit svc nginx

　更改完毕之后，重新查看service，发现type已经变为NodePort，且port也变更了，前面的80是容器内的端口，后面的31758是对外开放的端口，也就是宿主机的端口。

此时，使用宿主机的ip + 31758访问，即可访问nginx

但是有个问题，就是如果每个服务都要对外开启一个端口，那么就需要开启很多的端口，这样即麻烦又有点浪费，因此就需要Ingres来解决这个问题，Ingres只需要一个NodePort就可以解决上述的问题。因为ingress相当于一个7层的负载均衡器，是k8s对反向代理的一个抽象。大概的工作原理也确实类似于Nginx，可以理解成在 Ingress 里建立一个个映射规则 , ingress Controller 通过监听 Ingress这个api对象里的配置规则并转化成 Nginx 的配置（kubernetes声明式API和控制循环） , 然后对外部提供服务。

（二）Ingres-Nginx介绍

Ingres是K8S对于nginx进行云原生模式的封装，使得nginx更适合云原生的结构，使用Ingres可以对Service进行负载均衡，因此Ingres工作在七层，属于七层负载均衡。

Ingres通过http协议的方式实现Service的负载均衡：

对于K8S来说，Ingres就是一个资源控制器，用来控制资源的访问策略，

（三）部署Ingres及使用同一个域名访问不同服务

Ingres的配置文件如下所示：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
  labels:
    app: nginx
spec:
  rules:
  - host: ingress.lcl.com
    http:
      paths:
      - backend:
          serviceName: nginx
          servicePort: 80

在上面文件中，配置了Ingres的规则，那么对于使用同一个域名访问不同服务的配置，则是在paths下面增加多个path路径，让path指向不同的服务，并且在metadata中新增请求重写配置annotations，去除path的路径，保证访问到指定服务上的路径不带有该path，具体配置如下所示：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
  labels:
    app: nginx
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: / # 请求重写
spec: 
  rules:
  - host: ingress.lcl.com
    http:
      paths:
        - path: /nginx   # 把path追加到域名后面 ingress.lcl.com/nginx   把/nignx当成服务请求的一部分
          backend:
            serviceName: nginx
            servicePort: 80
        - path: /tomcat
          backend:
            serviceName: tomcat
            servicePort: 8080

（四）不同域名访问不同服务

不同域名访问不同服务主要是在rules下面配置不同的规则即可。

# 使用多个域名，访问不同的服务
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
  labels:
    app: nginx
spec:
  rules:
  - host: ingress.lcl.com
    http:
      paths:
      - path: /
        backend:
         serviceName: nginx
         servicePort: 80
  - host: ingress.lcl.com
    http:
      paths:
      - path: /
        backend:
         serviceName: tomcat
         servicePort: 8080

（五）Ingres和https

如果想将http请求升级为https，我们就需要制作证书

# 生成私钥
openssl genrsa -out lcl.key 2048
# 自签发证书
openssl req -new -x509 -key lcl.key -out lcl.crt -subj /C=CN/ST=Shanghai/L=Shanghai/O=DevOps/CN=ingres.lcl.com
# 创建K8S使用的证书
kubectl create secret tls lcl-secret --cert=lcl.crt --key=lcl.key

创建ingres，使用证书的Ingres

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-tomcat-tls
  namespace: default
  annotations:
    kubernetes.io/ingress.class: "nginx"
  labels:
    app: tomcat
spec:
  tls:
  - hosts:
    - ingress.lcl.com
    secretName: lcl
  rules:
  - host: ingres.lcl.com
    http:
      paths:
        - backend:
            serviceName: nginx
            servicePort: 8080

查看secret资源

kubectl describe secret lcl

修改原来的ingres配置文件

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
  labels:
    app: nginx
spec:
  tls:
  - hosts:
    - ingres.lcl.com
    secretName: lcl-secret
  rules:
  - host: ingress.lcl.com
    http:
      paths:
      - backend:
          serviceName: nginx
          servicePort: 80