【云原生--Kubernetes】ingress详解

一. Ingress简介

1.1 service暴露方式

service的作用体现在两个方面，对集群内部，它不断跟踪pod的变化，更新endpoint中对应pod的对象，提供了ip不断变化的pod的服务发现机制；对集群外部，他类似负载均衡器，可以在集群内外部对pod进行访问。
在Kubernetes中，Pod的IP地址和service的ClusterIP仅可以在集群网络内部使用，对于集群外的应用是不可见的。为了使外部的应用能够访问集群内的服务，Kubernetes目前提供了以下几种方案：

• NodePort：将service暴露在节点网络上，NodePort背后就是Kube-Proxy，Kube-Proxy是沟通service网络、Pod网络和节点网络的桥梁。
  测试环境使用还行，当有几十上百的服务在集群中运行时，NodePort的端口管理就是个灾难。因为每个端口只能是一种服务，端口范围只能是 30000-32767。

• LoadBalancer：通过设置LoadBalancer映射到云服务商提供的LoadBalancer地址。这种用法仅用于在公有云服务提供商的云平台上设置 Service 的场景。受限于云平台，且通常在云平台部署LoadBalancer还需要额外的费用。
  在service提交后，Kubernetes就会调用CloudProvider在公有云上为你创建一个负载均衡服务，并且把被代理的Pod的IP地址配置给负载均衡服务做后端。

• externalIPs：service允许为其分配外部IP，如果外部IP路由到集群中一个或多个Node上，Service会被暴露给这些externalIPs。通过外部IP进入到集群的流量，将会被路由到Service的Endpoint上。

• Ingress：只需一个或者少量的公网IP和LB，即可同时将多个HTTP服务暴露到外网，七层反向代理。
  可以简单理解为service的service，它其实就是一组基于域名和URL路径，把用户的请求转发到一个或多个service的规则。

1.2 ingress组件

1.2.1 ingress

ingress是一个API对象，通过yaml文件来配置，ingress对象的作用是定义请求如何转发到service的规则，可以理解为配置模板。
ingress通过http或https暴露集群内部service，给service提供外部URL、负载均衡、SSL/TLS能力以及基于域名的反向代理。ingress要依靠 ingress-controller 来具体实现以上功能。

1.2.2 ingress-controller

ingress-controller是具体实现反向代理及负载均衡的程序，对ingress定义的规则进行解析，根据配置的规则来实现请求转发。
ingress-controller并不是k8s自带的组件，实际上ingress-controller只是一个统称，用户可以选择不同的ingress-controller实现，目前，由k8s维护的ingress-controller只有google云的GCE与ingress-nginx两个，其他还有很多第三方维护的ingress-controller，具体可以参考官方文档。但是不管哪一种ingress-controller，实现的机制都大同小异，只是在具体配置上有差异。
一般来说**，ingress-controller的形式都是一个pod**，里面跑着daemon程序和反向代理程序。daemon负责不断监控集群的变化，根据 ingress对象生成配置并应用新配置到反向代理，比如ingress-nginx就是动态生成nginx配置，动态更新upstream，并在需要的时候reload程序应用新配置。为了方便，后面的例子都以k8s官方维护的ingress-nginx为例。

Ingress-Nginx github 地址：https://github.com/kubernetes/ingress-nginx
Ingress-Nginx 官方网站：https://kubernetes.github.io/ingress-nginx/

小结：ingress-controller才是负责具体转发的组件，通过各种方式将它暴露在集群入口，外部对集群的请求流量会先到 ingress-controller， 而ingress对象是用来告诉ingress-controller该如何转发请求，比如哪些域名、哪些URL要转发到哪些service等等。

1.3 Ingress 工作原理

1. ingress-controller通过和 kubernetes APIServer 交互，动态的去感知集群中ingress规则变化，
2. 然后读取它，按照自定义的规则，规则就是写明了哪个域名对应哪个service，生成一段nginx配置，
3. 再写到nginx-ingress-controller的pod里，这个ingress-controller的pod里运行着一个Nginx服务，控制器会把生成的 nginx配置写入 /etc/nginx.conf文件中，
4. 然后reload一下使配置生效。以此达到域名区分配置和动态更新的作用。

二. ingress 暴露服务的方式

2.1 Deployment+LoadBalancer

如果要把ingress部署在公有云，那用这种方式比较合适。用Deployment部署ingress-controller，创建一个 type为 LoadBalancer 的 service 关联这组 pod。大部分公有云，都会为 LoadBalancer 的 service 自动创建一个负载均衡器，通常还绑定了公网地址。 只要把域名解析指向该地址，就实现了集群服务的对外暴露

缺点：不适用于高并发、大集群

2.2 DaemonSet+HostNetwork+nodeSelector

用DaemonSet结合nodeselector来部署ingress-controller到特定的node上，然后使用HostNetwork直接把该pod与宿主机node的网络打通，直接使用宿主机的80/433端口就能访问服务。这时，ingress-controller所在的node机器就很类似传统架构的边缘节点，比如机房入口的nginx服务器。该方式整个请求链路最简单，性能相对NodePort模式更好。缺点是由于直接利用宿主机节点的网络和端口，一个node只能部署一个ingress-controller pod。 比较适合大并发的生产环境使用。

2.3 Deployment+NodePort

同样用deployment模式部署ingress-controller，并创建对应的service，但是type为NodePort。这样，ingress就会暴露在集群节点ip的特定端口上。由于nodeport暴露的端口是随机端口，一般会在前面再搭建一套负载均衡器来转发请求。该方式一般用于宿主机是相对固定的环境ip地址不变的场景。
NodePort方式暴露ingress虽然简单方便，但是NodePort多了一层NAT，在请求量级很大时可能对性能会有一定影响。

缺点：对后期维护难度加大，对流量转发压力也会变大，且对于高并发支持不是很友好

三. ingress-nginx

3.1 Nginx Ingress Controller工作流程

Nginx Ingress Controller容器中运行主要了Ingress Controller（下面简称IC）和Nginx两个程序，官方文档中非常详细地介绍了其工作原理：How NGINX Ingress Controller Works。下面截取了其中一张图：

1、IC会为每种其感兴趣的资源类型（如Ingress、VirtualServer、VirtualServerRoute及其关联资源）创建一个Informer，每个Informer包括一个存储该类型资源的store。Informer会通过Kubernetes API监视其对应资源类型的变化情况，来使store中内容保持最新。

2、IC会为每个Informer注册一个处理程序Handler。当用户创建或者更新了资源时（如创建了一个Ingress资源），Informer会更新其store并调用其它对应的Handler。

3、Handler会在工作队列Workqueue中为发生改变的资源创建一个条目，工作队列的元素包括资源的类型及其命名空间和名称，如(Ingress,default,cafe)。

4、Workqueue总是会试图清空队列中的元素，如果队列前面有一个元素，Workqueue将移除该元素并通过调用回调函数将其发送给控制器Controller。

5、Controller是IC中的主要组件，代表控制回路。Controller在接收到Workqueue发送的信息后（即变更的资源），将从store中获取相关资源的最新版本。

6、Controller根据获取的资源，生成相应的nginx配置文件，写入容器的文件系统，然后reload nginx，并通过Kubernetes API将reload结果更新到资源的status和event。

3.2 部署 nginx-ingress-controller

• 部署ingress-controller pod及相关资源

mkdir /opt/ingress
cd /opt/ingress

官方下载：

wget https://gitee.com/mirrors/ingress-nginx/raw/nginx-0.30.0/deploy/static/mandatory.yaml

mandatory.yaml文件中包含了很多资源的创建，包括namespace、ConfigMap、role，ServiceAccount等等所有部署ingress-controller需要的资源。

修改mandatory.yaml配置

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
RBAC相关资源从1.17版本开始改用rbac.authorization.k8s.io/v1
这儿使用v1beta1的版本可能会报错，将所有的v1beta1改为v1

3.3 DaemonSet+HostNetwork+nodeselector

• 指定nginx-ingress-controller运行在node02节点

kubectl label node k8s-node2 ingress=true
 
kubectl get nodes --show-labels

• 修改Deployment为Daemonset,指定节点运行，并开启 hostNetwork

vim mandatory.yaml

apiversion: apps/vl
kind: Daemonset   #修改kind
replicas: 1        # 删除Replicas
hostNetwork: true  #使用主机网络
nodeSelector:
  ingress: "true"   #选择节点运行

• 启动nginx-ingress-controller

kubectl apply -f mandatory.yaml
 
kubectl get pod -n ingress-nginx -o wide

在node2节点查看

netstat -natp | grep nginx

由于配置了 hostnetwork，nginx 已经在 node 主机本地监听 80/443/8181 端口。其中 8181 是 nginx-controller 默认配置的一个 default backend（Ingress 资源没有匹配的 rule 对象时，流量就会被导向这个 default backend）。
这样，只要访问 node 主机有公网 IP，就可以直接映射域名来对外网暴露服务了。如果要 nginx 高可用的话，可以在多个 node
上部署，并在前面再搭建一套 LVS+keepalived 做负载均衡。

• 创建 ingress 规则
  vim service-nginx.yaml
  创建一个deploy和svc

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-app
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          ports:
            - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-app-svc
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx

kubectl apply -f service-nginx.yaml
kubectl get svc,pod

• 创建 ingress
  vim ingress-app.yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-app-ingress
spec:
  rules:
  - host: www.xiayan.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-app-svc
            port:
              number: 80

kubectl apply -f ingress-app.yaml

添加本地域名映射，用于测试

#注意此处使用的IP地址为node2节点的IP地址
echo "192.168.48.11 www.xiayan.com" >> /etc/hosts

• 查看nginx-ingress-controller

kubectl get pod -n ingress-nginx -o wide
 
kubectl exec -it nginx-ingress-controller-pplxc -n ingress-nginx bash
more /etc/nginx/nginx.conf

3.3 部署Deployment+NodePort

在做此部署时，先将上面部署的DaemonSet+HostNetwork+nodeselector删除

部署Deployment+NodePort

• 下载nginx-ingress-controller和ingress-nginx暴露端口配置文件

在主节点
mkdir /opt/ingress-nodeport
cd /opt/ingress-nodeport
 
官方下载地址：
wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/nginx-0.30.0/deploy/static/mandatory.yaml
wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/nginx-0.30.0/deploy/static/provider/baremetal/service-nodeport.yaml
 
国内 gitee 资源地址：
wget https://gitee.com/mirrors/ingress-nginx/raw/nginx-0.30.0/deploy/static/mandatory.yaml
wget https://gitee.com/mirrors/ingress-nginx/raw/nginx-0.30.0/deploy/static/provider/baremetal/service-nodeport.yaml

• 启动nginx-ingress-controller

kubectl apply -f mandatory.yaml
kubectl apply -f service-nodeport.yaml
kubectl get pod,svc -n ingress-nginx

• 创建deployment、service和ingress的yaml资源
  vim ingress-nginx.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-app
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      name: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        name: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          ports:
            - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-svc
spec:
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
      protocol: TCP
  selector:
    name: nginx
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-test
spec:
  rules:
  - host: www.xiayan.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service: 
            name: nginx-svc
            port:
              number: 80

发布

kubectl apply -f ingress-nginx.yaml
kubectl get svc,pods -o wide

测试：

#在两个pod中的nginx添加测试文件
kubectl exec -it pod/nginx-app-57dd86f5cc-7vmf4 bash
echo 'this is web1' >> /usr/share/nginx/html/index.html 

访问测试：


做端口映射

echo "192.168.48.14 www.xiayan.com" >> /etc/hosts

在虚拟机的web浏览器打开www.xiayan.com:31018,使用curl访问也一样

四. ingress-nginx 反向代理

4.1 ingress http代理访问虚拟主机

mkdir /opt/vhost
cd /opt/vhost

创建虚拟主机2资源
vim deployment1.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deployment1
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      name: nginx1
  template:
    metadata:
      labels:
        name: nginx1
    spec:
      containers:
        - name: nginx1
          image: nginx
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          ports:
            - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: svc-1
spec:
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
      protocol: TCP
  selector:
    name: nginx1

创建虚拟主机2资源
vim deployment2.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deployment2
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      name: nginx2
  template:
    metadata:
      labels:
        name: nginx2
    spec:
      containers:
        - name: nginx2
          image: nginx
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          ports:
            - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: svc-2
spec:
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
      protocol: TCP
  selector:
    name: nginx2

发布资源

kubectl apply -f deployment1.yaml
kubectl apply -f deployment2.yaml

创建ingress资源
vim ingress-nginx.yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress1
spec:
  rules:
    - host: www.xy.com
      http:
        paths:
        - path: /
          pathType: Prefix
          backend:
            service: 
              name: svc-1
              port:
                number: 80
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress2
spec:
  rules:
    - host: www.xiayan.com
      http:
        paths:
        - path: /
          pathType: Prefix
          backend:
            service: 
              name: svc-2
              port:
                number: 80

发布：

kubectl apply -f ingress-nginx.yaml
kubectl get ingress

注意：这儿要把上个试验所做的ingress删除，只留如图所示的ingress，否则待会测试可能出问题

编写nginx的访问界面，用于测试

kubectl exec -it deployment1-bc8f85f7-c99cl bash
kubectl exec -it deployment1-bc8f85f7-v4tbm bash
kubectl exec -it deployment2-68954b7689-8mrsd bash 
kubectl exec -it deployment2-68954b7689-hdnn6 bash 
echo 'this is www.xiayan.com web2' > /usr/share/nginx/html/index.html

添加域名映射

echo "192.168.48.14 www.xiayan.com" >> /etc/hosts
echo "192.168.48.14 www.xy.com" >> /etc/hosts

访问测试：

4.2 ingress HTTPS 代理访问

mkdir /opt/https
cd /opt/https

• 创建SSL证书

openssl req -x509 -sha256 -nodes -days 365 -newkey rsa:2048 -keyout tls.key -out tls.crt -subj "/CN=nginxsvc/O=nginxsvc"

• 创建 secret 资源进行存储
  

• 创建 deployment、Service、Ingress Yaml 资源
  vim ingress-https.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-app
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      name: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        name: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          ports:
            - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-svc
spec:
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
      protocol: TCP
  selector:
    name: nginx
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-https
spec:
  tls:
    - hosts:
      - www.xy.com
      secretName: tls-secret
  rules:
    - host: www.xy.com
      http:
        paths:
        - path: /
          pathType: Prefix
          backend:
            service: 
              name: nginx-svc
              port:
                number: 80

访问测试：

4.3 Nginx 重写跳转

1. nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target:<字符串>#必须重定向流量的目标URI
2. nginx.ingress . kubernetes.io/ssl-redirect:<布尔值>指示位置部分是否仅可访问sSL(当Ingress包含证书时，默认为true)
3. nginx.ingress . kubernetes.io/force-ssl-redirect:<布尔值>#即使Ingress未启用rLS，也强制重定向到HTTPS
4. nginx.ingress .kubernetes.io/app-root:<字符串>#定义controller必须重定向的应用程序根，如果它在’/'上下文中
5. nginx.ingress.kubernetes.io/use-regex:<布尔值>#指示Ingress.上定义的路径是否使用正则表达式

编写yaml文件
vim ingress-rewrite.yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-rewrite
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: https://www.xy.com:31222
spec:
  rules:
  - host: rewrite.xy.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
		  #由于rewrite.xy.com只是用于跳转不需要真实站点存在，因此svc资源名称可随意定义
          service: 
            name: nginx-svc
            port:
              number: 80

echo "192.168.48.14 rewrite.xy.com" >> /etc/hosts

测试访问：

五. 总结

ingress是k8s集群的请求入口，可以理解为对多个service的再次抽象
通常说的ingress一般包括ingress资源对象及ingress-controller两部分组成
ingress-controller有多种实现，社区原生的是ingress-nginx，根据具体需求选择
ingress自身的暴露有多种方式，需要根据基础环境及业务类型选择合适的方式