【云原生 | 从零开始学Kubernetes】二十、Service代理kube-proxy组件详解

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kube-proxy 组件介绍

Kubernetes service 只是把应用对外提供服务的方式做了抽象，真正的应用跑在 Pod 中的 container 里，我们的请求转到 kubernetes nodes 对应的 nodePort 上，那么 nodePort 上的请求是如何进一步转到提供后台服务的 Pod 的呢？ 就是通过 kube-proxy 实现的

kube-proxy 部署在 k8s 的每一个 Node 节点上，是 Kubernetes 的核心组件，我们创建一个 service 的时候，kube-proxy 会在 iptables 中追加一些规则，为我们实现路由与负载均衡的功能。在 k8s1.8 之前，kube-proxy 默认使用的是 iptables 模式，通过各个 node 节点上的 iptables 规则来实现 service 的负载均衡，但是随着 service 数量的增大，iptables 模式由于线性查找匹配、全量更新等特点，其性能 会显著下降。从 k8s 的 1.8 版本开始，kube-proxy 引入了 IPVS 模式，IPVS 模式与 iptables 同样基于 Netfilter，但是采用的 hash 表，因此当 service 数量达到一定规模时，hash 查表的速度优势就会显现出来，从而提高 service 的服务性能。

kubectl get pods -n kube-system -o wide

service 是一组 pod 的服务抽象，相当于一组 pod 的 LB，负责将请求分发给对应的 pod。service 会为这个 LB 提供一个 IP，一般称为 cluster IP。kube-proxy 的作用主要是负责 service 的实现，具体来说，就是实现了内部从 pod 到 service 和外部的从 node port 向 service 的访问。

1、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。

2、kube-proxy 管理 sevice 的 Endpoints，该 service 对外暴露一个 Virtual IP，也可以称为是 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。

kube-proxy 三种工作模式

1、Userspace 方式：

Client Pod 要访问 Server Pod 时，它先将请求发给内核空间中的 service iptables 规则，由它再将请求转给监听在指定套接字上的 kube-proxy 的端口，kube-proxy 处理完请求，并分发请求到指定Server Pod 后,再将请求转发给内核空间中的 service ip，由 service iptables 将请求转给各个节点中 的 Server Pod。

这个模式有很大的问题，客户端请求先进入内核空间的，又进去用户空间访问 kube-proxy，由 kube-proxy 封装完成后再进去内核空间的 iptables，再根据 iptables 的规则分发给各节点的用户空间的 pod。由于其需要来回在用户空间和内核空间交互通信，因此效率很差。在 Kubernetes 1.1 版本之前，userspace 是默认的代理模型。

2、iptables 方式：

客户端 IP 请求时，直接请求本地内核 service ip，根据 iptables 的规则直接将请求转发到到各 pod 上，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 iptables 代理模式由 Kubernetes 1.1 版本引入，自 1.2 版本开始成为默认类型。

3、ipvs 方式：

Kubernetes 自 1.9-alpha 版本引入了 ipvs 代理模式，自 1.11 版本开始成为默认设置。客户端请求时到达内核空间时，根据 ipvs 的规则直接分发到各 pod 上。kube-proxy 会监视 Kubernetes Service 对象和 Endpoints，调用 netlink 接口以相应地创建 ipvs 规则并定期与 Kubernetes Service 对象和 Endpoints 对象同步 ipvs 规则，以确保 ipvs 状态与期望一致。访问服务时，流量将被重定向到其中一个后端 Pod。与 iptables 类似，ipvs 基于 netfilter 的 hook 功能，但使用哈希表作为底层数据结构并在内核空间中工作。这意味着 ipvs 可以更快地重定向流量，并且在同步代理规则时具有更好的性能。此外，ipvs 为负载均衡算法提供了更多选项，例如：

rr：轮询调度  

lc：最小连接数  

dh：目标哈希  

sh：源哈希  

sed：最短期望延迟  

nq：不排队调度 

如果某个服务后端 pod 发生变化，标签选择器适应的 pod 又多一个，适应的信息会立即反映到 apiserver 上，而 kube-proxy 一定可以 watch 到 etc 中的信息变化，而将它立即转为 ipvs 或者 iptables 中的规则，这一切都是动态和实时的，删除一个 pod 也是同样的原理。

以上不论哪种，kube-proxy 都通过 watch 的方式监控着 apiserver 写入 etcd 中关于 Pod 的最新状态信息,它一旦检查到一个 Pod 资源被删除了或新建了，它将立即将这些变化反应在 iptables 或 ipvs 规则中，以便 iptables 和 ipvs 在调度 Clinet Pod 请求到 Server Pod时不会出现 Server Pod 不存在的情况。自 k8s1.11 以后,service 默认使用 ipvs 规则，若 ipvs 没有被激活，则降级使用 iptables 规则.

kube-proxy 生成的 iptables 规则分析

1、service 的 type 类型是 ClusterIp，iptables 规则分析

在 k8s 创建的 service，虽然有 ip 地址，但是 service 的 ip 是虚拟的，不存在物理机上的，是在 iptables 或者 ipvs 规则里的。

[root@k8smaster service]# kubectl apply -f pod_test.yaml 
[root@k8smaster service]# kubectl apply -f service_test.yaml 
[root@k8smaster node]# kubectl get svc -l run=my-nginx
NAME       TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
my-nginx   ClusterIP   10.105.254.244   <none>        80/TCP    15s
[root@k8smaster node]# kubectl get pods -l run=my-nginx -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE       NOMINATED NODE  
my-nginx-5898cf8d98-5trvw   1/1     Running   0          40s   10.244.1.5   k8snode2   <none>          
my-nginx-5898cf8d98-phfqr   1/1     Running   0          40s   10.244.1.4   k8snode2   <none>          
[root@k8smaster node]# iptables -t nat -L | grep 10.105.254.244
KUBE-MARK-MASQ  tcp  -- !10.244.0.0/16        10.105.254.244       /* default/my-nginx: cluster IP */ tcp dpt:http
KUBE-SVC-BEPXDJBUHFCSYIC3  tcp  --  anywhere             10.105.254.244       /* default/my-nginx: cluster IP */ tcp dpt:http

[root@k8smaster node]# iptables -t nat -L | grep KUBE-SVC-BEPXDJBUHFCSYIC3
KUBE-SVC-BEPXDJBUHFCSYIC3  tcp  --  anywhere             10.105.254.244       /* default/my-nginx: cluster IP */ tcp dpt:http			#把service关联的pod做了转发
Chain KUBE-SVC-BEPXDJBUHFCSYIC3 (1 references)		

[root@k8smaster node]# iptables -t nat -L | grep 10.244.1.5
KUBE-MARK-MASQ  all  --  10.244.1.5           anywhere             /* default/my-nginx: */
DNAT       tcp  --  anywhere             anywhere             /* default/my-nginx: */ tcp to:10.244.1.5:80
#DNAT转发 kubesvc接收请求，在过滤podip的时候有个mark也会标记ip，然后做了一个dnat转发到10.244.1.5:80这个pod上

#通过上面可以看到之前创建的 service，会通过 kube-proxy 在 iptables 中生成一个规则，来实现流量路由，有一系列目标为 KUBE-SVC-xxx 链的规则，每条规则都会匹配某个目标 ip 与端口。也就是说访问某个 serivce的ip和端口请求会由 KUBE-SVC-xxx 链来通过DNAT转发到对应的podip和端口上。

2、service 的 type 类型是 nodePort，iptables 规则分析

[root@k8smaster node]# kubectl apply -f pod_nodeport.yaml 
deployment.apps/my-nginx-nodeport created
[root@k8smaster node]# kubectl apply -f service_nodeport.yaml 
service/my-nginx-nodeport created

[root@k8smaster node]# kubectl get pods -l run=my-nginx-nodeport -o wide
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE       NOMINATED
my-nginx-nodeport-5fccbb754b-m4csx   1/1     Running   0          34s   10.244.1.7   k8snode2   <none>      
my-nginx-nodeport-5fccbb754b-rg48l   1/1     Running   0          34s   10.244.1.6   k8snode2   <none>
[root@k8smaster node]# kubectl get svc -l run=my-nginx-nodeport 
NAME                TYPE       CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
my-nginx-nodeport   NodePort   10.105.58.82   <none>        80:30380/TCP   39s
 
[root@k8smaster node]# iptables -t nat -S | grep 30380 
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m tcp --dport 30380 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m tcp --dport 30380 -j KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG
#一个是mark链一个是svc 在访问物理机ip和端口，访问会先经过这两个链

[root@k8smaster node]# iptables -t nat -S | grep KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG
-N KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m tcp --dport 30380 -j KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG
-A KUBE-SERVICES -d 10.105.58.82/32 -p tcp -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG
-A KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33Q
-A KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -j KUBE-SEP-K2MGI3AJIGBK3IJ5
#会通过iptables的probability机制有0.50的概率进入KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33Q这个链，剩下50%还是最后那个GBK3IJ5这个链

[root@k8smaster node]# iptables -t nat -S | grep KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33
-N KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33Q
-A KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33Q -s 10.244.1.6/32 -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33Q -p tcp -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.6:80
-A KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33Q

#-A KUBE-SEP-36FBCF7ZW3VDH33Q -p tcp -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.6:80 是做了一个dnat把请求给10.244.1.6这个pod的80端口了 下面可以看到ip是相同的
[root@k8smaster node]# kubectl get pods -l run=my-nginx-nodeport -o wide
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE       NOMINATED
my-nginx-nodeport-5fccbb754b-m4csx   1/1     Running   0          8m24s   10.244.1.7   k8snode2   <none>    
my-nginx-nodeport-5fccbb754b-rg48l   1/1     Running   0          8m24s   10.244.1.6   k8snode2   <none>    

 
[root@k8smaster node]# iptables -t nat -S | grep KUBE-SEP-K2MGI3AJIGBK3IJ5
-N KUBE-SEP-K2MGI3AJIGBK3IJ5
-A KUBE-SEP-K2MGI3AJIGBK3IJ5 -s 10.244.1.7/32 -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-K2MGI3AJIGBK3IJ5 -p tcp -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.7:80
-A KUBE-SVC-6JXEEPSEELXY3JZG -m comment --comment "default/my-nginx-nodeport:" -j KUBE-SEP-K2MGI3AJIGBK3IJ5
#也是一个dnat，把请求分给另外一个pod，通过这两个链50%的概率来转发到两个pod上

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