kube-proxy IPVS 模式的工作原理

原文链接：https://fuckcloudnative.io/posts/ipvs-how-kubernetes-services-direct-traffic-to-pods/

Kubernetes 中的 Service 就是一组同 label 类型 Pod 的服务抽象，为服务提供了负载均衡和反向代理能力，在集群中表示一个微服务的概念。kube-proxy 组件则是 Service 的具体实现，了解了 kube-proxy 的工作原理，才能洞悉服务之间的通信流程，再遇到网络不通时也不会一脸懵逼。

kube-proxy 有三种模式：userspace、iptables 和 IPVS，其中 userspace 模式不太常用。iptables 模式最主要的问题是在服务多的时候产生太多的 iptables 规则，非增量式更新会引入一定的时延，大规模情况下有明显的性能问题。为解决 iptables 模式的性能问题，v1.11 新增了 IPVS 模式（v1.8 开始支持测试版，并在 v1.11 GA），采用增量式更新，并可以保证 service 更新期间连接保持不断开。

目前网络上关于 kube-proxy 工作原理的文档几乎都是以 iptables 模式为例，很少提及 IPVS，本文就来破例解读 kube-proxy IPVS 模式的工作原理。为了理解地更加彻底，本文不会使用 Docker 和 Kubernetes，而是使用更加底层的工具来演示。

我们都知道，Kubernetes 会为每个 Pod 创建一个单独的网络命名空间 (Network Namespace) ，本文将会通过手动创建网络命名空间并启动 HTTP 服务来模拟 Kubernetes 中的 Pod。

本文的目标是通过模拟以下的 Service 来探究 kube-proxy 的 IPVS 和 ipset 的工作原理：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: app-service
spec:
  clusterIP: 10.100.100.100
  selector:
    component: app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 8080
      targetPort: 8080

跟着我的步骤，最后你就可以通过命令 curl 10.100.100.100:8080 来访问某个网络命名空间的 HTTP 服务。为了更好地理解本文的内容，推荐提前阅读以下的文章：

1. How do Kubernetes and Docker create IP Addresses?!
2. iptables: How Docker Publishes Ports
3. iptables: How Kubernetes Services Direct Traffic to Pods

注意：本文所有步骤皆是在 Ubuntu 20.04 中测试的，其他 Linux 发行版请自行测试。

准备实验环境

首先需要开启 Linux 的路由转发功能：

$ sysctl --write net.ipv4.ip_forward=1

接下来的命令主要做了这么几件事：

• 创建一个虚拟网桥 bridge_home
• 创建两个网络命名空间 netns_dustin 和 netns_leah
• 为每个网络命名空间配置 DNS
• 创建两个 veth pair 并连接到 bridge_home
• 给 netns_dustin 网络命名空间中的 veth 设备分配一个 IP 地址为 10.0.0.11
• 给 netns_leah 网络命名空间中的 veth 设备分配一个 IP 地址为 10.0.021
• 为每个网络命名空间设定默认路由
• 添加 iptables 规则，允许流量进出 bridge_home 接口
• 添加 iptables 规则，针对 10.0.0.0/24 网段进行流量伪装

$ ip link add dev bridge_home type bridge
$ ip address add 10.0.0.1/24 dev bridge_home

$ ip netns add netns_dustin
$ mkdir -p /etc/netns/netns_dustin
echo "nameserver 114.114.114.114" | tee -a /etc/netns/netns_dustin/resolv.conf
$ ip netns exec netns_dustin ip link set dev lo up
$ ip link add dev veth_dustin type veth peer name veth_ns_dustin
$ ip link set dev veth_dustin master bridge_home
$ ip link set dev veth_dustin up
$ ip link set dev veth_ns_dustin netns netns_dustin
$ ip netns exec netns_dustin ip link set dev veth_ns_dustin up
$ ip netns exec netns_dustin ip address add 10.0.0.11/24 dev veth_ns_dustin

$ ip netns add netns_leah
$ mkdir -p /etc/netns/netns_leah
echo "nameserver 114.114.114.114" | tee -a /etc/netns/netns_leah/resolv.conf
$ ip netns exec netns_leah ip link set dev lo up
$ ip link add dev veth_leah type veth peer name veth_ns_leah
$ ip link set dev veth_leah master bridge_home
$ ip link set dev veth_leah up
$ ip link set dev veth_ns_leah netns netns_leah
$ ip netns exec netns_leah ip link set dev veth_ns_leah up
$ ip netns exec netns_leah ip address add 10.0.0.21/24 dev veth_ns_leah

$ ip link set bridge_home up
$ ip netns exec netns_dustin ip route add default via 10.0.0.1
$ ip netns exec netns_leah ip route add default via 10.0.0.1

$ iptables --table filter --append FORWARD --in-interface bridge_home --jump ACCEPT
$ iptables --table filter --append FORWARD --out-interface bridge_home --jump ACCEPT

$ iptables --table nat --append POSTROUTING --source 10.0.0.0/24 --jump MASQUERADE

在网络命名空间 netns_dustin 中启动 HTTP 服务：

$ ip netns exec netns_dustin python3 -m http.server 8080

打开另一个终端窗口，在网络命名空间 netns_leah 中启动 HTTP 服务：

$ ip netns exec netns_leah python3 -m http.server 8080

测试各个网络命名空间之间是否能正常通信：

$ curl 10.0.0.11:8080
$ curl 10.0.0.21:8080
$ ip netns exec netns_dustin curl 10.0.0.21:8080
$ ip netns exec netns_leah curl 10.0.0.11:8080

整个实验环境的网络拓扑结构如图：

安装必要工具

为了便于调试 IPVS 和 ipset，需要安装两个 CLI 工具：

$ apt install ipset ipvsadm --yes

本文使用的 ipset 和 ipvsadm 版本分别为 7.5-1~exp1 和 1:1.31-1。

通过 IPVS 来模拟 Service

下面我们使用 IPVS 创建一个虚拟服务 (Virtual Service) 来模拟 Kubernetes 中的 Service :

$ ipvsadm \
  --add-service \
  --tcp-service 10.100.100.100:8080 \
  --scheduler rr

• 这里使用参数 --tcp-service 来指定 TCP 协议，因为我们需要模拟的 Service 就是 TCP 协议。
• IPVS 相比 iptables 的优势之一就是可以轻松选择调度算法，这里选择使用轮询调度算法。

目前 kube-proxy 只允许为所有 Service 指定同一个调度算法，未来将会支持为每一个 Service 选择不同的调度算法，详情可参考文章 IPVS-Based In-Cluster Load Balancing Deep Dive。

创建了虚拟服务之后，还得给它指定一个后端的 Real Server，也就是后端的真实服务，即网络命名空间 netns_dustin 中的 HTTP 服务：

$ ipvsadm \
  --add-server \
  --tcp-service 10.100.100.100:8080 \
  --real-server 10.0.0.11:8080 \
  --masquerading

该命令会将访问 10.100.100.100:8080 的 TCP 请求转发到 10.0.0.11:8080。这里的 --masquerading 参数和 iptables 中的 MASQUERADE 类似，如果不指定，IPVS 就会尝试使用路由表来转发流量，这样肯定是无法正常工作的。

译者注：由于 IPVS 未实现 POST_ROUTING Hook 点，所以它需要 iptables 配合完成 IP 伪装等功能。

测试是否正常工作：

$ curl 10.100.100.100:8080

实验成功，请求被成功转发到了后端的 HTTP 服务！

在网络命名空间中访问虚拟服务

上面只是在 Host 的网络命名空间中进行测试，现在我们进入网络命名空间 netns_leah 中进行测试：

$ ip netns exec netns_leah curl 10.100.100.100:8080

哦豁，访问失败！

要想顺利通过测试，只需将 10.100.100.100 这个 IP 分配给一个虚拟网络接口。至于为什么要这么做，目前我还不清楚，我猜测可能是因为网桥 bridge_home 不会调用 IPVS，而将虚拟服务的 IP 地址分配给一个网络接口则可以绕过这个问题。

译者注

Netfilter 是一个基于用户自定义的 Hook 实现多种网络操作的 Linux 内核框架。Netfilter 支持多种网络操作，比如包过滤、网络地址转换、端口转换等，以此实现包转发或禁止包转发至敏感网络。

针对 Linux 内核 2.6 及以上版本，Netfilter 框架实现了 5 个拦截和处理数据的系统调用接口，它允许内核模块注册内核网络协议栈的回调功能，这些功能调用的具体规则通常由 Netfilter 插件定义，常用的插件包括 iptables、IPVS 等，不同插件实现的 Hook 点（拦截点）可能不同。另外，不同插件注册进内核时需要设置不同的优先级，例如默认配置下，当某个 Hook 点同时存在 iptables 和 IPVS 规则时，iptables 会被优先处理。

Netfilter 提供了 5 个 Hook 点，系统内核协议栈在处理数据包时，每到达一个 Hook 点，都会调用内核模块中定义的处理函数。调用哪个处理函数取决于数据包的转发方向，进站流量和出站流量触发的 Hook 点是不一样的。

内核协议栈中预定义的回调函数有如下五个：

1. NF_IP_PRE_ROUTING: 接收的数据包进入协议栈后立即触发此回调函数，该动作发生在对数据包进行路由判断（将包发往哪里）之前。
2. NF_IP_LOCAL_IN: 接收的数据包经过路由判断后，如果目标地址在本机上，则将触发此回调函数。
3. NF_IP_FORWARD: 接收的数据包经过路由判断后，如果目标地址在其他机器上，则将触发此回调函数。
4. NF_IP_LOCAL_OUT: 本机产生的准备发送的数据包，在进入协议栈后立即触发此回调函数。
5. NF_IP_POST_ROUTING: 本机产生的准备发送的数据包或者经由本机转发的数据包，在经过路由判断之后，将触发此回调函数。

iptables 实现了所有的 Hook 点，而 IPVS 只实现了 LOCAL_IN、LOCAL_OUT、FORWARD 这三个 Hook 点。既然没有实现 PRE_ROUTING，就不会在进入 LOCAL_IN 之前进行地址转换，那么数据包经过路由判断后，会进入 LOCAL_IN Hook 点，IPVS 回调函数如果发现目标 IP 地址不属于该节点，就会将数据包丢弃。

如果将目标 IP 分配给了虚拟网络接口，内核在处理数据包时，会发现该目标 IP 地址属于该节点，于是可以继续处理数据包。

dummy 接口

当然，我们不需要将 IP 地址分配给任何已经被使用的网络接口，我们的目标是模拟 Kubernetes 的行为。Kubernetes 在这里创建了一个 dummy 接口，它和 loopback 接口类似，但是你可以创建任意多的 dummy 接口。它提供路由数据包的功能，但实际上又不进行转发。dummy 接口主要有两个用途：

• 用于主机内的程序通信
• 由于 dummy 接口总是 up（除非显式将管理状态设置为 down），在拥有多个物理接口的网络上，可以将 service 地址设置为 loopback 接口或 dummy 接口的地址，这样 service 地址不会因为物理接口的状态而受影响。

看来 dummy 接口完美符合实验需求，那就创建一个 dummy 接口吧：

$ ip link add dev dustin-ipvs0 type dummy

将虚拟 IP 分配给 dummy 接口 dustin-ipvs0 :

$ ip addr add 10.100.100.100/32 dev dustin-ipvs0

到了这一步，仍然访问不了 HTTP 服务，还需要另外一个黑科技：bridge-nf-call-iptables。在解释 bridge-nf-call-iptables 之前，我们先来回顾下容器网络通信的基础知识。

基于网桥的容器网络

Kubernetes 集群网络有很多种实现，有很大一部分都用到了 Linux 网桥:

• 每个 Pod 的网卡都是 veth 设备，veth pair 的另一端连上宿主机上的网桥。
• 由于网桥是虚拟的二层设备，同节点的 Pod 之间通信直接走二层转发，跨节点通信才会经过宿主机 eth0。

Service 同节点通信问题

不管是 iptables 还是 ipvs 转发模式，Kubernetes 中访问 Service 都会进行 DNAT，将原本访问 ClusterIP:Port 的数据包 DNAT 成 Service 的某个 Endpoint (PodIP:Port)，然后内核将连接信息插入 conntrack 表以记录连接，目的端回包的时候内核从 conntrack 表匹配连接并反向 NAT，这样原路返回形成一个完整的连接链路:

但是 Linux 网桥是一个虚拟的二层转发设备，而 iptables conntrack 是在三层上，所以如果直接访问同一网桥内的地址，就会直接走二层转发，不经过 conntrack:

1. Pod 访问 Service，目的 IP 是 Cluster IP，不是网桥内的地址，走三层转发，会被 DNAT 成 PodIP:Port。

2. 如果 DNAT 后是转发到了同节点上的 Pod，目的 Pod 回包时发现目的 IP 在同一网桥上，就直接走二层转发了，没有调用 conntrack，导致回包时没有原路返回 (见下图)。

   由于没有原路返回，客户端与服务端的通信就不在一个 “频道” 上，不认为处在同一个连接，也就无法正常通信。

开启 bridge-nf-call-iptables

启用 bridge-nf-call-iptables 这个内核参数 (置为 1)，表示 bridge 设备在二层转发时也去调用 iptables 配置的三层规则 (包含 conntrack)，所以开启这个参数就能够解决上述 Service 同节点通信问题。

所以这里需要启用 bridge-nf-call-iptables :

$ modprobe br_netfilter
$ sysctl --write net.bridge.bridge-nf-call-iptables=1

现在再来测试一下连通性：

$ ip netns exec netns_leah curl 10.100.100.100:8080

终于成功了！

开启 Hairpin（发夹弯）模式

虽然我们可以从网络命名空间 netns_leah 中通过虚拟服务成功访问另一个网络命名空间 netns_dustin 中的 HTTP 服务，但还没有测试过从 HTTP 服务所在的网络命名空间 netns_dustin 中直接通过虚拟服务访问自己，话不多说，直接测一把：

$ ip netns exec netns_dustin curl 10.100.100.100:8080

啊哈？竟然失败了，这又是哪里的问题呢？不要慌，开启 hairpin 模式就好了。那么什么是 hairpin 模式呢？ 这是一个网络虚拟化技术中常提到的概念，也即交换机端口的VEPA模式。这种技术借助物理交换机解决了虚拟机间流量转发问题。很显然，这种情况下，源和目标都在一个方向，所以就是从哪里进从哪里出的模式。

怎么配置呢？非常简单，只需一条命令：

$ brctl hairpin bridge_home veth_dustin on

再次进行测试：

$ ip netns exec netns_dustin curl 10.100.100.100:8080

还是失败了。。。

然后我花了一个下午的时间，终于搞清楚了启用混杂模式后为什么还是不能解决这个问题，因为混杂模式和下面的选项要一起启用才能对 IPVS 生效：

$ sysctl --write net.ipv4.vs.conntrack=1

最后再测试一次：

$ ip netns exec netns_dustin curl 10.100.100.100:8080

这次终于成功了，但我还是不太明白为什么启用 conntrack 能解决这个问题，有知道的大神欢迎留言告诉我！

译者注：IPVS 及其负载均衡算法只针对首个数据包，后继的包必须被 conntrack 表优先反转，如果没有 conntrack，IPVS 对于回来的包是没有任何办法的。可以通过 conntrack -L 查看。

开启混杂模式

如果想让所有的网络命名空间都能通过虚拟服务访问自己，就需要在连接到网桥的所有 veth 接口上开启 hairpin 模式，这也太麻烦了吧。有一个办法可以不用配置每个 veth 接口，那就是开启网桥的混杂模式。

什么是混杂模式呢？普通模式下网卡只接收发给本机的包（包括广播包）传递给上层程序，其它的包一律丢弃。混杂模式就是接收所有经过网卡的数据包，包括不是发给本机的包，即不验证MAC地址。

如果一个网桥开启了混杂模式，就等同于将所有连接到网桥上的端口（本文指的是 veth 接口）都启用了 hairpin 模式。可以通过以下命令来启用 bridge_home 的混杂模式：

$ ip link set bridge_home promisc on

现在即使你把 veth 接口的 hairpin 模式关闭：

$ brctl hairpin bridge_home veth_dustin off

仍然可以通过连通性测试：

$ ip netns exec netns_dustin curl 10.100.100.100:8080

优化 MASQUERADE

在文章开头准备实验环境的章节，执行了这么一条命令：

$ iptables \
  --table nat \
  --append POSTROUTING \
  --source 10.0.0.0/24 \
  --jump MASQUERADE

这条 iptables 规则会对所有来自 10.0.0.0/24 的流量进行伪装。然而 Kubernetes 并不是这么做的，它为了提高性能，只对来自某些具体的 IP 的流量进行伪装。

为了更加完美地模拟 Kubernetes，我们继续改造规则，先把之前的规则删除：

$ iptables \
  --table nat \
  --delete POSTROUTING \
  --source 10.0.0.0/24 \
  --jump MASQUERADE

然后添加针对具体 IP 的规则：

$ iptables \
  --table nat \
  --append POSTROUTING \
  --source 10.0.0.11/32 \
  --jump MASQUERADE

果然，上面的所有测试都能通过。先别急着高兴，又有新问题了，现在只有两个网络命名空间，如果有很多个怎么办，每个网络命名空间都创建这样一条 iptables 规则？我用 IPVS 是为了啥？就是为了防止有大量的 iptables 规则拖垮性能啊，现在岂不是又绕回去了。

不慌，继续从 Kubernetes 身上学习，使用 ipset 来解决这个问题。先把之前的 iptables 规则删除：

$ iptables \
  --table nat \
  --delete POSTROUTING \
  --source 10.0.0.11/32 \
  --jump MASQUERADE

然后使用 ipset 创建一个集合 (set) ：

$ ipset create DUSTIN-LOOP-BACK hash:ip,port,ip

这条命令创建了一个名为 DUSTIN-LOOP-BACK 的集合，它是一个 hashmap，里面存储了目标 IP、目标端口和源 IP。

接着向集合中添加条目：

$ ipset add DUSTIN-LOOP-BACK 10.0.0.11,tcp:8080,10.0.0.11

现在不管有多少网络命名空间，都只需要添加一条 iptables 规则：

$ iptables \
  --table nat \
  --append POSTROUTING \
  --match set \
  --match-set DUSTIN-LOOP-BACK dst,dst,src \
  --jump MASQUERADE

网络连通性测试也没有问题：

$ curl 10.100.100.100:8080
$ ip netns exec netns_leah curl 10.100.100.100:8080
$ ip netns exec netns_dustin curl 10.100.100.100:8080

新增虚拟服务的后端

最后，我们把网络命名空间 netns_leah 中的 HTTP 服务也添加到虚拟服务的后端：

$ ipvsadm \
  --add-server \
  --tcp-service 10.100.100.100:8080 \
  --real-server 10.0.0.21:8080 \
  --masquerading

再向 ipset 的集合 DUSTIN-LOOP-BACK 中添加一个条目：

$ ipset add DUSTIN-LOOP-BACK 10.0.0.21,tcp:8080,10.0.0.21

终极测试来了，试着多运行几次以下的测试命令：

$ curl 10.100.100.100:8080

你会发现轮询算法起作用了：

总结

相信通过本文的实验和讲解，大家应该理解了 kube-proxy IPVS 模式的工作原理。在实验过程中，我们还用到了 ipset，它有助于解决在大规模集群中出现的 kube-proxy 性能问题。如果你对这篇文章有任何疑问，欢迎和我进行交流。

参考文章

• 为什么 kubernetes 环境要求开启 bridge-nf-call-iptables ?