kubernetes核心概念 Service

kubernetes核心概念 Service

一、 service作用

使用kubernetes集群运行工作负载时，由于Pod经常处于用后即焚状态，Pod经常被重新生成，因此Pod对应的IP地址也会经常变化，导致无法直接访问Pod提供的服务，Kubernetes中使用了Service来解决这一问题，即在Pod前面使用Service对Pod进行代理，无论Pod怎样变化 ，只要有Label，就可以让Service能够联系上Pod，把PodIP地址添加到Service对应的端点列表（Endpoints）实现对Pod IP跟踪，进而实现通过Service访问Pod目的。

• 通过service为pod客户端提供访问pod方法，即可客户端访问pod入口
• 通过标签动态感知pod IP地址变化等
• 防止pod失联
• 定义访问pod访问策略
• 通过label-selector相关联
• 通过Service实现Pod的负载均衡（TCP/UDP 4层）
• 底层实现由kube-proxy通过userspace、iptables、ipvs三种代理模式

二、kube-proxy三种代理模式

• kubernetes集群中有三层网络，一类是真实存在的，例如Node Network、Pod Network,提供真实IP地址;一类是虚拟的，例如Cluster Network或Service Network，提供虚拟IP地址，不会出现在接口上，仅会出现在Service当中

• kube-proxy始终watch（监控）kube-apiserver上关于Service相关的资源变动状态，一旦获取相关信息kube-proxy都要把相关信息转化为当前节点之上的，能够实现Service资源调度到特定Pod之上的规则，进而实现访问Service就能够获取Pod所提供的服务

• kube-proxy三种代理模式：UserSpace模式、iptables模式、ipvs模式

2.1 UserSpace模式

userspace 模式是 kube-proxy 使用的第一代模式，该模式在 kubernetes v1.0 版本开始支持使用。

userspace 模式的实现原理图示如下：

kube-proxy 会为每个 Service 随机监听一个端口(proxy port)，并增加一条 iptables 规则。所以通过 ClusterIP:Port 访问 Service 的报文都 redirect 到 proxy port，kube-proxy 从它监听的 proxy port 收到报文以后，走 round robin(默认) 或是 session affinity(会话亲和力，即同一 client IP 都走同一链路给同一 pod 服务)，分发给对应的 pod。

由于 userspace 模式会造成所有报文都走一遍用户态（也就是 Service 请求会先从用户空间进入内核 iptables，然后再回到用户空间，由 kube-proxy 完成后端 Endpoints 的选择和代理工作），需要在内核空间和用户空间转换，流量从用户空间进出内核会带来性能损耗，所以这种模式效率低、性能不高，不推荐使用。

2.2 iptables模式

iptables 模式是 kube-proxy 使用的第二代模式，该模式在 kubernetes v1.1 版本开始支持，从 v1.2 版本开始成为 kube-proxy 的默认模式。

iptables 模式的负载均衡模式是通过底层 netfilter/iptables 规则来实现的，通过 Informer 机制 Watch 接口实时跟踪 Service 和 Endpoint 的变更事件，并触发对 iptables 规则的同步更新。

iptables 模式的实现原理图示如下：

通过图示我们可以发现在 iptables 模式下，kube-proxy 只是作为 controller，而不是 server，真正服务的是内核的 netfilter，体现在用户态的是 iptables。所以整体的效率会比 userspace 模式高。

2.3 ipvs模式

ipvs 模式被 kube-proxy 采纳为第三代模式，模式在 kubernetes v1.8 版本开始引入，在 v1.9 版本中处于 beta 阶段，在 v1.11 版本中正式开始使用。

ipvs(IP Virtual Server) 实现了传输层负载均衡，也就是 4 层交换，作为 Linux 内核的一部分。ipvs运行在主机上，在真实服务器前充当负载均衡器。ipvs 可以将基于 TCP 和 UDP 的服务请求转发到真实服务器上，并使真实服务器上的服务在单个 IP 地址上显示为虚拟服务。

ipvs 模式的实现原理图示如下：

ipvs 和 iptables 都是基于 netfilter 的，那么 ipvs 模式有哪些更好的性能呢？

• ipvs 为大型集群提供了更好的可拓展性和性能
• ipvs 支持比 iptables 更复杂的负载均衡算法（包括：最小负载、最少连接、加权等）
• ipvs 支持服务器健康检查和连接重试等功能
• 可以动态修改 ipset 的集合，即使 iptables 的规则正在使用这个集合

ipvs 依赖于 iptables。ipvs 会使用 iptables 进行包过滤、airpin-masquerade tricks(地址伪装)、SNAT 等功能，但是使用的是 iptables 的扩展 ipset，并不是直接调用 iptables 来生成规则链。通过 ipset 来存储需要 DROP 或 masquerade 的流量的源或目标地址，用于确保 iptables 规则的数量是恒定的，这样我们就不需要关心有多少 Service 或是 Pod 了。

使用 ipset 相较于 iptables 有什么优点呢？iptables 是线性的数据结构，而 ipset 引入了带索引的数据结构，当规则很多的时候，ipset 依然可以很高效的查找和匹配。我们可以将 ipset 简单理解为一个 IP(段) 的集合，这个集合的内容可以是 IP 地址、IP 网段、端口等，iptables 可以直接添加规则对这个“可变的集合进行操作”，这样就可以大大减少 iptables 规则的数量，从而减少性能损耗。

举一个例子，如果我们要禁止成千上万个 IP 访问我们的服务器，如果使用 iptables 就需要一条一条的添加规则，这样会在 iptables 中生成大量的规则；如果用 ipset 就只需要将相关的 IP 地址(网段)加入到 ipset 集合中，然后只需要设置少量的 iptables 规则就可以实现这个目标。

下面的表格是 ipvs 模式下维护的 ipset 表集合：

设置名称	成员	用法
KUBE-CLUSTER-IP	所有服务 IP + 端口	在 masquerade-all=true 或 clusterCIDR 指定的情况下对 Service Cluster IP 地址进行伪装，解决数据包欺骗问题
KUBE-LOOP-BACK	所有服务 IP + 端口 + IP	解决数据包欺骗问题
KUBE-EXTERNAL-IP	服务外部 IP + 端口	将数据包伪装成 Service 的外部 IP 地址
KUBE-LOAD-BALANCER	负载均衡器入口 IP + 端口	将数据包伪装成 Load Balancer 类型的 Service
KUBE-LOAD-BALANCER-LOCAL	负载均衡器入口 IP + 端口 以及externalTrafficPolicy=local	接受数据包到 Load Balancer externalTrafficPolicy=local
KUBE-LOAD-BALANCER-FW	负载均衡器入口 IP + 端口 以及loadBalancerSourceRanges	使用指定的 loadBalancerSourceRanges 丢弃 Load Balancer 类型 Service 的数据包
KUBE-LOAD-BALANCER-SOURCE-CIDR	负载均衡器入口 IP + 端口 + 源 CIDR	接受 Load Balancer 类型 Service 的数据包，并指定 loadBalancerSourceRanges
KUBE-NODE-PORT-TCP	NodePort 类型服务 TCP 端口	将数据包伪装成 NodePort（TCP）
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP	NodePort 类型服务 TCP 端口，带有externalTrafficPolicy=local	接受数据包到 NodePort 服务，使用 externalTrafficPolicy=local
KUBE-NODE-PORT-UDP	NodePort 类型服务 UDP 端口	将数据包伪装成 NodePort(UDP)
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-UDP	NodePort 类型服务 UDP 端口，使用externalTrafficPolicy=local	接受数据包到 NodePort 服务，使用 externalTrafficPolicy=local

2.4 iptables与ipvs对比

• iptables

  • 工作在内核空间
  • 优点
    • 灵活，功能强大（可以在数据包不同阶段对包进行操作）
  • 缺点
    • 表中规则过多时，响应变慢，即规则遍历匹配和更新，呈线性时延

• ipvs

  • 工作在内核空间
  • 优点
    • 转发效率高
    • 调度算法丰富：rr，wrr，lc，wlc，ip hash…
  • 缺点
    • 内核支持不全,低版本内核不能使用，需要升级到4.0或5.0以上。

• 使用iptables与ipvs时机

  • 1.10版本之前使用iptables(1.1版本之前使用UserSpace进行转发)
  • 1.11版本之后同时支持iptables与ipvs，默认使用ipvs，如果ipvs模块没有加载时，会自动降级至iptables

三、 service类型

Service类型决定了访问Service的方法

3.1 service类型

• ClusterIP

  • 默认，分配一个集群内部可以访问的虚拟IP

• NodePort

  • 在每个Node上分配一个端口作为外部访问入口
  • nodePort端口范围为:30000-32767

• LoadBalancer

  • 工作在特定的Cloud Provider上，例如Google Cloud，AWS，OpenStack

• ExternalName

  • 表示把集群外部的服务引入到集群内部中来，即实现了集群内部pod和集群外部的服务进行通信

3.2 Service参数

• port 访问service使用的端口

• targetPort Pod中容器端口

• nodePort 通过Node实现外网用户访问k8s集群内service (30000-32767)

四、 Service创建

Service的创建在工作中有两种方式，一是命令行创建，二是通过资源清单文件YAML文件创建。

4.1 ClusterIP类型

ClusterIP根据是否生成ClusterIP又可分为普通Service和Headless Service

Service两类：

• 普通Service:

为Kubernetes的Service分配一个集群内部可访问的固定虚拟IP(Cluster IP), 实现集群内的访问。

• Headless Service:

该服务不会分配Cluster IP, 也不通过kube-proxy做反向代理和负载均衡。而是通过DNS提供稳定的网络ID来访问，DNS会将headless service的后端直接解析为pod IP列表。

4.1.1 普通ClusterIP Service创建

4.1.1.1 命令行创建Service

• 创建Deployment类型的应用

[root@master01 ~]# cat 01_create_deployment_app_nginx.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-server1
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
     metadata:
       labels:
         app: nginx
     spec:
       containers:
       - name: c1
         image: nginx:1.15-alpine
         imagePullPolicy: IfNotPresent
         ports:
         - containerPort: 80

• 应用资源清单文件

[root@master01 ~]# kubectl apply -f 01_create_deployment_app_nginx.yaml

• 验证Deployment类型的创建情况

[root@master01 ~]# kubectl get deployment.apps
NAME            READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-server1   2/2     2            2           13s

• 创建ClusterIP类型service与Deployment类型应用关联

命令创建service
[root@master01 ~]# kubectl expose deployment.apps nginx-server1 --type=ClusterIP --target-port=80 --port=80

输出
service/nginx-server1 exposed

说明
expose 创建service
deployment.apps 控制器类型
nginx-server1 应用名称，也是service名称
--type=ClusterIP 指定service类型
--target-port=80 指定Pod中容器端口
--port=80 指定service端口

4.1.1.2 通过资源清单文件创建Service

[root@master01 ~]# cat 02_create_deployment_app_nginx_with_service.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-server1
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
     metadata:
       labels:
         app: nginx
     spec:
       containers:
       - name: nginx-smart
         image: nginx:1.15-alpine
         imagePullPolicy: IfNotPresent
         ports:
         - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-svc
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx

[root@master01 ~]# kubectl  apply -f 02_create_deployment_app_nginx_with_service.yaml

• 验证

查看service
[root@master01 ~]# kubectl get service
NAME         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1                443/TCP    4d15h
nginx-svc    ClusterIP   10.101.153.50           80/TCP    3s

查看endpoints
[root@master01 ~]# kubectl get endpoints
NAME         ENDPOINTS                            AGE
kubernetes   192.168.122.30:6443                  4d15h
nginx-svc    172.16.189.74:80,172.16.235.150:80   8s

查看Pod
[root@master01 ~]# kubectl get pods -l app=nginx
NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-server1-77d4c485d8-gsrmq   1/1     Running   0          12s
nginx-server1-77d4c485d8-mmc52   1/1     Running   0          12s

4.1.1.3 访问

[root@master01 ~]# curl http://10.101.153.50:80
<!DOCTYPE html>






Welcome to nginx!
If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.

For online documentation and support please refer to
nginx.org.

Commercial support is available at
nginx.com.

Thank you for using nginx.


[ root@bbp:/ ]$ exit
Session ended, resume using 'kubectl attach bbp -c bbp -i -t' command when the pod is running

4.2 NodePort类型

• 创建资源清单文件

[root@master01 ~]# cat 05_create_nodeport_service_app.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-app
  labels:
    app: nginx-app
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-app
    spec:
      containers:
      - name: c1
        image: nginx:1.15-alpine
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-app
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx-app
  ports:
  - protocol: TCP
    nodePort: 30001
    port: 8060
    targetPort: 80

• 应用资源清单文件

[root@master01 ~]# kubectl apply -f 05_create_nodeport_service_app.yaml
deployment.apps/nginx-app created
service/nginx-app created

• 验证service创建

[root@master01 ~]# kubectl get deployment.apps
NAME         READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-app    2/2     2            2           26s


[root@master01 ~]# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1                443/TCP          2d22h
nginx-app    NodePort    10.104.157.20            8060:30001/TCP   36s

[root@master01 ~]# kubectl get endpoints
NAME         ENDPOINTS                       AGE
kubernetes   192.168.122.10:6443             2d22h
nginx-app    172.16.1.24:80,172.16.2.20:80   2m10s


[root@master01 ~]# ss -anput | grep ":30001"
tcp    LISTEN     0      128      :::30001                :::*                   users:(("kube-proxy",pid=5826,fd=9))

[root@worker01 ~]# ss -anput | grep ":30001"
tcp    LISTEN     0      128      :::30001                :::*                   users:(("kube-proxy",pid=4937,fd=11))

[root@worker02 ~]# ss -anput | grep ":30001"
tcp    LISTEN     0      128      :::30001                :::*                   users:(("kube-proxy",pid=5253,fd=11))

[root@master01 ~]# kubectl get pods
NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-app-ffd5ccc78-cnwbx    1/1     Running   0          8m59s
nginx-app-ffd5ccc78-mz77g    1/1     Running   0          8m59s

[root@master01 ~]# kubectl exec -it nginx-app-ffd5ccc78-cnwbx -- bash
root@nginx-app-ffd5ccc78-cnwbx:/# echo "nginx-app-1" > /usr/share/nginx/html/index.html
root@nginx-app-ffd5ccc78-cnwbx:/# exit
exit
[root@master01 ~]# kubectl exec -it nginx-app-ffd5ccc78-mz77g -- bash
root@nginx-app-ffd5ccc78-mz77g:/# echo "nginx-app-2" > /usr/share/nginx/html/index.html
root@nginx-app-ffd5ccc78-mz77g:/# exit
exit

• 在与kubernetes 节点同一网络主机中访问k8s集群内service

[root@bogon ~]# curl http://192.168.10.12:30001
nginx-app-2
[root@bogon ~]# curl http://192.168.10.13:30001
nginx-app-1
[root@bogon ~]# curl http://192.168.10.14:30001
nginx-app-1
[root@bogon ~]# curl http://192.168.10.15:30001
nginx-app-2

4.3 LoadBalancer

4.3.1 集群外访问过程

• 用户

• 域名

• 云服务提供商提供LB服务

• NodeIP:Port(service IP)

• Pod IP：端口

1694998716559)

4.3.2 自建Kubernetes的LoadBalancer类型服务方案-MetalLB

MetalLB可以为kubernetes集群中的Service提供网络负载均衡功能。

MetalLB两大功能为:

• 地址分配，类似于DHCP
• 外部通告，一旦MetalLB为服务分配了外部IP地址，它就需要使群集之外的网络意识到该IP在群集中“存在”。MetalLB使用标准路由协议来实现此目的：ARP，NDP或BGP。

4.3.2.1 参考资料

参考网址： https://metallb.universe.tf/installation/

4.3.2.2 应用资源清单文件

资源清单文件下载：
# kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.12.1/manifests/namespace.yaml
# kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.12.1/manifests/metallb.yaml

4.3.2.3 准备metallb配置文件

[root@nginx metallb]# cat metallb-conf.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  namespace: metallb-system
  name: config
data:
  config: |
    address-pools:
    - name: default
      protocol: layer2
      addresses:
      - 192.168.10.90-192.168.10.100
 
192.168.10.90-192.168.10.100是集群节点服务器IP同一段。

在master01节点应用资源清单文件
[root@master01 ~]# kubectl apply -f metallb-conf.yaml	

验证配置
# kubectl describe configmap config -n metallb-system
Name:         config
Namespace:    metallb-system
Labels:       
Annotations:  

Data
====
config:
----
address-pools:
- name: default
  protocol: layer2
  addresses:
  - 192.168.10.90-192.168.10.100

Events:  

4.3.2.4发布Service类型为LoadBalancer的Deployment控制器类型应用

创建Deployment控制器类型应用nginx-metallb及service，service类型为LoadBalancer

[root@master01 ~]# vim 02_nginx-metabllb.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-metallb
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx-metallb1
        image: nginx:1.15-alpine
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-metallb
spec:
  ports:
  - port: 8090
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx
  type: LoadBalancer
  
[root@master01 ~]# kubectl apply -f nginx.yaml

4.3.2.5 验证

[root@master01 ~]# kubectl get ns
NAME                   STATUS   AGE
default                Active   16d
kube-node-lease        Active   16d
kube-public            Active   16d
kube-system            Active   16d
kubernetes-dashboard   Active   13d
metallb-system         Active   130m
test1                  Active   12d
[root@master01 ~]# kubectl get pods -n metallb-system
NAME                         READY   STATUS    RESTARTS   AGE
controller-64f8f944d-qdf8m   1/1     Running   0          110m
speaker-cwzq7                1/1     Running   0          110m
speaker-qk5fb                1/1     Running   0          110m
speaker-wsllb                1/1     Running   0          110m
speaker-x4bwt                1/1     Running   0          110m

[root@master01 ~]# kubectl get svc
NAME            TYPE           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP      PORT(S)          AGE
kubernetes      ClusterIP      10.96.0.1                  443/TCP          16d
nginx-metallb   LoadBalancer   10.105.239.69   192.168.10.90   8090:31372/TCP   106m

[root@master01 ~]# ping 192.168.10.90
PING 192.168.10.90 (192.168.10.90) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.10.90: icmp_seq=1 ttl=64 time=3.45 ms
64 bytes from 192.168.10.90: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.040 ms

4.3.2.6 访问

[root@master01 ~]# curl http://192.168.122.90:8090
<!DOCTYPE html>