Kubernetes：服务与负载均衡

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参考：Service | Kubernetes、《Kubernetes进阶实战》

有了 Workload，我们可以方便地管理多实例的应用，但是要想能够方便地访问应用，我们还需要一个类似于 负载均衡 的资源来分发请求，在 kubernetes 中，有两个资源负责这个功能，分别是 Service 以及 Ingress。其中 Service 主要负责集群内部的访问，而 Ingress 主要负责来自集群外部的访问。

Kubernetes Service从逻辑上代表了一组Pod(通常称为微服务)，具体是哪些Pod则是由label来挑选的(selector)。Service有自己的IP，而且这个IP是不变的。客户端只需要访问Service的IP，Kubernetes则负责建立和维护Service与Pod的映射关系。无论后端Pod如何变化，对客户端不会有任何影响，因为Service没有变。

举个例子，考虑一个图片处理后端，它运行了 3 个副本。这些副本是可互换的 —— 前端不需要关心它们调用了哪个后端副本。 然而组成这一组后端程序的 Pod 实际上可能会发生变化， 前端客户端不应该也没必要知道，而且也不需要跟踪这一组后端的状态。

Service 定义的抽象能够解耦这种关联。

Service类型

Service有4种类型：

• ClusterIP：通过集群的内部 IP 暴露服务，选择该值时服务只能够在集群内部访问。 这也是默认的 ServiceType。
• NodePort：通过每个节点上的 IP 和静态端口（NodePort）暴露服务。 NodePort 服务会路由到自动创建的 ClusterIP 服务。 通过请求 <节点 IP>:<节点端口>，你可以从集群的外部访问一个 NodePort 服务。
• LoadBalancer：使用云提供商的负载均衡器向外部暴露服务。 外部负载均衡器可以将流量路由到自动创建的 NodePort 服务和 ClusterIP 服务上。
• ExternalName：通过返回 CNAME 和对应值，可以将服务映射到 externalName 字段的内容（例如，foo.bar.example.com）。 无需创建任何类型代理。

总体来说，若需要将Service资源发布至集群外部，应该将其配置为NodePort或Load-Balancer类型，而若要把外部的服务发布于集群内部供Pod对象使用，则需要定义一个ExternalName类型的Service资源，只是这种类型的实现要依赖于v1.7及更高版本的Kubernetes。

Tips：Service的默认协议是 TCP。

代理模式(proxy mode)

代理模式分为3种：userspace、iptables和ipvs。

userspace代理模式

此处的userspace是指Linux操作系统的用户空间。在这种模型中，kube-proxy负责跟踪API Server上Service和Endpoints对象的变动（创建或移除），并据此调整Service资源的定义。

对于每个Service对象，它会随机打开一个本地端口（运行于用户空间的kube-proxy进程负责监听），任何到达此代理端口的连接请求都将被代理至当前Service资源后端的各Pod对象，至于哪个Pod对象会被选中则取决于当前Service资源的调度方式，默认调度算法是轮询（round-robin）。

另外，此类Service对象还会创建iptables规则以捕获任何到达ClusterIP和端口的流量。在Kubernetes 1.1版本之前，userspace是默认的代理模型。

iptables代理模式

创建Service对象的操作会触发集群中的每个kube-proxy并将其转换为定义在所属节点上的iptables规则，用于转发工作接口接收到的、与此Service资源ClusterIP和端口相关的流量。客户端发来请求将直接由相关的iptables规则进行目标地址转换（DNAT）后根据算法调度并转发至集群内的Pod对象之上，而无须再经由kube-proxy进程进行处理，因而称为iptables代理模式。

使用 iptables 处理流量具有较低的系统开销，因为流量由 Linux netfilter 处理， 而无需在用户空间和内核空间之间切换。 这种方法也可能更可靠。但是性能一般，而且受规模影响较大，仅适用于少量Service规模的集群。

对于每个Endpoints对象，Service资源会为其创建iptables规则并指向其iptables地址和端口，而流量转发到多个Endpoint对象之上的默认调度机制是随机算法。iptables代理模型由Kubernetes v1.1版本引入，并于v1.2版本成为默认的类型。

ipvs代理模式

Kubernetes自v1.9版本起引入ipvs代理模式，且自v1.11版本起成为默认设置。在此种模型中，kube-proxy跟踪API Server上Service和Endpoints对象的变动，并据此来调用netlink接口创建或变更ipvs（NAT）规则。

它与iptables规则的不同之处仅在于客户端请求流量的调度功能由ipvs实现，余下的其他功能仍由iptables完成。

ipvs代理模型中Service的服务发现和负载均衡功能均基于内核中的ipvs规则实现。类似于iptables，ipvs也构建于内核中的netfilter之上，但它使用hash表作为底层数据结构且工作于内核空间，因此具有流量转发速度快、规则同步性能好的特性，适用于存在大量Service资源且对性能要求较高的场景。

支持的调度算法：

• rr：轮替（Round-Robin）
• lc：最少链接（Least Connection），即打开链接数量最少者优先
• dh：目标地址哈希（Destination Hashing）
• sh：源地址哈希（Source Hashing）
• sed：最短预期延迟（Shortest Expected Delay）
• nq：从不排队（Never Queue）

示例

创建一个 Nginx Pod：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: my-nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        run: my-nginx
    spec:
      containers:
      - name: my-nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80

然后执行：

kubectl apply -f ./run-nginx.yaml

查看运行：

[root@master test]# kubectl get pods -l run=my-nginx -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
my-nginx-5b56ccd65f-rnv9b   1/1     Running   0          34s   10.233.112.27   node-1   <none>           <none>
my-nginx-5b56ccd65f-rx2mq   1/1     Running   0          34s   10.233.112.26   node-1   <none>           <none>

检查 Pod 的 IP 地址：

[root@master test]# kubectl get pods -l run=my-nginx -o yaml | grep ' podIP:'
    podIP: 10.233.112.27
    podIP: 10.233.112.26

创建service：

[root@master test]# kubectl expose deployment/my-nginx
service/my-nginx exposed

这等价于使用 kubectl create -f 命令创建，对应如下的 yaml 文件：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nginx
  labels:
    run: my-nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
  selector:
    run: my-nginx

查看 Service 资源:

[root@master test]# kubectl get svc my-nginx
NAME       TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
my-nginx   ClusterIP   10.233.22.145   <none>        80/TCP    79s

一个 Service 由一组 backend Pod 组成。这些 Pod 通过 endpoints 暴露出来。 Service Selector 将持续评估，结果被 POST 到一个名称为 my-nginx 的 Endpoint 对象上。 当 Pod 终止后，它会自动从 Endpoint 中移除，新的能够匹配上 Service Selector 的 Pod 将自动地被添加到 Endpoint 中。 检查该 Endpoint：

[root@master test]# kubectl describe svc my-nginx
Name:              my-nginx
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       <none>
Selector:          run=my-nginx
Type:              ClusterIP
IP Family Policy:  SingleStack
IP Families:       IPv4
IP:                10.233.22.145
IPs:               10.233.22.145
Port:              <unset>  80/TCP
TargetPort:        80/TCP
Endpoints:         10.233.112.26:80,10.233.112.27:80
Session Affinity:  None
Events:            <none>

查看endporints：

[root@master test]# kubectl get ep my-nginx
NAME       ENDPOINTS                           AGE
my-nginx   10.233.112.26:80,10.233.112.27:80   3m22s

任意节点测试：

# master节点
[root@master test]# curl 10.233.22.145
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
html { color-scheme: light dark; }
body { width: 35em; margin: 0 auto;
font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif; }
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>

<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>

<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>

# worker节点
[root@node-2 ~]# curl 10.233.22.145
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
html { color-scheme: light dark; }
body { width: 35em; margin: 0 auto;
font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif; }
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>

<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>

<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>