深入 K8s 网络原理（二）- Service iptables 模式分析
1. 概述
接上一篇《深入 K8s 网络原理（一）- Flannel VXLAN 模式分析》，今天我们继续来分析 Kubernetes Service 的实现原理。
2. 准备 Service 和 Pods 资源
镜像和上一篇一样；
Deployment 的 YAML 如下：
nginx-deploy.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-deployment
spec:
replicas: 2
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:test1
ports:
- containerPort: 80
对应的 Service YAML 如下：
nginx-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx-service
spec:
type: NodePort
selector:
app: nginx
ports:
- protocol: TCP
port: 80
nodePort: 30007
3. K8s 里 Service 的实现原理
Kubernetes 提供了几种不同类型的 Service，包括：
ClusterIP：这是最常见的 Service 类型，为 Service 提供一个集群内部的 IP 地址，使得 Service 只能在集群内部访问。NodePort：这种类型的 Service 在每个节点上开放一个端口（NodePort），从而允许从集群外部通过 <NodeIP>:<NodePort> 访问 Service。LoadBalancer：这种类型的 Service 通常由云提供商支持，它会在集群外部创建一个负载均衡器，将外部流量分发到集群内的 Pods。ExternalName：通过返回一个名字（而非 IP 地址）来指向外部服务。
接着具体来看 Service 的实现。
3.1 kube-proxy 组件
Kubernetes 集群中每个节点上会运行一个关键组件 kube-proxy，它负责为 Service 对象实现网络代理，使得网络流量可以透明地定向到后端 Pods。kube-proxy 支持几种不同的代理模式，最常见的是 iptables 模式和 IPVS 模式。
- iptables 模式
- 在这种模式下，kube-proxy 使用 iptables 规则来捕获到达 Service 的流量，并将其重定向到后端 Pods。每当 Service 或 Pod 发生变化时，kube-proxy 都会更新 iptables 规则。
- iptables 模式是最简单且广泛使用的，但在大规模集群中可能会面临性能问题，因为每个网络包都需要通过不短的规则链进行处理。
- IPVS (IP Virtual Server) 模式
- IPVS 模式使用内核的 IPVS 功能，该功能提供了内置的负载均衡功能。与 iptables 相比，IPVS 可以处理更大规模的流量，拥有更好的性能和更复杂的负载均衡算法（最少连接等）。
- 在这种模式下，kube-proxy 会创建一个虚拟服务器，为每个 Service 分配一个虚拟 IP（VIP），并将流量负载均衡到后端 Pods。
以 kube-proxy 的 iptables 模式为例，我们具体来看下 Service 创建后，iptables 是如何将 Service 流量转到 pods 上的。
3.2 iptables 简介
简单介绍下 iptables：
iptables是一种在 Linux 系统中广泛使用的工具，它允许管理员配置内核的 netfilter 模块，以控制网络数据包的流入流出。这个工具提供了一个框架，用于定义规则，这些规则决定了如何处理经过网络接口的数据包。iptables 的核心功能主要包括：
- 数据包过滤：iptables 最常用于过滤数据包，即决定哪些数据包可以通过网络接口，哪些应该被阻止。
- 网络地址转换 (NAT)：它可以用于修改数据包的源或目的地址，常用于路由和隐藏内部网络结构。
- 端口转发：iptables 可以重定向到特定端口的数据流，用于设置端口转发。
刚从铺灰的硬盘里发现一张三年前画的 iptables 相关的图（我都忘记这个图应该叫啥名字了）：
3.3 iptables 规则
下面具体看下 Service 对应的 iptables 规则。
3.3.1 Service，Pod 和 Host 信息
前面创建了 Service 和 Deployment，对应的 Service 和 Pod 资源如下：
kgsvc
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
nginx-service NodePort 10.107.33.105 <none> 80:30007/TCP 152m
kgpoowide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE
nginx-deployment-7fbb8f4b4c-89bds 1/1 Running 0 155m 10.244.2.4 minikube-m03
nginx-deployment-7fbb8f4b4c-d29zm 1/1 Running 0 155m 10.244.1.5 minikube-m02
此外，我的 K8s 集群包括3个节点，nodes 的 ip/hostname 信息如下：
192.168.49.2 minikube
192.168.49.3 minikube-m02
192.168.49.4 minikube-m03
3.3.2 从 NodePort 入手寻找 iptables 规则
现在进到 minikube 节点，也就是 K8s 主节点，查看下 nat 表的链信息，过滤下 NodePort 端口 30007：
sudo iptables -t nat -L | grep 30007
KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG tcp -- anywhere anywhere /* default/nginx-service */ tcp dpt:30007
可以看到一条链：KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG，具体看下这条链的信息：
sudo iptables -t nat -L KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG -v
Chain KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG (1 references)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG all -- any any anywhere anywhere
从这里可以看到 KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG 有一条子链 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG。继续看 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG 链：
sudo iptables -t nat -L KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG -v
Chain KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG (2 references)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F all -- any any anywhere anywhere /* default/nginx-service -> 10.244.1.5:80 */ statistic mode random probability 0.50000000000
0 0 KUBE-SEP-A4R5AW5RLMEQF7RP all -- any any anywhere anywhere /* default/nginx-service -> 10.244.2.4:80 */
进一步可以找到两条 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG 的子链 KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F 和 KUBE-SEP-A4R5AW5RLMEQF7RP，这里对应2个 pods。以 KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F 为例继续跟：
sudo iptables -t nat -L KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F -v
Chain KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F (1 references)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 DNAT tcp -- any any anywhere anywhere /* default/nginx-service */ tcp to:10.244.1.5:80
到这里 target 不再是其他链，而是 DNAT，也就是请求 Service 的 NodePort 最终流量被 DNAT 到了 10.244.1.5:80 和 10.244.2.4:80 这两个 Endpoints，它们分别对应2个 pods。
3.3.3 从 PREROUTING 和 OUTPUT 链寻找 K8s 相关子链
先看 PREROUTING：
sudo iptables -t nat -L PREROUTING -v
Chain PREROUTING (policy ACCEPT 5 packets, 300 bytes)
pkts bytes target prot opt in out source destination
99 5965 KUBE-SERVICES all -- any any anywhere anywhere /* kubernetes service portals */
可以看到入向流量全部都会经过 KUBE-SERVICES 链处理。继续看 OUTPUT：
sudo iptables -t nat -L OUTPUT -v
Chain OUTPUT (policy ACCEPT 3355 packets, 202K bytes)
pkts bytes target prot opt in out source destination
29961 1801K KUBE-SERVICES all -- any any anywhere anywhere /* kubernetes service portals */
同样全部出向流量也被 KUBE-SERVICES 链处理。继续看下 KUBE-SERVICES 链：
sudo iptables -t nat -L KUBE-SERVICES -v
Chain KUBE-SERVICES (2 references)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG tcp -- any any anywhere 10.107.33.105 /* default/nginx-service cluster IP */ tcp dpt:http
3391 203K KUBE-NODEPORTS all -- any any anywhere anywhere /* kubernetes service nodeports; NOTE: this must be the last rule in this chain */ ADDRTYPE match dst-type LOCAL
可以看到2条子链，一个是表示 Nginx Service 的 Cluster IP 的子链 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG，另外一个是表示集群 NodePort 的 KUBE-NODEPORTS 子链。KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG 在前面已经具体看过了，那么 KUBE-NODEPORTS 子链具体又包含啥信息呢：
sudo iptables -t nat -L KUBE-NODEPORTS -v
Chain KUBE-NODEPORTS (1 references)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG tcp -- any any anywhere anywhere /* default/nginx-service */ tcp dpt:30007
可以看到当 TCP 流量的目的端口是 30007 的时候，就会匹配到 KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG 子链，KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG 子链的内容前面已经具体看过了。换言之，每多创建一个 NodePort 类型的 Service，kube-proxy 就会在 KUBE-NODEPORTS 子链下新挂一条 KUBE-EXT-XXX 子链。
3.3.4 总结下
IP 包进出主机都会经过 KUBE-SERVICES 链，进而根据 destination 地址匹配到不同的子链：
- 如果目的地址是某个 Service 的 Cluster IP，那么就匹配到具体的 KUBE-SVC-XXX 处理；
- 否则，就匹配到 KUBE-NODEPORTS 处理；流量匹配到 KUBE-NODEPORTS 后，会进一步根据 tcp 目的端口 来匹配具体的子链 KUBE-EXT-XXX；
如果流量匹配到 KUBE-EXT-XXX 子链，端口命中，那么下一条依旧是表示 Cluster IP 的 KUBE-SVC-XXX，所以两条子链在这里汇合。而 KUBE-SVC-XXX 链上的规则会进一步将 IP 包匹配到 KUBE-SEP-XXX 子链上，这些子链表达的是“Service Endpoints”。默认情况下 KUBE-SVC-XXX 会根据 Pod 数量按照相等的概率将流量分流到多个 KUBE-SEP-XXX 上进一步匹配。而 KUBE-SEP-XXX 链会执行类似“DNAT to:10.244.1.5:80”过程，最终将一开始请求 Service 的流量就丢给了 Pod。
所以，当你通过 NodePort/ClusterIP 方式访问 pods 的时候，以两副本为例，整体流量匹配过程大致如下图：
4. 总结
不总结。明天见。
