Kubernetes（k8s）kube-proxy、Service详解
一、kube-proxy简介
kube-proxy负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡，它运行在每个Node计算节点上，负责Pod网络代理, 它会定时从etcd服务获取到service信息来做相应的策略，维护网络规则和四层负载均衡工作。在K8s集群中微服务的负载均衡是由Kube-proxy实现的，它是K8s集群内部的负载均衡器，也是一个分布式代理服务器，在K8s的每个节点上都有一个，这一设计体现了它的伸缩性优势，需要访问服务的节点越多，提供负载均衡能力的Kube-proxy就越多，高可用节点也随之增多。
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。
简单来说:
- 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。
- kube-proxy管理sevice的Endpoints，该service对外暴露一个Virtual IP，也成为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。
- service是通过Selector选择的一组Pods的服务抽象，其实就是一个微服务，提供了服务的LB和反向代理的能力，而kube-proxy的主要作用就是负责service的实现。
- service另外一个重要作用是，一个服务后端的Pods可能会随着生存灭亡而发生IP的改变，service的出现，给服务提供了一个固定的IP，而无视后端Endpoint的变化。
二、Service 简介
Kubernetes Service定义了这样一种抽象： Service是一种可以访问 Pod逻辑分组的策略， Service通常是通过 Label Selector访问 Pod组。
Service能够提供负载均衡的能力，但是在使用上有以下限制：只提供 4 层负载均衡能力，而没有 7 层功能，但有时我们可能需要更多的匹配规则来转发请求，这点上 4 层负载均衡是不支持的。
三、Service 类型
Service在 K8s中有以下四种类型：
1）ClusterIp（集群内部使用）
默认类型，自动分配一个仅Cluster内部可以访问的虚拟IP（VIP）。
2）NodePort（对外暴露应用）
在ClusterIP基础上为Service在每台机器上绑定一个端口，这样就可以通过NodeIP:NodePort访问来访问该服务。
端口范围：30000~32767
3）LoadBalancer（对外暴露应用，适用于公有云）
在NodePort的基础上，借助Cloud Provider创建一个外部负载均衡器，并将请求转发到NodePort。
4）ExternalName
创建一个dns别名指到service name上，主要是防止service name发生变化，要配合dns插件使用。通过返回 CNAME 和它的值，可以将服务映射到 externalName 字段的内容。这只有 Kubernetes 1.7或更高版本的kube-dns才支持（我这里是Kubernetes 1.22.1版本）。
四、Service 工作流程
- 客户端访问节点时通过 iptables实现的
- iptables规则是通过 kube-proxy写入的
- apiserver通过监控 kube-proxy去进行对服务和端点的监控
- kube-proxy通过 pod的标签（ lables）去判断这个断点信息是否写入到 Endpoints里
五、Endpoints简介
endpoint是k8s集群中的一个资源对象，存储在etcd中，用来记录一个service对应的所有pod的访问地址。service配置selector，endpoint controller才会自动创建对应的endpoint对象；否则，不会生成endpoint对象。
【例如】k8s集群中创建一个名为hello的service，就会生成一个同名的endpoint对象，ENDPOINTS就是service关联的pod的ip地址和端口。
1）工作流程
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 Service-hello 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，注意到 IP 地址与创建的 Pod 是相同的。现在，能够从集群中任意节点上使用 curl 命令请求 hello Service <CLUSTER-IP>:<PORT> 。
2）示例
1、deployment-hello.yaml
$ cat << EOF > deployment-hello.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: hello
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
run: hello
template:
metadata:
labels:
run: hello
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.17.1
EOF
2、service-hello.yaml
$ cat << EOF > service-hello.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: service-hello
labels:
name: service-hello
spec:
type: NodePort #这里代表是NodePort类型的,另外还有ingress,LoadBalancer
ports:
- port: 80
targetPort: 8080
protocol: TCP
nodePort: 31111 # 所有的节点都会开放此端口30000--32767，此端口供外部调用。
selector:
run: hello
EOF
3、查看验证
$ kubectl apply -f deployment-hello.yaml
$ kubectl apply -f service-hello.yaml
# 查看pod，如果本地没有镜像，可能等待的时候比较长，一定要等到所有pod都在运行中才行。
$ kubectl get pod -o wide|grep hello-*
# 查看service
$ kubectl get service service-hello -o wide
# 查看service详情
$ kubectl describe service service-hello
# 查看pointer
$ kubectl get endpoints service-hello
六、Service, Endpoints与Pod的关系
Kube-proxy进程获取每个Service的Endpoints,实现Service的负载均衡功能。
Service的负载均衡转发规则
访问Service的请求，不论是Cluster IP+TargetPort的方式；还是用Node节点IP+NodePort的方式，都被Node节点的Iptables规则重定向到Kube-proxy监听Service服务代理端口。kube-proxy接收到Service的访问请求后，根据负载策略，转发到后端的Pod。
七、Service的资源清单文件详解
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
#元数据
name: string
#Service名称
namespace: string
#命名空间，不指定时默认为default命名空间
labels:
#自定义标签属性列表
- name: string
annotations:
#自定义注解属性列表
- name: string
spec:
#详细描述
selector: []
#这里选择器一定要选择容器的标签，也就是pod的标签
#selector:
# app: web
#Label Selector配置，选择具有指定label标签的pod作为管理范围
type: string
#service的类型，指定service的访问方式，默认ClusterIP
#ClusterIP：虚拟的服务ip地址，用于k8s集群内部的pod访问，在Node上kube-porxy通过设置的iptables规则进行转发
#NodePort：使用宿主机端口，能够访问各Node的外部客户端通过Node的IP和端口就能访问服务器
#LoadBalancer：使用外部负载均衡器完成到服务器的负载分发，
#需要在spec.status.loadBalancer字段指定外部负载均衡服务器的IP，并同时定义nodePort和clusterIP用于公有云环境。
clusterIP: string
#虚拟服务IP地址，当type=ClusterIP时，如不指定，则系统会自动进行分配，也可以手动指定。当type=loadBalancer，需要指定
sessionAffinity: string
#是否支持session，可选值为ClietIP，默认值为空
#ClientIP表示将同一个客户端(根据客户端IP地址决定)的访问请求都转发到同一个后端Pod
ports:
#service需要暴露的端口列表
- name: string
#端口名称
protocol: string
#端口协议，支持TCP或UDP，默认TCP
port: int
#服务监听的端口号
targetPort: int
#需要转发到后端的端口号
nodePort: int
#当type=NodePort时，指定映射到物理机的端口号
status:
#当type=LoadBalancer时，设置外部负载均衡的地址，用于公有云环境
loadBalancer:
#外部负载均衡器
ingress:
#外部负载均衡器
ip: string
#外部负载均衡器的IP地址
hostname: string
#外部负载均衡器的机主机
八、kubernetes中的四种port
1）nodePort
nodePort是外部访问k8s集群中service的端口，通过nodeIP: nodePort可以从外部访问到某个service。
2）port
port是k8s集群内部访问service的端口，即通过clusterIP: port可以访问到某个service。
3）targetPort
targetPort是pod的端口，从port和nodePort来的流量经过kube-proxy流入到后端pod的targetPort上，最后进入容器。
4）containerPort
containerPort是pod内部容器的端口，targetPort映射到containerPort。
九、kubernetes服务发现
Kubernetes提供了两种方式进行服务发现, 即环境变量和DNS, 简单说明如下:
1）环境变量
当你创建一个Pod的时候，kubelet会在该Pod中注入集群内所有Service的相关环境变量。
【注意】要想一个Pod中注入某个Service的环境变量，则必须Service要比该Pod先创建。这一点，几乎使得这种方式进行服务发现不可用。比如，一个ServiceName为redis-master的Service，对应的ClusterIP:Port为172.16.50.11:6379，则其对应的环境变量为:
REDIS_MASTER_SERVICE_HOST=172.16.50.11
REDIS_MASTER_SERVICE_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT=tcp://172.16.50.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP=tcp://172.16.50.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PROTO=tcp
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_ADDR=172.16.50.11
2) DNS
这是k8s官方强烈推荐的方式!!! 可以通过cluster add-on方式轻松的创建KubeDNS来对集群内的Service进行服务发现。
十、Service代理模式
k8s群集中的每个节点都运行一个kube-proxy的组件，kube-proxy其实是一个代理层负责实现service。
Kubernetes v1.2之前默认是userspace，v1.2之后默认是iptables模式，iptables模式性能和可靠性更好，但是iptables模式依赖健康检查，在没有健康检查的情况下如果一个pod不响应，iptables模式不会切换另一个pod上。
1）userspace模式
客户端访问ServiceIP(clusterIP)请求会先从用户空间到内核中的iptables，然后回到用户空间kube-proxy，kube-proxy负责代理工作。
缺点：
可见，userspace这种mode最大的问题是，service的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，这样流量从用户空间进出内核带来的性能损耗是不可接受的。这也是k8s v1.0及之前版本中对kube-proxy质疑最大的一点，因此社区就开始研究iptables mode。
详细工作流程：
userspace这种模式下，kube-proxy 持续监听 Service 以及 Endpoints 对象的变化；对每个 Service，它都为其在本地节点开放一个端口，作为其服务代理端口；发往该端口的请求会采用一定的策略转发给与该服务对应的后端 Pod 实体。kube-proxy 同时会在本地节点设置 iptables 规则，配置一个 Virtual IP，把发往 Virtual IP 的请求重定向到与该 Virtual IP 对应的服务代理端口上。其工作流程大体如下:
【分析】该模式请求在到达 iptables 进行处理时就会进入内核，而 kube-proxy 监听则是在用户态, 请求就形成了从用户态到内核态再返回到用户态的传递过程, 一定程度降低了服务性能。
2）iptables模式（默认模式）
该模式完全利用内核iptables来实现service的代理和LB, 这是K8s在v1.2及之后版本默认模式. 工作原理如下:
iptables mode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，如果集群中存在上万的Service/Endpoint，那么Node上的iptables rules将会非常庞大，性能还会再打折扣。这也导致目前大部分企业用k8s上生产时，都不会直接用kube-proxy作为服务代理，而是通过自己开发或者通过Ingress Controller来集成HAProxy, Nginx来代替kube-proxy。
详细工作流程：
iptables 模式与 userspace 相同，kube-proxy 持续监听 Service 以及 Endpoints 对象的变化；但它并不在本地节点开启反向代理服务，而是把反向代理全部交给 iptables 来实现；即 iptables 直接将对 VIP 的请求转发给后端 Pod，通过 iptables 设置转发策略。其工作流程大体如下:
【分析】 该模式相比 userspace 模式，克服了请求在用户态-内核态反复传递的问题，性能上有所提升，但使用 iptables NAT 来完成转发，存在不可忽视的性能损耗，而且在大规模场景下，iptables 规则的条目会十分巨大，性能上还要再打折扣。
示例:
cat << EOF > mysql-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
name: mysql
role: service
name: mysql-service
spec:
ports:
- port: 3306
targetPort: 3306
nodePort: 30964
type: NodePort
selector:
mysql-service: "true"
name: mysql
EOF
$ kubectl apply -f mysql-service.yaml
$ kubectl get svc
3）ipvs模型
在kubernetes 1.8以上的版本中，对于kube-proxy组件增加了除iptables模式和用户模式之外还支持ipvs模式。kube-proxy ipvs 是基于 NAT 实现的，通过ipvs的NAT模式，对访问k8s service的请求进行虚IP到POD IP的转发。当创建一个 service 后，kubernetes 会在每个节点上创建一个网卡，同时帮你将 Service IP(VIP) 绑定上，此时相当于每个 Node 都是一个 ds，而其他任何 Node 上的 Pod，甚至是宿主机服务(比如 kube-apiserver 的 6443)都可能成为 rs；
详细工作流程：
与iptables、userspace 模式一样，kube-proxy 依然监听Service以及Endpoints对象的变化, 不过它并不创建反向代理, 也不创建大量的 iptables 规则, 而是通过netlink 创建ipvs规则，并使用k8s Service与Endpoints信息，对所在节点的ipvs规则进行定期同步; netlink 与 iptables 底层都是基于 netfilter 钩子，但是 netlink 由于采用了 hash table 而且直接工作在内核态，在性能上比 iptables 更优。其工作流程大体如下:
【分析】ipvs 是目前 kube-proxy 所支持的最新代理模式，相比使用 iptables，使用 ipvs 具有更高的性能。
4）kube-proxy配置 ipvs模式（所有节点）
1、加载ip_vs相关内核模块
$ modprobe -- ip_vs
$ modprobe -- ip_vs_sh
$ modprobe -- ip_vs_rr
$ modprobe -- ip_vs_wrr
$ modprobe -- nf_conntrack_ipv4
所有节点验证开启了ipvs：
$ lsmod |grep ip_vs
2、安装ipvsadm工具
$ yum install ipset ipvsadm -y
3、编辑kube-proxy配置文件，mode修改成ipvs
$ kubectl edit configmap -n kube-system kube-proxy
4、重启kube-proxy
先查看之前的kube-proxy
$ kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy
删掉上面三个kube-proxy，重新拉起新的服务
$ kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy |awk '{system("kubectl delete pod "$1" -n kube-system")}'
再查看
$ kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy
5、查看
$ ipvsadm -Ln
如果对IPVS不清楚的可以看这里
