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2.2 主要概念 - Service

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2023-12-01

Kubernetes 在设计之初就充分考虑了针对容器的服务发现与负载均衡机制，提供了 Service 资源，并通过 kube-proxy 配合 cloud provider 来适应不同的应用场景。随着 kubernetes 用户的激增，用户场景的不断丰富，又产生了一些新的负载均衡机制。目前，kubernetes 中的负载均衡大致可以分为以下几种机制，每种机制都有其特定的应用场景：

  • Service：直接用 Service 提供 cluster 内部的负载均衡，并借助 cloud provider 提供的 LB 提供外部访问
  • Ingress Controller：还是用 Service 提供 cluster 内部的负载均衡，但是通过自定义 LB 提供外部访问
  • Service Load Balancer：把 load balancer 直接跑在容器中，实现 Bare Metal 的 Service Load Balancer
  • Custom Load Balancer：自定义负载均衡，并替代 kube-proxy，一般在物理部署 Kubernetes 时使用，方便接入公司已有的外部服务

Service

Service - 图1

Service 是对一组提供相同功能的 Pods 的抽象，并为它们提供一个统一的入口。借助 Service，应用可以方便的实现服务发现与负载均衡，并实现应用的零宕机升级。Service 通过标签来选取服务后端，一般配合 Replication Controller 或者 Deployment 来保证后端容器的正常运行。这些匹配标签的 Pod IP 和端口列表组成 endpoints，由 kube-proxy 负责将服务 IP 负载均衡到这些 endpoints 上。

Service 有四种类型：

  • ClusterIP：默认类型，自动分配一个仅 cluster 内部可以访问的虚拟 IP
  • NodePort：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 来访问该服务
  • LoadBalancer：在 NodePort 的基础上，借助 cloud provider 创建一个外部的负载均衡器，并将请求转发到 <NodeIP>:NodePort
  • ExternalName：将服务通过 DNS CNAME 记录方式转发到指定的域名（通过 spec.externlName 设定）。需要 kube-dns 版本在 1.7 以上。

另外，也可以将已有的服务以 Service 的形式加入到 Kubernetes 集群中来，只需要在创建 Service 的时候不指定 Label selector，而是在 Service 创建好后手动为其添加 endpoint。

Service 定义

Service 的定义也是通过 yaml 或 json，比如下面定义了一个名为 nginx 的服务，将服务的 80 端口转发到 default namespace 中带有标签 run=nginx 的 Pod 的 80 端口

  1. apiVersion: v1
  2. kind: Service
  3. metadata:
  4.   labels:
  5.     run: nginx
  6.   name: nginx
  7.   namespace: default
  8. spec:
  9.   ports:
  10.   - port: 80
  11.     protocol: TCP
  12.     targetPort: 80
  13.   selector:
  14.     run: nginx
  15.   sessionAffinity: None
  16.   type: ClusterIP
  1. # service 自动分配了 Cluster IP 10.0.0.108
  2. $ kubectl get service nginx
  3. NAME      CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
  4. nginx     10.0.0.108   <none>        80/TCP    18m
  5. # 自动创建的 endpoint
  6. $ kubectl get endpoints nginx
  7. NAME      ENDPOINTS       AGE
  8. nginx     172.17.0.5:80   18m
  9. # Service 自动关联 endpoint
  10. $ kubectl describe service nginx
  11. Name:            nginx
  12. Namespace:        default
  13. Labels:            run=nginx
  14. Annotations:        <none>
  15. Selector:        run=nginx
  16. Type:            ClusterIP
  17. IP:            10.0.0.108
  18. Port:            <unset>    80/TCP
  19. Endpoints:        172.17.0.5:80
  20. Session Affinity:    None
  21. Events:            <none>

API 版本对照表

Kubernetes 版本Core API 版本
v1.5+core/v1

不指定 Selectors 的服务

在创建 Service 的时候，也可以不指定 Selectors，用来将 service 转发到 kubernetes 集群外部的服务（而不是 Pod）。目前支持两种方法

（1）自定义 endpoint，即创建同名的 service 和 endpoint，在 endpoint 中设置外部服务的 IP 和端口

  1. kind: Service
  2. apiVersion: v1
  3. metadata:
  4.   name: my-service
  5. spec:
  6.   ports:
  7.     - protocol: TCP
  8.       port: 80
  9.       targetPort: 9376
  10. ---
  11. kind: Endpoints
  12. apiVersion: v1
  13. metadata:
  14.   name: my-service
  15. subsets:
  16.   - addresses:
  17.       - ip: 1.2.3.4
  18.     ports:
  19.       - port: 9376

（2）通过 DNS 转发，在 service 定义中指定 externalName。此时 DNS 服务会给 <service-name>.<namespace>.svc.cluster.local 创建一个 CNAME 记录，其值为 my.database.example.com。并且，该服务不会自动分配 Cluster IP，需要通过 service 的 DNS 来访问（这种服务也称为 Headless Service）。

  1. kind: Service
  2. apiVersion: v1
  3. metadata:
  4.   name: my-service
  5.   namespace: default
  6. spec:
  7.   type: ExternalName
  8.   externalName: my.database.example.com

Headless 服务

Headless 服务即不需要 Cluster IP 的服务，即在创建服务的时候指定 spec.clusterIP=None。包括两种类型

  • 不指定 Selectors，但设置 externalName，即上面的（2），通过 CNAME 记录处理
  • 指定 Selectors，通过 DNS A 记录设置后端 endpoint 列表
  1. apiVersion: v1
  2. kind: Service
  3. metadata:
  4.   labels:
  5.     app: nginx
  6.   name: nginx
  7. spec:
  8.   clusterIP: None
  9.   ports:
  10.   - name: tcp-80-80-3b6tl
  11.     port: 80
  12.     protocol: TCP
  13.     targetPort: 80
  14.   selector:
  15.     app: nginx
  16.   sessionAffinity: None
  17.   type: ClusterIP
  18. ---
  19. apiVersion: extensions/v1beta1
  20. kind: Deployment
  21. metadata:
  22.   labels:
  23.     app: nginx
  24.   name: nginx
  25.   namespace: default
  26. spec:
  27.   replicas: 2
  28.   revisionHistoryLimit: 5
  29.   selector:
  30.     matchLabels:
  31.       app: nginx
  32.   template:
  33.     metadata:
  34.       labels:
  35.         app: nginx
  36.     spec:
  37.       containers:
  38.       - image: nginx:latest
  39.         imagePullPolicy: Always
  40.         name: nginx
  41.         resources:
  42.           limits:
  43.             memory: 128Mi
  44.           requests:
  45.             cpu: 200m
  46.             memory: 128Mi
  47.       dnsPolicy: ClusterFirst
  48.       restartPolicy: Always
  1. # 查询创建的 nginx 服务
  2. $ kubectl get service --all-namespaces=true
  3. NAMESPACE     NAME         CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP      PORT(S)         AGE
  4. default       nginx        None            <none>           80/TCP          5m
  5. kube-system   kube-dns     172.26.255.70   <none>           53/UDP,53/TCP   1d
  6. $ kubectl get pod
  7. NAME                       READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP           NODE
  8. nginx-2204978904-6o5dg     1/1       Running   0          14s       172.26.2.5   10.0.0.2
  9. nginx-2204978904-qyilx     1/1       Running   0          14s       172.26.1.5   10.0.0.8
  10. $ dig @172.26.255.70  nginx.default.svc.cluster.local
  11. ;; ANSWER SECTION:
  12. nginx.default.svc.cluster.local. 30 IN    A    172.26.1.5
  13. nginx.default.svc.cluster.local. 30 IN    A    172.26.2.5

备注： 其中 dig 命令查询的信息中，部分信息省略

保留源 IP

各种类型的 Service 对源 IP 的处理方法不同：

  • ClusterIP Service：使用 iptables 模式，集群内部的源 IP 会保留（不做 SNAT）。如果 client 和 server pod 在同一个 Node 上，那源 IP 就是 client pod 的 IP 地址；如果在不同的 Node 上，源 IP 则取决于网络插件是如何处理的，比如使用 flannel 时，源 IP 是 node flannel IP 地址。
  • NodePort Service：默认情况下，源 IP 会做 SNAT，server pod 看到的源 IP 是 Node IP。为了避免这种情况，可以给 service 设置 spec.ExternalTrafficPolicy=Local （1.6-1.7 版本设置 Annotation service.beta.kubernetes.io/external-traffic=OnlyLocal），让 service 只代理本地 endpoint 的请求（如果没有本地 endpoint 则直接丢包），从而保留源 IP。
  • LoadBalancer Service：默认情况下，源 IP 会做 SNAT，server pod 看到的源 IP 是 Node IP。设置 service.spec.ExternalTrafficPolicy=Local 后可以自动从云平台负载均衡器中删除没有本地 endpoint 的 Node，从而保留源 IP。

工作原理

kube-proxy 负责将 service 负载均衡到后端 Pod 中，如下图所示

Service - 图2

Ingress Controller

Service 虽然解决了服务发现和负载均衡的问题，但它在使用上还是有一些限制，比如

－ 只支持 4 层负载均衡，没有 7 层功能
－ 对外访问的时候，NodePort 类型需要在外部搭建额外的负载均衡，而 LoadBalancer 要求 kubernetes 必须跑在支持的 cloud provider 上面

Ingress 就是为了解决这些限制而引入的新资源，主要用来将服务暴露到 cluster 外面，并且可以自定义服务的访问策略。比如想要通过负载均衡器实现不同子域名到不同服务的访问：

  1. foo.bar.com --|                 |-> foo.bar.com s1:80
  2.               | 178.91.123.132  |
  3. bar.foo.com --|                 |-> bar.foo.com s2:80

可以这样来定义 Ingress：

  1. apiVersion: extensions/v1beta1
  2. kind: Ingress
  3. metadata:
  4.   name: test
  5. spec:
  6.   rules:
  7.   - host: foo.bar.com
  8.     http:
  9.       paths:
  10.       - backend:
  11.           serviceName: s1
  12.           servicePort: 80
  13.   - host: bar.foo.com
  14.     http:
  15.       paths:
  16.       - backend:
  17.           serviceName: s2
  18.           servicePort: 80

注意 Ingress 本身并不会自动创建负载均衡器，cluster 中需要运行一个 ingress controller 来根据 Ingress 的定义来管理负载均衡器。目前社区提供了 nginx 和 gce 的参考实现。

Traefik 提供了易用的 Ingress Controller，使用方法见 https://docs.traefik.io/user-guide/kubernetes/。

更多 Ingress 和 Ingress Controller 的介绍参见 ingress。

Service Load Balancer

在 Ingress 出现以前，Service Load Balancer 是推荐的解决 Service 局限性的方式。Service Load Balancer 将 haproxy 跑在容器中，并监控 service 和 endpoint 的变化，通过容器 IP 对外提供 4 层和 7 层负载均衡服务。

社区提供的 Service Load Balancer 支持四种负载均衡协议：TCP、HTTP、HTTPS 和 SSL TERMINATION，并支持 ACL 访问控制。

注意：Service Load Balancer 已不再推荐使用，推荐使用 ingress。

Custom Load Balancer

虽然 Kubernetes 提供了丰富的负载均衡机制，但在实际使用的时候，还是会碰到一些复杂的场景是它不能支持的，比如

  • 接入已有的负载均衡设备
  • 多租户网络情况下，容器网络和主机网络是隔离的，这样 kube-proxy 就不能正常工作

这个时候就可以自定义组件，并代替 kube-proxy 来做负载均衡。基本的思路是监控 kubernetes 中 service 和 endpoints 的变化，并根据这些变化来配置负载均衡器。比如 weave flux、nginx plus、kube2haproxy 等。

参考资料

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