kubernetes service 原理解析
为什么需要 service
在 kubernetes 中，当创建带有多个副本的 deployment 时，kubernetes 会创建出多个 pod，此时即一个服务后端有多个容器，那么在 kubernetes 中负载均衡怎么做，容器漂移后 ip 也会发生变化，如何做服务发现以及会话保持？这就是 service 的作用，service 是一组具有相同 label pod 集合的抽象，集群内外的各个服务可以通过 service 进行互相通信，当创建一个 service 对象时也会对应创建一个 endpoint 对象，endpoint 是用来做容器发现的，service 只是将多个 pod 进行关联，实际的路由转发都是由 kubernetes 中的 kube-proxy 组件来实现，因此，service 必须结合 kube-proxy 使用，kube-proxy 组件可以运行在 kubernetes 集群中的每一个节点上也可以只运行在单独的几个节点上，其会根据 service 和 endpoints 的变动来改变节点上 iptables 或者 ipvs 中保存的路由规则。
service 的工作原理
service 原理
endpoints controller 是负责生成和维护所有 endpoints 对象的控制器，监听 service 和对应 pod 的变化，更新对应 service 的 endpoints 对象。当用户创建 service 后 endpoints controller 会监听 pod 的状态，当 pod 处于 running 且准备就绪时，endpoints controller 会将 pod ip 记录到 endpoints 对象中，因此，service 的容器发现是通过 endpoints 来实现的。而 kube-proxy 会监听 service 和 endpoints 的更新并调用其代理模块在主机上刷新路由转发规则。
service 的负载均衡
上文已经提到 service 实际的路由转发都是由 kube-proxy 组件来实现的，service 仅以一种 VIP（ClusterIP） 的形式存在，kube-proxy 主要实现了集群内部从 pod 到 service 和集群外部从 nodePort 到 service 的访问，kube-proxy 的路由转发规则是通过其后端的代理模块实现的，kube-proxy 的代理模块目前有四种实现方案，userspace、iptables、ipvs、kernelspace，其发展历程如下所示：
- kubernetes v1.0：services 仅是一个“4层”代理，代理模块只有 userspace
- kubernetes v1.1：Ingress API 出现，其代理“7层”服务，并且增加了 iptables 代理模块
- kubernetes v1.2：iptables 成为默认代理模式
- kubernetes v1.8：引入 ipvs 代理模块
- kubernetes v1.9：ipvs 代理模块成为 beta 版本
- kubernetes v1.11：ipvs 代理模式 GA
在每种模式下都有自己的负载均衡策略，下文会详解介绍。
userspace 模式
在 userspace 模式下，访问服务的请求到达节点后首先进入内核 iptables，然后回到用户空间，由 kube-proxy 转发到后端的 pod，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，所以也就有了 iptables 模式。
为什么 userspace 模式要建立 iptables 规则，因为 kube-proxy 监听的端口在用户空间，这个端口不是服务的访问端口也不是服务的 nodePort，因此需要一层 iptables 把访问服务的连接重定向给 kube-proxy 服务。
iptables 模式
iptables 模式是目前默认的代理方式，基于 netfilter 实现。当客户端请求 service 的 ClusterIP 时，根据 iptables 规则路由到各 pod 上，iptables 使用 DNAT 来完成转发，其采用了随机数实现负载均衡。
iptables 模式与 userspace 模式最大的区别在于，iptables 模块使用 DNAT 模块实现了 service 入口地址到 pod 实际地址的转换，免去了一次内核态到用户态的切换，另一个与 userspace 代理模式不同的是，如果 iptables 代理最初选择的那个 pod 没有响应，它不会自动重试其他 pod。
iptables 模式最主要的问题是在 service 数量大的时候会产生太多的 iptables 规则，使用非增量式更新会引入一定的时延，大规模情况下有明显的性能问题。
ipvs 模式
当集群规模比较大时，iptables 规则刷新会非常慢，难以支持大规模集群，因其底层路由表的实现是链表，对路由规则的增删改查都要涉及遍历一次链表，ipvs 的问世正是解决此问题的，ipvs 是 LVS 的负载均衡模块，与 iptables 比较像的是，ipvs 的实现虽然也基于 netfilter 的钩子函数，但是它却使用哈希表作为底层的数据结构并且工作在内核态，也就是说 ipvs 在重定向流量和同步代理规则有着更好的性能，几乎允许无限的规模扩张。
ipvs 支持三种负载均衡模式：DR模式（Direct Routing）、NAT 模式（Network Address Translation）、Tunneling（也称 ipip 模式）。三种模式中只有 NAT 支持端口映射，所以 ipvs 使用 NAT 模式。linux 内核原生的 ipvs 只支持 DNAT，当在数据包过滤，SNAT 和支持 NodePort 类型的服务这几个场景中ipvs 还是会使用 iptables。
此外，ipvs 也支持更多的负载均衡算法，例如：
- rr：round-robin/轮询
- lc：least connection/最少连接
- dh：destination hashing/目标哈希
- sh：source hashing/源哈希
- sed：shortest expected delay/预计延迟时间最短
- nq：never queue/从不排队
userspace、iptables、ipvs 三种模式中默认的负载均衡策略都是通过 round-robin 算法来选择后端 pod 的，在 service 中可以通过设置 service.spec.sessionAffinity 的值实现基于客户端 ip 的会话亲和性，service.spec.sessionAffinity 的值默认为"None"，可以设置为 "ClientIP"，此外也可以使用 service.spec.sessionAffinityConfig.clientIP.timeoutSeconds 设置会话保持时间。kernelspace 主要是在 windows 下使用的，本文暂且不谈。
service 的类型
service 支持的类型也就是 kubernetes 中服务暴露的方式，默认有四种 ClusterIP、NodePort、LoadBalancer、ExternelName，此外还有 Ingress，下面会详细介绍每种类型 service 的具体使用场景。
ClusterIP
ClusterIP 类型的 service 是 kubernetes 集群默认的服务暴露方式，它只能用于集群内部通信，可以被各 pod 访问，其访问方式为：
pod ---> ClusterIP:ServicePort --> (iptables)DNAT --> PodIP:containePort
ClusterIP Service 类型的结构如下图所示:
image
NodePort
如果你想要在集群外访问集群内部的服务，可以使用这种类型的 service，NodePort 类型的 service 会在集群内部署了 kube-proxy 的节点打开一个指定的端口，之后所有的流量直接发送到这个端口，然后会被转发到 service 后端真实的服务进行访问。Nodeport 构建在 ClusterIP 上，其访问链路如下所示：
client ---> NodeIP:NodePort ---> ClusterIP:ServicePort ---> (iptables)DNAT ---> PodIP:containePort
其对应具体的 iptables 规则会在后文进行讲解。
NodePort service 类型的结构如下图所示:
image
LoadBalancer
LoadBalancer 类型的 service 通常和云厂商的 LB 结合一起使用，用于将集群内部的服务暴露到外网，云厂商的 LoadBalancer 会给用户分配一个 IP，之后通过该 IP 的流量会转发到你的 service 上。
LoadBalancer service 类型的结构如下图所示:
image
ExternelName
通过 CNAME 将 service 与 externalName 的值(比如：foo.bar.example.com)映射起来，这种方式用的比较少。
Ingress
Ingress 其实不是 service 的一个类型，但是它可以作用于多个 service，被称为 service 的 service，作为集群内部服务的入口，Ingress 作用在七层，可以根据不同的 url，将请求转发到不同的 service 上。
Ingress 的结构如下图所示:
image
service 的服务发现
虽然 service 的 endpoints 解决了容器发现问题，但不提前知道 service 的 Cluster IP，怎么发现 service 服务呢？service 当前支持两种类型的服务发现机制，一种是通过环境变量，另一种是通过 DNS。在这两种方案中，建议使用后者。
环境变量
当一个 pod 创建完成之后，kubelet 会在该 pod 中注册该集群已经创建的所有 service 相关的环境变量，但是需要注意的是，在 service 创建之前的所有 pod 是不会注册该环境变量的，所以在平时使用时，建议通过 DNS 的方式进行 service 之间的服务发现。
DNS
可以在集群中部署 CoreDNS 服务(旧版本的 kubernetes 群使用的是 kubeDNS)， 来达到集群内部的 pod 通过DNS 的方式进行集群内部各个服务之间的通讯。
当前 kubernetes 集群默认使用 CoreDNS 作为默认的 DNS 服务，主要原因是 CoreDNS 是基于 Plugin 的方式进行扩展的，简单，灵活，并且不完全被Kubernetes所捆绑。
Service 的使用
ClusterIP 方式
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: my-nginx
spec:
clusterIP: 10.105.146.177
ports:
- port: 80
protocol: TCP
targetPort: 8080
selector:
app: my-nginx
sessionAffinity: None
type: ClusterIP
NodePort 方式
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: my-nginx
spec:
ports:
- nodePort: 30090
port: 80
protocol: TCP
targetPort: 8080
selector:
app: my-nginx
sessionAffinity: None
type: NodePort
其中 nodeport 字段表示通过 nodeport 方式访问的端口，port 表示通过 service 方式访问的端口，targetPort 表示 container port。
Headless service(就是没有 Cluster IP 的 service )
当不需要负载均衡以及单独的 ClusterIP 时，可以通过指定 spec.clusterIP 的值为 None 来创建 Headless service，它会给一个集群内部的每个成员提供一个唯一的 DNS 域名来作为每个成员的网络标识，集群内部成员之间使用域名通信。
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: my-nginx
spec:
clusterIP: None
ports:
- nodePort: 30090
port: 80
protocol: TCP
targetPort: 8080
selector:
app: my-nginx
总结
本文主要讲了 kubernetes 中 service 的原理、实现以及使用方式，service 目前主要有 5 种服务暴露方式，service 的容器发现是通过 endpoints 来实现的，其服务发现主要是通过 DNS 实现的，其负载均衡以及流量转发是通过 kube-proxy 实现的。在后面的文章我会继续介绍 kube-proxy 的设计及实现。
参考：
