kubernetes 简介:service 和 kube-proxy 原理

简介

在 kubernetes 集群中,网络是非常基础也非常重要的一部分。对于大规模的节点和容器来说,要保证网络的连通性、网络转发的高效,同时能做的 ip 和 port 自动化分配和管理,并让用户用直观简单的方式来访问需要的应用,这是需要复杂且细致设计的。

kubernetes 在这方面下了很大的功夫,它通过 servicednsingress 等概念,解决了服务发现、负载均衡的问题,也大大简化了用户的使用和配置。

这篇文章就讲解如何配置 kubernetes 的网络,最终从集群内部和集群外部都能访问应用。

跨主机网络配置:flannel

一直以来,kubernetes 并没有专门的网络模块负责网络配置,它需要用户在主机上已经配置好网络。kubernetes 对网络的要求是:容器之间(包括同一台主机上的容器,和不同主机的容器)可以互相通信,容器和集群中所有的节点也能直接通信。

至于具体的网络方案,用户可以自己选择,目前使用比较多的是 flannel,因为它比较简单,而且刚好满足 kubernetes 对网络的要求。我们会使用 flannel vxlan 模式,具体的配置我在博客之前有文章介绍过,这里不再赘述。

以后 kubernetes 网络的发展方向是希望通过插件的方式来集成不同的网络方案, CNI 就是这一努力的结果,flannel 也能够通过 CNI 插件的形式使用。

kube-proxy 和 service

配置好网络之后,集群是什么情况呢?我们可以创建 pod,也能通过 ReplicationController 来创建特定副本的 pod(这是更推荐也是生产上要使用的方法,即使某个 rc 中只有一个 pod 实例)。可以从集群中获取每个 pod ip 地址,然后也能在集群内部直接通过 podIP:Port 来获取对应的服务。

但是还有一个问题:pod 是经常变化的,每次更新 ip 地址都可能会发生变化,如果直接访问容器 ip 的话,会有很大的问题。而且进行扩展的时候,rc 中会有新的 pod 创建出来,出现新的 ip 地址,我们需要一种更灵活的方式来访问 pod 的服务。

Service 和 cluster IP

针对这个问题,kubernetes 的解决方案是“服务”(service),每个服务都一个固定的虚拟 ip(这个 ip 也被称为 cluster IP),自动并且动态地绑定后面的 pod,所有的网络请求直接访问服务 ip,服务会自动向后端做转发。Service 除了提供稳定的对外访问方式之外,还能起到负载均衡(Load Balance)的功能,自动把请求流量分布到后端所有的服务上,服务可以做到对客户透明地进行水平扩展(scale)。

而实现 service 这一功能的关键,就是 kube-proxy。kube-proxy 运行在每个节点上,监听 API Server 中服务对象的变化,通过管理 iptables 来实现网络的转发。

NOTE: kube-proxy 要求 NODE 节点操作系统中要具备 /sys/module/br_netfilter 文件,而且还要设置 bridge-nf-call-iptables=1,如果不满足要求,那么 kube-proxy 只是将检查信息记录到日志中,kube-proxy 仍然会正常运行,但是这样通过 Kube-proxy 设置的某些 iptables 规则就不会工作。

kube-proxy 有两种实现 service 的方案:userspace 和 iptables

  • userspace 是在用户空间监听一个端口,所有的 service 都转发到这个端口,然后 kube-proxy 在内部应用层对其进行转发。因为是在用户空间进行转发,所以效率也不高
  • iptables 完全实现 iptables 来实现 service,是目前默认的方式,也是推荐的方式,效率很高(只有内核中 netfilter 一些损耗)。

这篇文章通过 iptables 模式运行 kube-proxy,后面的分析也是针对这个模式的,userspace 只是旧版本支持的模式,以后可能会放弃维护和支持。

kube-proxy 参数介绍

kube-proxy 的功能相对简单一些,也比较独立,需要的配置并不是很多,比较常用的启动参数包括:

参数 含义 默认值
–alsologtostderr 打印日志到标准输出 false
–bind-address HTTP 监听地址 0.0.0.0
–cleanup-iptables 如果设置为 true,会清理 proxy 设置的 iptables 选项并退出 false
–healthz-bind-address 健康检查 HTTP API 监听端口 127.0.0.1
–healthz-port 健康检查端口 10249
–iptables-masquerade-bit 使用 iptables 进行 SNAT 的掩码长度 14
–iptables-sync-period iptables 更新频率 30s
–kubeconfig kubeconfig 配置文件地址  
–log-dir 日志文件目录/路径  
–masquerade-all 如果使用 iptables 模式,对所有流量进行 SNAT 处理 false
–master kubernetes master API Server 地址  
–proxy-mode 代理模式,userspace 或者 iptables, 目前默认是 iptables,如果系统或者 iptables 版本不够新,会 fallback 到 userspace 模式 iptables
–proxy-port-range 代理使用的端口范围, 格式为 beginPort-endPort,如果没有指定,会随机选择 0-0
–udp-timeout UDP 空连接 timeout 时间,只对 userspace 模式有用 250ms
–v 日志级别 0

kube-proxy 的工作模式可以通过 --proxy-mode 进行配置,可以选择 userspace 或者 iptables

实例启动和测试

我们可以在终端上启动 kube-proxy,也可以使用诸如 systemd 这样的工具来管理它,比如下面就是一个简单的 kube-proxy.service 配置文件

[root@localhost]# cat /usr/lib/systemd/system/kube-proxy.service
[Unit]
Description=Kubernetes Proxy Service
Documentation=http://kubernetes.com
After=network.target
Wants=network.target

[Service]
Type=simple
EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/kube-proxy
ExecStart=/usr/bin/kube-proxy \
    --master=http://172.17.8.100:8080 \
    --v=4 \
    --proxy-mode=iptables
TimeoutStartSec=0
Restart=on-abnormal

[Install]
WantedBy=multi-user.target

为了方便测试,我们创建一个 rc,里面有三个 pod。这个 pod 运行的是 cizixs/whoami 容器,它是一个简单的 HTTP 服务器,监听在 3000 端口,访问它会返回容器的 hostname。

[root@localhost ~]# cat whoami-rc.yml
apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
  name: whoami
spec:
  replicas: 3
  selector:
    app: whoami
  template:
    metadata:
      name: whoami
      labels:
        app: whoami
        env: dev
    spec:
      containers:
      - name: whoami
        image: cizixs/whoami:v0.5
        ports:
        - containerPort: 3000
        env:
          - name: MESSAGE
            value: viola

我们为每个 pod 设置了两个 label:app=whoamienv=dev,这两个标签很重要,也是后面服务进行绑定 pod 的关键。

为了使用 service,我们还要定义另外一个文件,并通过 kubectl create -f ./whoami-svc.yml 来创建出来对象:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    name: whoami
  name: whoami
spec:
  ports:
    - port: 3000
      targetPort: 3000
      protocol: TCP
  selector:
    app: whoami
    env: dev

其中 selector 告诉 kubernetes 这个 service 和后端哪些 pod 绑定在一起,这里包含的键值对会对所有 pod 的 labels 进行匹配,只要完全匹配,service 就会把 pod 作为后端。也就是说,service 和 rc 并不是对应的关系,一个 service 可能会使用多个 rc 管理的 pod 作为后端应用。

ports 字段指定服务的端口信息:

  • port:虚拟 ip 要绑定的 port,每个 service 会创建出来一个虚拟 ip,通过访问 vip:port 就能获取服务的内容。这个 port 可以用户随机选取,因为每个服务都有自己的 vip,也不用担心冲突的情况
  • targetPort:pod 中暴露出来的 port,这是运行的容器中具体暴露出来的端口,一定不能写错
  • protocol:提供服务的协议类型,可以是 TCP 或者 UDP

创建之后可以列出 service ,发现我们创建的 service 已经分配了一个虚拟 ip (10.10.10.28),这个虚拟 ip 地址是不会变化的(除非 service 被删除)。查看 service 的详情可以看到它的 endpoints 列出,对应了具体提供服务的 pod 地址和端口。

[root@localhost ~]# kubectl get svc
NAME         CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
kubernetes   10.10.10.1    <none>        443/TCP    19d
whoami       10.10.10.28   <none>        3000/TCP   1d

[root@localhost ~]# kubectl describe svc whoami
Name:                   whoami
Namespace:              default
Labels:                 name=whoami
Selector:               app=whoami
Type:                   ClusterIP
IP:                     10.10.10.28
Port:                   <unset> 3000/TCP
Endpoints:              10.11.32.6:3000,10.13.192.4:3000,10.16.192.3:3000
Session Affinity:       None
No events.

默认的 service 类型是 ClusterIP,这个也可以从上面输出看出来。在这种情况下,只能从集群内部访问这个 IP,不能直接从集群外部访问服务。如果想对外提供服务,我们后面会讲解决方案。

测试一下,访问 service 服务的时候可以看到它会随机地访问后端的 pod,给出不同的返回:

[root@localhost ~]# curl http://10.10.10.28:3000
viola from whoami-8fpqp
[root@localhost ~]# curl http://10.10.10.28:3000
viola from whoami-c0x6h
[root@localhost ~]# curl http://10.10.10.28:3000
viola from whoami-8fpqp
[root@localhost ~]# curl http://10.10.10.28:3000
viola from whoami-dc9ds

默认情况下,服务会随机转发到可用的后端。如果希望保持会话(同一个 client 永远都转发到相同的 pod),可以把 service.spec.sessionAffinity 设置为 ClientIP

NOTE: 需要注意的是,服务分配的 cluster IP 是一个虚拟 ip,如果你尝试 ping 这个 IP 会发现它没有任何响应,这也是刚接触 kubernetes service 的人经常会犯的错误。实际上,这个虚拟 IP 只有和它的 port 一起的时候才有作用,直接访问它,或者想访问该 IP 的其他端口都是徒劳。

外部能够访问的服务

上面创建的服务只能在集群内部访问,这在生产环境中还不能直接使用。如果希望有一个能直接对外使用的服务,可以使用 NodePort 或者 LoadBalancer 类型的 Service。我们先说说 NodePort ,它的意思是在所有 worker 节点上暴露一个端口,这样外部可以直接通过访问 nodeIP:Port 来访问应用。

我们先把刚才创建的服务删除:

[root@localhost ~]# kubectl delete rc whoami
replicationcontroller "whoami" deleted

[root@localhost ~]# kubectl delete svc whoami
service "whoami" deleted

[root@localhost ~]# kubectl get pods,svc,rc
NAME         CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
kubernetes   10.10.10.1   <none>        443/TCP   14h

对我们原来的 Service 配置文件进行修改,把 spec.type 写成 NodePort 类型:

[root@localhost ~]# cat whoami-svc.yml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    name: whoami
  name: whoami
spec:
  ports:
    - port: 3000
      protocol: TCP
      # nodePort: 31000
  selector:
    app: whoami
  type: NodePort

因为我们的应用比较简单,只有一个端口。如果 pod 有多个端口,也可以在 spec.ports中继续添加,只有保证多个 port 之间不冲突就行。

重新创建 rc 和 svc:

[root@localhost ~]# kubectl create -f ./whoami-svc.yml
service "whoami" created
[root@localhost ~]# kubectl get rc,pods,svc
NAME        DESIRED   CURRENT   READY     AGE
rc/whoami   3         3         3         10s

NAME              READY     STATUS    RESTARTS   AGE
po/whoami-8zc3d   1/1       Running   0          10s
po/whoami-mc2fg   1/1       Running   0          10s
po/whoami-z6skj   1/1       Running   0          10s

NAME             CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
svc/kubernetes   10.10.10.1     <none>        443/TCP          14h
svc/whoami       10.10.10.163   <nodes>       3000:31647/TCP   7s

需要注意的是,因为我们没有指定 nodePort 的值,kubernetes 会自动给我们分配一个,比如这里的 31647(默认的取值范围是 30000-32767)。当然我们也可以删除配置中 # nodePort: 31000 的注释,这样会使用 31000 端口。

nodePort 类型的服务会在所有的 worker 节点(运行了 kube-proxy)上统一暴露出端口对外提供服务,也就是说外部可以任意选择一个节点进行访问。比如我本地集群有三个节点:172.17.8.100172.17.8.101172.17.8.102

[root@localhost ~]# curl http://172.17.8.100:31647
viola from whoami-mc2fg
[root@localhost ~]# curl http://172.17.8.101:31647
viola from whoami-8zc3d
[root@localhost ~]# curl http://172.17.8.102:31647
viola from whoami-z6skj

有了 nodePort,用户可以通过外部的 Load Balance 或者路由器把流量转发到任意的节点,对外提供服务的同时,也可以做到负载均衡的效果。

nodePort 类型的服务并不影响原来虚拟 IP 的访问方式,内部节点依然可以通过 vip:port 的方式进行访问。

LoadBalancer 类型的服务需要公有云支持,如果你的集群部署在公有云(GCE、AWS等)可以考虑这种方式。

service 原理解析

目前 kube-proxy 默认使用 iptables 模式,上述展现的 service 功能都是通过修改 iptables 实现的。

我们来看一下从主机上访问 service:port 的时候发生了什么(通过 iptables-save 命令打印出来当前机器上的 iptables 规则)。

所有发送出去的报文会进入 KUBE-SERVICES 进行处理

*nat
-A OUTPUT -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES

KUBE-SERVICES 每条规则对应了一个 service,它告诉继续进入到某个具体的 service chain 进行处理,比如这里的 KUBE-SVC-OQCLJJ5GLLNFY3XB

-A KUBE-SERVICES -d 10.10.10.28/32 -p tcp -m comment --comment "default/whoami: cluster IP" -m tcp --dport 3000 -j KUBE-SVC-OQCLJJ5GLLNFY3XB

更具体的 chain 中定义了怎么转发到对应 endpoint 的规则,比如我们的 rc 有三个 pods,这里也就会生成三个规则。这里利用了 iptables 随机和概率转发的功能

-A KUBE-SVC-OQCLJJ5GLLNFY3XB -m comment --comment "default/whoami:" -m statistic --mode random --probability 0.33332999982 -j KUBE-SEP-VN72UHNM6XOXLRPW
-A KUBE-SVC-OQCLJJ5GLLNFY3XB -m comment --comment "default/whoami:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-YXCSPWPTUFI5WI5Y
-A KUBE-SVC-OQCLJJ5GLLNFY3XB -m comment --comment "default/whoami:" -j KUBE-SEP-FN74S3YUBFMWHBLF

我们来看第一个 chain,这个 chain 有两个规则,第一个表示给报文打上 mark;第二个是进行 DNAT(修改报文的目的地址),转发到某个 pod 地址和端口。

-A KUBE-SEP-VN72UHNM6XOXLRPW -s 10.11.32.6/32 -m comment --comment "default/whoami:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-VN72UHNM6XOXLRPW -p tcp -m comment --comment "default/whoami:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.11.32.6:3000

因为地址是发送出去的,报文会根据路由规则进行处理,后续的报文就是通过 flannel 的网络路径发送出去的。

nodePort 类型的 service 原理也是类似的,在 KUBE-SERVICES chain 的最后,如果目标地址不是 VIP 则会通过 KUBE-NODEPORTS

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination         
    0     0 KUBE-NODEPORTS  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service nodeports; NOTE: this must be the last rule in this chain */ ADDRTYPE match dst-type LOCAL

KUBE-NODEPORTS chain 和 KUBE-SERVICES chain 其他规则一样,都是转发到更具体的 service chain,然后转发到某个 pod 上面。

-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/whoami:" -m tcp --dport 31647 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/whoami:" -m tcp --dport 31647 -j KUBE-SVC-OQCLJJ5GLLNFY3XB

不足之处

看起来 service 是个完美的方案,可以解决服务访问的所有问题,但是 service 这个方案(iptables 模式)也有自己的缺点。

首先,如果转发的 pod 不能正常提供服务,它不会自动尝试另一个 pod,当然这个可以通过 readiness probes 来解决。每个 pod 都有一个健康检查的机制,当有 pod 健康状况有问题时,kube-proxy 会删除对应的转发规则。

另外,nodePort 类型的服务也无法添加 TLS 或者更复杂的报文路由机制。

参考资料

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