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 service、dns、ingress 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=whoami 和 env=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：172.17.8.100、172.17.8.101 和 172.17.8.102：
[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
而 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。
