kube-proxy

每台机器上都运行一个 kube-proxy 服务，它监听 API server 中 service 和 endpoint 的变化情况，并通过 iptables 等来为服务配置负载均衡（仅支持 TCP 和 UDP）。

注意: 从 Kubernetes 1.33 开始，Endpoints API 已被弃用，kube-proxy 将逐步迁移到使用 EndpointSlices API 来获取更好的性能和功能支持。

kube-proxy 可以直接运行在物理机上，也可以以 static pod 或者 daemonset 的方式运行。

kube-proxy 当前支持以下几种实现

userspace：最早的负载均衡方案，它在用户空间监听一个端口，所有服务通过 iptables 转发到这个端口，然后在其内部负载均衡到实际的 Pod。该方式最主要的问题是效率低，有明显的性能瓶颈。
iptables：传统的负载均衡方案，完全以 iptables 规则的方式来实现 service 负载均衡。该方式最主要的问题是在服务多的时候产生太多的 iptables 规则，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：为解决 iptables 模式的性能问题，v1.11 新增了 ipvs 模式（v1.8 开始支持测试版，并在 v1.11 GA），采用增量式更新，并可以保证 service 更新期间连接保持不断开
nftables：新推出的高性能模式（v1.29 开始支持 alpha 版，目前处于 beta 状态，预计 v1.33 GA），通过使用 "verdict map" 实现更高效的数据包路由，将包处理延迟从 O(n) 降低到大致 O(1)，显著减少了首包延迟，特别是在大规模集群中。需要 Linux 内核 5.13 或更新版本
winuserspace：同 userspace，但仅工作在 windows 节点上

注意：

使用 ipvs 模式时，需要预先在每台 Node 上加载内核模块 nf_conntrack_ipv4, ip_vs, ip_vs_rr, ip_vs_wrr, ip_vs_sh 等。
使用 nftables 模式时，需要 Linux 内核 5.13 或更新版本，可能与某些现有网络组件不完全兼容，目前还不是默认模式。

# load module <module_name>
modprobe -- ip_vs
modprobe -- ip_vs_rr
modprobe -- ip_vs_wrr
modprobe -- ip_vs_sh
modprobe -- nf_conntrack_ipv4

# to check loaded modules, use
lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4
# or
cut -f1 -d " "  /proc/modules | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4

Iptables 示例

Kube-proxy iptables 示意图

(图片来自)

Kube-proxy NAT 示意图

（图片来自）

Iptables 示例

# Masquerade
-A KUBE-MARK-DROP -j MARK --set-xmark 0x8000/0x8000
-A KUBE-MARK-MASQ -j MARK --set-xmark 0x4000/0x4000
-A KUBE-POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes service traffic requiring SNAT" -m mark --mark 0x4000/0x4000 -j MASQUERADE

# clusterIP and publicIP
-A KUBE-SERVICES ! -s 10.244.0.0/16 -d 10.98.154.163/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SERVICES -d 10.98.154.163/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
-A KUBE-SERVICES -d 12.12.12.12/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA

# Masq for publicIP
-A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
-A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-MARK-DROP

# Masq for nodePort
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp --dport 30938 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp --dport 30938 -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA

# load balance for each endpoints
-A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -m statistic --mode random --probability 0.33332999982 -j KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H
-A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR
-A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR

# endpoint #1
-A KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR -s 10.244.3.4/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.3.4:80

# endpoint #2
-A KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR -s 10.244.2.4/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.4:80

# endpoint #3
-A KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H -s 10.244.1.2/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.2:80

如果服务设置了 externalTrafficPolicy: Local 并且当前 Node 上面没有任何属于该服务的 Pod，那么在 KUBE-XLB-4N57TFCL4MD7ZTDA 中会直接丢掉从公网 IP 请求的包：

-A KUBE-XLB-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: has no local endpoints" -j KUBE-MARK-DROP

ipvs 示例

列出了各种服务在 IPVS 模式下的工作原理。

$ ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.0.0.1:443 rr persistent 10800
  -> 192.168.0.1:6443             Masq    1      1          0
TCP  10.0.0.10:53 rr
  -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0
UDP  10.0.0.10:53 rr
  -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0

注意，IPVS 模式也会使用 iptables 来执行 SNAT 和 IP 伪装（MASQUERADE），并使用 ipset 来简化 iptables 规则的管理：

ipset 名

成员

用途

KUBE-CLUSTER-IP

All service IP + port

Mark-Masq for cases that masquerade-all=true or clusterCIDR specified

KUBE-LOOP-BACK

All service IP + port + IP

masquerade for solving hairpin purpose

KUBE-EXTERNAL-IP

service external IP + port

masquerade for packages to external IPs

KUBE-LOAD-BALANCER

load balancer ingress IP + port

masquerade for packages to load balancer type service

KUBE-LOAD-BALANCER-LOCAL

LB ingress IP + port with externalTrafficPolicy=local

accept packages to load balancer with externalTrafficPolicy=local

KUBE-LOAD-BALANCER-FW

load balancer ingress IP + port with loadBalancerSourceRanges

package filter for load balancer with loadBalancerSourceRanges specified

KUBE-LOAD-BALANCER-SOURCE-CIDR

load balancer ingress IP + port + source CIDR

package filter for load balancer with loadBalancerSourceRanges specified

KUBE-NODE-PORT-TCP

nodeport type service TCP port

masquerade for packets to nodePort(TCP)

KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP

nodeport type service TCP port with externalTrafficPolicy=local

accept packages to nodeport service with externalTrafficPolicy=local

KUBE-NODE-PORT-UDP

nodeport type service UDP port

masquerade for packets to nodePort(UDP)

KUBE-NODE-PORT-LOCAL-UDP

nodeport type service UDP port withexternalTrafficPolicy=local

accept packages to nodeport service withexternalTrafficPolicy=local

启动 kube-proxy 示例

# iptables 模式（传统模式）
kube-proxy --kubeconfig=/var/lib/kubelet/kubeconfig --cluster-cidr=10.240.0.0/12 --proxy-mode=iptables

# ipvs 模式（高性能模式）
kube-proxy --kubeconfig=/var/lib/kubelet/kubeconfig --cluster-cidr=10.240.0.0/12 --proxy-mode=ipvs

# nftables 模式（最新高性能模式，需要内核 5.13+）
kube-proxy --kubeconfig=/var/lib/kubelet/kubeconfig --cluster-cidr=10.240.0.0/12 --proxy-mode=nftables

kube-proxy 工作原理

kube-proxy 监听 API server 中 service 和 endpoint（以及 EndpointSlices）的变化情况，并通过 userspace、iptables、ipvs、nftables 或 winuserspace 等 proxier 来为服务配置负载均衡（仅支持 TCP 和 UDP）。现代版本的 kube-proxy 优先使用 EndpointSlices API 而不是传统的 Endpoints API，以获得更好的性能和扩展性。

kube-proxy 不足

kube-proxy 目前仅支持 TCP 和 UDP，不支持 HTTP 路由，并且也没有健康检查机制。这些可以通过自定义的方法来解决。

nftables 模式详细说明

nftables 模式是 kube-proxy 的最新代理模式，旨在解决 iptables 模式在大规模集群中的性能问题：

性能优势

数据平面延迟优化：使用 "verdict map" 进行更高效的数据包路由，将包处理时间从 O(n) 降低到大致 O(1)
控制平面延迟优化：相比 iptables 模式提供更增量式的更新，更新大小仅与变更的 Services 和 endpoints 成比例
显著减少首包延迟：特别是在大规模集群中表现突出
消除全局锁竞争问题：避免了 iptables 模式的全局锁竞争

使用要求和限制

需要 Linux 内核 5.13 或更新版本
与 iptables 模式不是 100% 兼容
可能与某些现有网络组件不兼容
目前还不是默认模式

启用方法

可以通过以下方式启用 nftables 模式：

# 直接启动 kube-proxy
kube-proxy --proxy-mode nftables

# 使用 kubeadm 集群
kubeadm init --config kubeadm-config.yaml  # 需要在配置中指定 proxy-mode

# 将现有集群从 iptables/ipvs 模式转换为 nftables 模式
kubectl patch configmap kube-proxy -n kube-system --patch '{"data":{"config.conf":"mode: nftables"}}'

发展前景

预计在 Kubernetes v1.33 版本中达到 GA 状态
未来可能最终替代 IPVS 模式
iptables 模式将继续得到支持

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最后更新于8天前