Service

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 Ingress Controller 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 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。如果 kube-proxy 设置了 --nodeport-addresses=10.240.0.0/16(v1.10 支持),那么仅该 NodePort 仅对设置在范围内的 IP 有效。

  • 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

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
run: nginx
name: nginx
namespace: default
spec:
ports:
- port: 80
protocol: TCP
targetPort: 80
selector:
run: nginx
sessionAffinity: None
type: ClusterIP
# service 自动分配了 Cluster IP 10.0.0.108
$ kubectl get service nginx
NAME CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
nginx 10.0.0.108 <none> 80/TCP 18m
# 自动创建的 endpoint
$ kubectl get endpoints nginx
NAME ENDPOINTS AGE
nginx 172.17.0.5:80 18m
# Service 自动关联 endpoint
$ kubectl describe service nginx
Name: nginx
Namespace: default
Labels: run=nginx
Annotations: <none>
Selector: run=nginx
Type: ClusterIP
IP: 10.0.0.108
Port: <unset> 80/TCP
Endpoints: 172.17.0.5:80
Session Affinity: None
Events: <none>

当服务需要多个端口时,每个端口都必须设置一个名字

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
name: my-service
spec:
selector:
app: MyApp
ports:
- name: http
protocol: TCP
port: 80
targetPort: 9376
- name: https
protocol: TCP
port: 443
targetPort: 9377

协议

Service、Endpoints 和 Pod 支持三种类型的协议:

  • TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

  • UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议)是一种无连接的传输层协议,用于不可靠信息传送服务。

  • SCTP(Stream Control Transmission Protocol,流控制传输协议),用于通过IP网传输SCN(Signaling Communication Network,信令通信网)窄带信令消息。

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

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
name: my-service
spec:
ports:
- protocol: TCP
port: 80
targetPort: 9376
---
kind: Endpoints
apiVersion: v1
metadata:
name: my-service
subsets:
- addresses:
- ip: 1.2.3.4
ports:
- 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。

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
name: my-service
namespace: default
spec:
type: ExternalName
externalName: my.database.example.com

注意:Endpoints 的 IP 地址不能是 127.0.0.0/8、169.254.0.0/16 和 224.0.0.0/24,也不能是 Kubernetes 中其他服务的 clusterIP。

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

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
app: nginx
name: nginx
spec:
clusterIP: None
ports:
- name: tcp-80-80-3b6tl
port: 80
protocol: TCP
targetPort: 80
selector:
app: nginx
sessionAffinity: None
type: ClusterIP
---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
labels:
app: nginx
name: nginx
namespace: default
spec:
replicas: 2
revisionHistoryLimit: 5
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- image: nginx:latest
imagePullPolicy: Always
name: nginx
resources:
limits:
memory: 128Mi
requests:
cpu: 200m
memory: 128Mi
dnsPolicy: ClusterFirst
restartPolicy: Always
# 查询创建的 nginx 服务
$ kubectl get service --all-namespaces=true
NAMESPACE NAME CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
default nginx None <none> 80/TCP 5m
kube-system kube-dns 172.26.255.70 <none> 53/UDP,53/TCP 1d
$ kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE
nginx-2204978904-6o5dg 1/1 Running 0 14s 172.26.2.5 10.0.0.2
nginx-2204978904-qyilx 1/1 Running 0 14s 172.26.1.5 10.0.0.8
$ dig @172.26.255.70 nginx.default.svc.cluster.local
;; ANSWER SECTION:
nginx.default.svc.cluster.local. 30 IN A 172.26.1.5
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

Ingress

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:

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

可以这样来定义 Ingress:

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
name: test
spec:
rules:
- host: foo.bar.com
http:
paths:
- backend:
serviceName: s1
servicePort: 80
- host: bar.foo.com
http:
paths:
- backend:
serviceName: s2
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 Controller

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。

集群外部访问服务

Service 的 ClusterIP 是 Kubernetes 内部的虚拟 IP 地址,无法直接从外部直接访问。但如果需要从外部访问这些服务该怎么办呢,有多种方法

  • 使用 NodePort 服务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。

  • 使用 LoadBalancer 服务借助 Cloud Provider 创建一个外部的负载均衡器,并将请求转发到 <NodeIP>:NodePort。该方法仅适用于运行在云平台之中的 Kubernetes 集群。对于物理机部署的集群,可以使用 MetalLB 实现类似的功能。

  • 使用 Ingress Controller 在 Service 之上创建 L7 负载均衡并对外开放。

  • 使用 ECMP 将 Service ClusterIP 网段路由到每个 Node,这样可以直接通过 ClusterIP 来访问服务,甚至也可以直接在集群外部使用 kube-dns。这一版用在物理机部署的情况下。

参考资料