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K8S Service 实战与原理初探 | 运维进阶

【导读】本文主要讲述了K8S Service的基本概念，使用方式及实现原理。

【作者】陈成，中国联通软件研究院容器云研发工程师，公共平台与架构研发事业部云计算研发组长，长期从事大规模基础平台建设相关工作，先后从事Mesos、KVM、K8S等研究，专注于容器云计算框架、集群调度、虚拟化等。


故事的开始，让我们先从一件生产故障说起。5月29日，内部某系统出现大规模访问Service故障，发现Pod容器内无法正常访问ServiceIP:Port，整个故障持续时间超过12h，相关运维支撑人员没有找到根本原因和解决办法。

经过复盘，我们发现，大家对于K8S Service的原理不够清晰，导致对问题的定位不能做得到快速准确，如果当时能够按照如下的思路去思考问题，排查过程不至于花费如此久的时间。

K8S Service 实战与原理初探 | 运维进阶

下面，我们就来细说一下Service在Kubernetes中的作用、使用方法及原理。

Service是一种暴露一组Pod网络的抽象方式，K8S Service提供了针对于一组Pod的负载均衡的暴露。通过这样的方式，可以避免不同的pod之间访问时需要知晓对应pod网络信息的痛苦。例如：前端->后端，由于前端POD IP随时变动，后端亦如此，如何处理前端POD和后端POD的通信，就需要Service这一抽象，来保证简单可靠。


Service的使用

1、典型服务配置方法

当配置了selector之后，Service Controller会自动查找匹配这个selector的pod，并且创建出一个同名的endpoint对象，负责具体service之后连接。

apiVersion: v1kind: Servicemetadata: name: my-servicespec: selector: app: MyApp ports: - protocol: TCP port: 80 targetPort: 9376

2、配置没有selector的服务

没有selector的service不会出现Endpoint的信息，需要手工创建Endpoint绑定，Endpoint可以是内部的pod，也可以是外部的服务。

apiVersion: v1kind: Servicemetadata: name: my-servicespec: ports: - protocol: TCP port: 80 targetPort: 9376---apiVersion: v1kind: Endpointsmetadata: name: my-servicesubsets: - addresses: - ip: 192.0.2.42 ports: - port: 9376

Service的类型

1.CluserIP

kubectl expose pod nginx --type=CluserIP --port=80 --name=ng-svc apiVersion: v1kind: Servicemetadata: name: ng-svc namespace: defaultspec: selector: name: nginx clusterIP: 11.254.0.2 ports: - name: http port: 80 protocol: TCP targetPort: 1234 sessionAffinity: None type: ClusterIP

2.LoadBalance

apiVersion: v1kind: Servicemetadata: name: my-servicespec: selector: app: MyApp ports: - protocol: TCP port: 80 targetPort: 9376 clusterIP: 10.0.171.239 type: LoadBalancerstatus: loadBalancer: ingress: - ip: 192.0.2.127
3.NodePort 
apiVersion: v1kind: Servicemetadata:name: my-servicespec:type: NodePortselector: app: MyAppports: - port: 80 targetPort: 80 nodePort: 30007
4.ExternalName
5.Headless 
apiVersion: v1kind: Servicemetadata: labels: run: curl name: my-headless-service namespace: defaultspec: clusterIP: None ports: - port: 80 protocol: TCP targetPort: 80 selector: run: curl type: ClusterIP
对定义了选择算符的无头服务，Endpoint 控制器在 API 中创建了 Endpoints 记录， 并且修改 DNS 配置返回 A 记录（IP 地址），通过这个地址直接到达 Service 的后端 Pod 上。 
# ping my-headless-servicePING my-headless-service (172.200.6.207): 56 data bytes64 bytes from 172.200.6.207: seq=0 ttl=64 time=0.040 ms64 bytes from 172.200.6.207: seq=1 ttl=64 time=0.063 ms

对没有定义选择算符的无头服务，Endpoint 控制器不会创建 Endpoints 记录。然而 DNS 系统会查找和配置，无论是：

  • 对于 ExternalName 类型的服务，查找其 CNAME 记录

  • 对所有其他类型的服务，查找与 Service 名称相同的任何 Endpoints 的记录


Service的实现方式

1.用户态代理访问

K8S Service 实战与原理初探 | 运维进阶

即：当对于每个Service，Kube-Proxy会在本地Node上打开一个随机选择的端口，连接到代理端口的请求，都会被代理转发给Pod。那么通过Iptables规则，捕获到达Service:Port的请求都会被转发到代理端口，代理端口重新转为对Pod的访问

这种方式的缺点是存在内核态转为用户态，再有用户态转发的两次转换，性能较差，一般不再使用

2.Iptables模式

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3.Ipvs模式

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Service Iptables实现原理

Iptables表和链及处理过程

K8S Service 实战与原理初探 | 运维进阶

Service的Traffic流量将会通过prerouting和output重定向到kube-service链

-A PREROUTING -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES-A POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes postrouting rules" -j KUBE-POSTROUTING-A OUTPUT -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES

  • KUBE-SERVICES->KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX->KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX represents a ClusterIP service

  • KUBE-NODEPORTS->KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX->KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX represents a NodePort service

几种不同类型的Service在Kube-Proxy启用Iptables模式下上的表现

  • ClusterIP

-A KUBE-SERVICES ! -s 172.200.0.0/16 -d 10.100.160.92/32 -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http cluster IP" -m tcp --dport 30080 -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SERVICES -d 10.100.160.92/32 -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http cluster IP" -m tcp --dport 30080 -j KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ 

-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-PVCYYXEU44D3IMGK-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -j KUBE-SEP-JECGZLHE32MEARRX-A KUBE-SVC-CEZPIJSAUFW5MYPQ -m comment --comment "kubernetes-dashboard/kubernetes-dashboard" -j KUBE-SEP-QO6MV4HR5U56RP7M  

-A KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB -s 172.200.6.224/32 -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.200.6.224:80...

  • NodePort

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:labels: app: ccs-gatewayspec:clusterIP: 10.101.156.39externalTrafficPolicy: Clusterports:- name: http nodePort: 30081 port: 30080 protocol: TCP targetPort: 80selector: app: ccs-gatewaysessionAffinity: Nonetype: NodePort

-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp --dport 30081 -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp --dport 30081 -j KUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K############################-A KUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL-A KUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -j KUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q##########################-A KUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL -s 172.200.6.224/32 -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.200.6.224:80#########################-A KUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q -s 172.200.6.225/32 -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.200.6.225:80

同时，可以看到Service所申请的端口38081被Kube-proxy所代理和监听

# netstat -ntlp | grep 30081tcp 0 00.0.0.0:30081 0.0.0.0:* LISTEN 3665705/kube-proxy

  • LoadBalancer

不带有Endpoint的Service

kubectl create svc clusterip fake-endpoint --tcp=80 -A KUBE-SERVICES -d 10.101.117.0/32 -p tcp -m comment --comment "default/fake-endpoint:80 has no endpoints" -m tcp --dport 80 -j REJECT --reject-with icmp-port-unreachable

带有外部endpoint的Service

apiVersion: v1kind: Servicemetadata: labels: app: external name: external namespace: defaultspec: ports: - name: http protocol: TCP port: 80 sessionAffinity: None type: ClusterIP---apiVersion: v1kind: Endpointsmetadata: labels: app: external name: external namespace: defaultsubsets:- addresses: - ip: 10.124.142.43 ports: - name: http port: 80protocol: TCP

-A KUBE-SERVICES ! -s 172.200.0.0/16 -d 10.111.246.87/32 -p tcp -m comment --comment "default/external:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SERVICES -d 10.111.246.87/32 -p tcp -m comment --comment "default/external:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-LI2K5327B6J24KJ3 

-A KUBE-SEP-QTGIPNOYXN2CZGD5 -s 10.124.142.43/32 -m comment --comment "default/external:http" -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SEP-QTGIPNOYXN2CZGD5 -p tcp -m comment --comment "default/external:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.124.142.43:80


总结

  • NodePort类型，将会在上述ClusterIP模式之后，再加上Kube-Proxy的监听（为了确保其他服务不会占用该端口）和KUBE-NODEPORT的iptable规则

参考文献

1、iptables https://en.wikipedia.org/wiki/Iptables

2、ipvs https://en.wikipedia.org/wiki/IP_Virtual_Server

3、K8S Service https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/services-networking/service/

原题：K8S Service实战与原理初探
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