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K8S中的Service的存在理由

前言

Kubernetes Pod是有生命周期的，它們可以被創(chuàng)建，也可以被銷毀，然而一旦被銷毀生命就永遠(yuǎn)結(jié)束。 通過ReplicationController能夠動態(tài)地創(chuàng)建和銷毀Pod(例如，需要進(jìn)行擴(kuò)縮容，或者執(zhí)行滾動升級)。 每個 Pod 都會獲取它自己的 IP 地址，可一旦銷毀后，重新創(chuàng)建后，IP地址會產(chǎn)生改變。 這會導(dǎo)致一個問題：在 Kubernetes 集群中，如果一組 Pod(稱為 backend)為其它 Pod (稱為 frontend)提供服務(wù)，一旦backend的Pod重新創(chuàng)建，那么frontend的Pod該如何發(fā)現(xiàn)，并連接到這組 Pod 中的哪些 backend 呢?

Service

Service資源用于為pod對象提供一個固定、統(tǒng)一的訪問接口及負(fù)載均衡的能力，并借助新一代DNS系統(tǒng)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能，解決客戶端發(fā)現(xiàn)并訪問容器化應(yīng)用的問題。

注意：service只是在k8s集群內(nèi)部起作用，集群外部訪問是無效的

實(shí)現(xiàn)原理

Service通過關(guān)注定義出多個POD對象組合而成的邏輯集合，以及訪問這組POD的策略，Service關(guān)聯(lián)POD需要標(biāo)簽選擇器完成，其基于標(biāo)簽選擇器將一組POD定義成一個邏輯集合，并通過自己的IP地址和端口調(diào)度代理請求至后端POD之上。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. apiVersion: v1 
    2. 
  
  
  
  
  2. kind: Service 
    3. 
  
  
  
  
  3. metadata: 
    4. 
  
  
  
  
  4.   name: a-service 
    5. 
  
  
  
  
  5. spec: 
    6. 
  
  
  
  
  6.   selector: 
    7. 
  
  
  
  
  7.     app: pod-label 
    8. 
  
  
  
  
  8.   ports: 
    9. 
  
  
  
  
  9.   - protocol: TCP 
    10. 
  
  
  
  
  10.     port: 80 
    11. 
  
  
  
  
  11.     targetPort: 9376 
    12.

上面的例子服務(wù)a-service關(guān)聯(lián)著label為【app:pod-label】的pod，這時候另一個服務(wù)B可以訪問跟a-service服務(wù)綁定的service，service信息是固定的提前告訴B就行了，service通過Label Selector跟a服務(wù)的pod綁定,無論a的pod如何變化對b來說都是透明的。

虛擬IP

service對象的IP地址稱為cluster IP，位于K8S集群配置指定的專用IP地址范圍內(nèi)，其是一種虛擬IP地址，其在service對象創(chuàng)建后保持不變，并且能夠被同一集群中的POD資源訪問，service端口接受客戶端的請求并將其轉(zhuǎn)發(fā)至后端POD中的相應(yīng)端口，因此，其又被稱為四層代理，因其工作在TCP/IP層。

一個service對象就是工作節(jié)點(diǎn)上的一些iptables或ipvs，用于將到達(dá)service對象的IP地址的流量轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的endpoint對象指定的IP地址和端口上，kube-proxy組件通過api-server持續(xù)監(jiān)控著各個service及其相關(guān)的POD對象，并將其創(chuàng)建或變動實(shí)時反映到工作節(jié)點(diǎn)的iptable或ipvs上

服務(wù)代理

k8s群集中的每個節(jié)點(diǎn)都運(yùn)行一個kube-proxy的組件，kube-proxy其實(shí)是一個代理層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)service

userspace模式

客戶端訪問ServiceIP(clusterIP)請求會先從用戶空間到內(nèi)核中的iptables，然后回到用戶空間kube-proxy，kube-proxy負(fù)責(zé)代理工作。

具體細(xì)節(jié)：

請求到達(dá)service后，其被轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)核，經(jīng)由套接字送往用戶空間的kube-proxy，而后經(jīng)由kube-proxy送回內(nèi)核空間，并調(diào)度至后端POD，其傳輸方式效率太低。在1.1 版本之前，其是默認(rèn)的轉(zhuǎn)發(fā)策略。

iptables模式

客戶端訪問ServiceIP(clusterIP)請求會由iptables直接重定向到后端

具體細(xì)節(jié)：

客戶端IP請求時，直接請求本地內(nèi)核service ip，根據(jù)iptables的規(guī)則直接將請求轉(zhuǎn)發(fā)到到各pod上，因?yàn)槭褂胕ptable NAT來完成轉(zhuǎn)發(fā)，也存在不可忽視的性能損耗。另外，如果集群中存在上萬的Service/Endpoint，那么Node上的iptables rules將會非常龐大，性能還會再打折扣

Kubernetes v1.2之前默認(rèn)是userspace之后是iptables模式，iptables模式性能和可靠性更好，但是iptables模式依賴健康檢查，在沒有健康檢查的情況下如果一個pod不響應(yīng)，iptables模式不會切換另一個pod上

ipvs模型

此模型跟蹤API service上的service和endpoints對象的變動，據(jù)此來調(diào)用netlink接口創(chuàng)建IPVS規(guī)則，并確保API server中的變動保持同步，其流量調(diào)度策略在IPVS中實(shí)現(xiàn)，其余的在iptables中實(shí)現(xiàn)。

ipvs 支持眾多調(diào)度算法，如rr、lc、dh、sh、sed和nq 等。

集群外部訪問

我們?nèi)绾卧诩和庠L問service呢?k8s提供了幾種方式

NodePort

通過每個 Node 上的 IP 和靜態(tài)端口(NodePort)暴露服務(wù)。NodePort 服務(wù)會路由到 ClusterIP 服務(wù)，這個 ClusterIP 服務(wù)會自動創(chuàng)建。通過請求 NodeIP:Port，可以從集群的外部訪問一個 NodePort 服務(wù)。

這時要訪問這個Service的話，只需要通過訪問

<任何一臺宿主機(jī)器的IP>:Port

LoadBalancer

在NodePort基礎(chǔ)上，Kubernetes可以請求底層云平臺cloud provider 創(chuàng)建一個外部的負(fù)載均衡器，并將請求轉(zhuǎn)發(fā)到每個Node作為后端，進(jìn)行服務(wù)分發(fā)。

該模式需要底層云平臺(例如GCE、AWS)支持。

ExternalName

創(chuàng)建一個dns別名指到service name上，主要是防止service name發(fā)生變化，要配合dns插件使用。通過返回 CNAME 和它的值，可以將服務(wù)映射到 externalName 字段的內(nèi)容。

這只有 Kubernetes 1.7 或更高版本的 kube-dns 才支持

Ingress

上面我們提到幾種方式，但是當(dāng)集群服務(wù)很多的時候，NodePort方式最大的缺點(diǎn)是會占用很多集群機(jī)器的端口;LB方式最大的缺點(diǎn)則是每個service一個LB又有點(diǎn)浪費(fèi)和麻煩，并且需要k8s之外的支持; 而ingress則只需要一個NodePort或者一個LB就可以滿足所有service對外服務(wù)的需求。工作機(jī)制大致可以用下圖表示：

Ingress是基于service實(shí)現(xiàn)7層路由轉(zhuǎn)發(fā)能力的


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