Kubernetes Service

文章目录

Kubernetes Service

1. 介绍

2. 定义

3. 没有 selector 的 Service

4. 应用service

5. 原理

5.1 kube-proxy 和 iptables

5.2 kube-proxy 和ipvs

5.3 service与DNS关系

6. VIP 和 Service 代理

6.1 userspace 代理模式

6.2 iptables 代理模式

7. 对外访问的service类型

7.1 NodePort 类型

7.2 LoadBalancer 类型

7.3 ExternalName类型

8. nodePort、port、targetPort、containerPort 区分

8.1 nodePort

8.2 port

8.3 targetPort

8.4 containerPort

9. 如何排查Service 相关的问题

10. 总结

1. 介绍

Kubernetes Service定义了这样一种抽象，Kubernetes 之所以需要 Service，一方面是因为 Pod 的 IP 不是固定的，另一方面则是因为一组 Pod 实例之间总会有负载均衡的需求。 Pod 能够被 Service 访问到，通常是通过 Label Selector实现的。

对 Kubernetes 集群中的应用，Kubernetes 提供了简单的 Endpoints API，只要 Service 中的一组 Pod 发生变更，应用程序就会被更新。对非 Kubernetes 集群中的应用，Kubernetes 提供了基于 VIP 的网桥的方式访问 Service，再由 Service 重定向到 backend Pod。

所谓 Service 的访问入口，其实就是每台宿主机上由 kube-proxy 生成的 iptables 规则，以及 kube-dns 生成的 DNS 记录。

2. 定义

一个 Service 在 Kubernetes 中是一个 REST 对象，和 Pod 类似。像所有的 REST 对象一样， Service 定义可以基于 POST 方式，请求 apiserver 创建新的实例。例如，假定有一组 Pod，它们对外暴露了 9376 端口，同时还被打上 "app=MyApp" 标签。

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

上述配置将创建一个名称为 “my-service” 的 Service 对象，这个 Service 的 80 端口，代理的是 Pod 的 9376 端口，并且具有标签 “app=MyApp” 的 Pod 上。这个 Service 将被指派一个 IP 地址（通常称为 “Cluster IP”），它会被服务的代理使用（见下面）。该 Service 的 selector 将会持续评估，处理结果将被 POST 到一个名称为 “my-service” 的 Endpoints 对象上。

Service 能够将一个接收端口映射到任意的 targetPort。默认情况下，targetPort 将被设置为与 port 字段相同的值。可能更有趣的是，targetPort 可以是一个字符串，引用了 backend Pod 的一个端口的名称。但是，实际指派给该端口名称的端口号，在每个 backend Pod 中可能并不相同。对于部署和设计 Service ，这种方式会提供更大的灵活性。例如，可以在 backend 软件下一个版本中，修改 Pod 暴露的端口，并不会中断客户端的调用。

Kubernetes Service 能够支持 TCP 和 UDP 协议，默认 TCP 协议。

很多 Service 需要暴露多个端口。对于这种情况，Kubernetes 支持在 Service 对象中定义多个端口。当使用多个端口时，必须给出所有的端口的名称，这样 Endpoint 就不会产生歧义，例如：

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

3. 没有 selector 的 Service

Servcie 抽象了该如何访问 Kubernetes Pod，但也能够抽象其它类型的 backend，例如：

希望在生产环境中使用外部的数据库集群，但测试环境使用自己的数据库。

希望服务指向另一个 Namespace 中或其它集群中的服务。

正在将工作负载转移到 Kubernetes 集群，和运行在 Kubernetes 集群之外的 backend。

在任何这些场景中，都能够定义没有 selector 的 Service ：

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: my-service  #名字匹配
spec:
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376

由于这个 Service 没有 selector，就不会创建相关的 Endpoints 对象。可以手动将 Service 映射到指定的 Endpoints：

kind: Endpoints
apiVersion: v1
metadata:
  name: my-service #名字匹配
subsets:
  - addresses:
      - ip: 1.2.3.4
    ports:
      - port: 9376

注意：Endpoint IP 地址不能是 loopback（127.0.0.0/8）、 link-local（169.254.0.0/16）、或者 link-local 多播（224.0.0.0/24）。

4. 应用service

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: hostnames
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: hostnames
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: hostnames
    spec:
      containers:
      - name: hostnames
        image: k8s.gcr.io/serve_hostname
        ports:
        - containerPort: 9376
          protocol: TCP

这个应用的作用，就是每次访问 9376 端口时，返回它自己的 hostname。而被 selector 选中的 Pod，就称为 Service 的 Endpoints，你可以使用 kubectl get ep 命令看到它们，如下所示：

$ kubectl get endpoints hostnames
NAME        ENDPOINTS
hostnames   10.244.0.5:9376,10.244.0.6:9376,10.244.0.7:9376

需要注意的是，只有处于 Running 状态，且 readinessProbe 检查通过的 Pod，才会出现在 Service 的 Endpoints 列表里。并且，当某一个 Pod 出现问题时，Kubernetes 会自动把它从 Service 里摘除掉。

而此时，通过该 Service 的 VIP 地址 10.0.1.175，你就可以访问到它所代理的 Pod 了：

$ kubectl get svc hostnames
NAME        TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
hostnames   ClusterIP   10.0.1.175   <none>        80/TCP    5s
$ curl 10.0.1.175:80
hostnames-0uton
$ curl 10.0.1.175:80
hostnames-yp2kp
$ curl 10.0.1.175:80
hostnames-bvc05

这个 VIP 地址是 Kubernetes 自动为 Service 分配的。而像上面这样，通过三次连续不断地访问 Service 的 VIP 地址和代理端口 80，它就为我们依次返回了三个 Pod 的 hostname。这也正印证了 Service 提供的是 Round Robin 方式的负载均衡。对于这种方式，我们称为：ClusterIP 模式的 Service。

5. 原理

Kubernetes 里的 Service 究竟是如何工作的呢？

实际上，Service 是由 kube-proxy 组件，加上 iptables 来共同实现的。

5.1 kube-proxy 和 iptables

举个例子，对于我们前面创建的名叫 hostnames 的 Service 来说，一旦它被提交给 Kubernetes，那么 kube-proxy 就可以通过 Service 的 Informer 感知到这样一个 Service 对象的添加。而作为对这个事件的响应，它就会在宿主机上创建这样一条 iptables 规则（你可以通过 iptables-save 看到它），如下所示：

-A KUBE-SERVICES -d 10.0.1.175/32 -p tcp -m comment --comment "default/hostnames: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3

可以看到，这条 iptables 规则的含义是：凡是目的地址是 10.0.1.175、目的端口是 80 的 IP 包，都应该跳转到另外一条名叫 KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 的 iptables 链进行处理。

而我们前面已经看到，10.0.1.175 正是这个 Service 的 VIP。所以这一条规则，就为这个 Service 设置了一个固定的入口地址。并且，由于 10.0.1.175 只是一条 iptables 规则上的配置，并没有真正的网络设备，所以你 ping 这个地址，是不会有任何响应的。

那么，我们即将跳转到的 KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 规则，又有什么作用呢？实际上，它是一组规则的集合，如下所示：

-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -m statistic --mode random --probability 0.33332999982 -j KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -j KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR

可以看到，这一组规则，实际上是一组随机模式（–mode random）的 iptables 链。

而随机转发的目的地，分别是 KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ、KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 和 KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR。

而这三条链指向的最终目的地，其实就是这个 Service 代理的三个 Pod。所以这一组规则，就是 Service 实现负载均衡的位置。需要注意的是，iptables 规则的匹配是从上到下逐条进行的，所以为了保证上述三条规则每条被选中的概率都相同，我们应该将它们的 probability 字段的值分别设置为 1/3（0.333…）、1/2 和 1。

这么设置的原理很简单：第一条规则被选中的概率就是 1/3；而如果第一条规则没有被选中，那么这时候就只剩下两条规则了，所以第二条规则的 probability 就必须设置为 1/2；类似地，最后一条就必须设置为 1。

你可以想一下，如果把这三条规则的 probability 字段的值都设置成 1/3，最终每条规则被选中的概率会变成多少。通过查看上述三条链的明细，我们就很容易理解 Service 进行转发的具体原理了，如下所示：

-A KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR -s 10.244.3.6/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.3.6:9376
-A KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ -s 10.244.1.7/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.7:9376
-A KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 -s 10.244.2.3/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.3:9376

可以看到，这三条链，其实是三条 DNAT 规则。但在 DNAT 规则之前，iptables 对流入的 IP 包还设置了一个“标志”（–set-xmark）。

而 DNAT 规则的作用，就是在 PREROUTING 检查点之前，也就是在路由之前，将流入 IP 包的目的地址和端口，改成–to-destination 所指定的新的目的地址和端口。可以看到，这个目的地址和端口，正是被代理 Pod 的 IP 地址和端口。

这样，访问 Service VIP 的 IP 包经过上述 iptables 处理之后，就已经变成了访问具体某一个后端 Pod 的 IP 包了。不难理解，这些 Endpoints 对应的 iptables 规则，正是 kube-proxy 通过监听 Pod 的变化事件，在宿主机上生成并维护的。

以上，就是 Service 最基本的工作原理。

5.2 kube-proxy 和ipvs

Kubernetes 的 kube-proxy 还支持一种叫作 IPVS 的模式。这又是怎么一回事儿呢？

其实，通过上面的讲解，你可以看到，kube-proxy 通过 iptables 处理 Service 的过程，其实需要在宿主机上设置相当多的 iptables 规则。而且，kube-proxy 还需要在控制循环里不断地刷新这些规则来确保它们始终是正确的。

难想到，当你的宿主机上有大量 Pod 的时候，成百上千条 iptables 规则不断地被刷新，会大量占用该宿主机的 CPU 资源，甚至会让宿主机“卡”在这个过程中。所以说，一直以来，基于 iptables 的 Service 实现，都是制约 Kubernetes 项目承载更多量级的 Pod 的主要障碍。

而 IPVS 模式的 Service，就是解决这个问题的一个行之有效的方法。

IPVS 模式的工作原理，其实跟 iptables 模式类似。当我们创建了前面的 Service 之后，kube-proxy 首先会在宿主机上创建一个虚拟网卡（叫作：kube-ipvs0），并为它分配 Service VIP 作为 IP 地址，如下所示：

# ip addr
  ...
  73：kube-ipvs0：<BROADCAST,NOARP>  mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 1000
  link/ether  1a:ce:f5:5f:c1:4d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  inet 10.0.1.175/32  scope global kube-ipvs0
  valid_lft forever  preferred_lft forever

而接下来，kube-proxy 就会通过 Linux 的 IPVS 模块，为这个 IP 地址设置三个 IPVS 虚拟主机，并设置这三个虚拟主机之间使用轮询模式 (rr) 来作为负载均衡策略。我们可以通过 ipvsadm 查看到这个设置，如下所示：

# ipvsadm -ln
 IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
  Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
    ->  RemoteAddress:Port           Forward  Weight ActiveConn InActConn     
  TCP  10.102.128.4:80 rr
    ->  10.244.3.6:9376    Masq    1       0          0         
    ->  10.244.1.7:9376    Masq    1       0          0
    ->  10.244.2.3:9376    Masq    1       0          0

可以看到，这三个 IPVS 虚拟主机的 IP 地址和端口，对应的正是三个被代理的 Pod。

这时候，任何发往 10.102.128.4:80 的请求，就都会被 IPVS 模块转发到某一个后端 Pod 上了。

而相比于 iptables，IPVS 在内核中的实现其实也是基于 Netfilter 的 NAT 模式，所以在转发这一层上，理论上 IPVS 并没有显著的性能提升。但是，IPVS 并不需要在宿主机上为每个 Pod 设置 iptables 规则，而是把对这些“规则”的处理放到了内核态，从而极大地降低了维护这些规则的代价。这也正印证了我在前面提到过的，“将重要操作放入内核态”是提高性能的重要手段。

不过需要注意的是，IPVS 模块只负责上述的负载均衡和代理功能。而一个完整的 Service 流程正常工作所需要的包过滤、SNAT 等操作，还是要靠 iptables 来实现。只不过，这些辅助性的 iptables 规则数量有限，也不会随着 Pod 数量的增加而增加。

所以，在大规模集群里，我非常建议你为 kube-proxy 设置–proxy-mode=ipvs 来开启这个功能。它为 Kubernetes 集群规模带来的提升，还是非常巨大的。

5.3 service与DNS关系

在 Kubernetes 中，Service 和 Pod 都会被分配对应的 DNS A 记录（从域名解析 IP 的记录）。对于 ClusterIP 模式的 Service 来说（比如我们上面的例子），它的 A 记录的格式是：..svc.cluster.local。当你访问这条 A 记录的时候，它解析到的就是该 Service 的 VIP 地址。

而对于指定了 clusterIP=None 的 Headless Service 来说，它的 A 记录的格式也是：..svc.cluster.local。但是，当你访问这条 A 记录的时候，它返回的是所有被代理的 Pod 的 IP 地址的集合。当然，如果你的客户端没办法解析这个集合的话，它可能会只会拿到第一个 Pod 的 IP 地址。

此外，对于 ClusterIP 模式的 Service 来说，它代理的 Pod 被自动分配的 A 记录的格式是：..pod.cluster.local。这条记录指向 Pod 的 IP 地址。

而对 Headless Service 来说，它代理的 Pod 被自动分配的 A 记录的格式是：...svc.cluster.local。这条记录也指向 Pod 的 IP 地址。

但如果你为 Pod 指定了 Headless Service，并且 Pod 本身声明了 hostname 和 subdomain 字段，那么这时候 Pod 的 A 记录就会变成：...svc.cluster.local，比如：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: default-subdomain
spec:
  selector:
    name: busybox
  clusterIP: None
  ports:
  - name: foo
    port: 1234
    targetPort: 1234
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox1
  labels:
    name: busybox
spec:
  hostname: busybox-1
  subdomain: default-subdomain
  containers:
  - image: busybox
    command:
      - sleep
      - "3600"
    name: busybox

在上面这个 Service 和 Pod 被创建之后，你就可以通过 busybox-1.default-subdomain.default.svc.cluster.local 解析到这个 Pod 的 IP 地址了。

需要注意的是，在 Kubernetes 里，/etc/hosts 文件是单独挂载的，这也是为什么 kubelet 能够对 hostname 进行修改并且 Pod 重建后依然有效的原因。这跟 Docker 的 Init 层是一个原理。

一个可选（尽管强烈推荐）集群插件是 DNS 服务器。 DNS 服务器监视着创建新 Service 的 Kubernetes API，从而为每一个 Service 创建一组 DNS 记录。如果整个集群的 DNS 一直被启用，那么所有的 Pod 应该能够自动对 Service 进行名称解析。

例如，有一个名称为 “my-service” 的 Service，它在 Kubernetes 集群中名为 “my-ns” 的 Namespace 中，为 “my-service.my-ns” 创建了一条 DNS 记录。在名称为 “my-ns” 的 Namespace 中的 Pod 应该能够简单地通过名称查询找到 “my-service”。在另一个 Namespace 中的 Pod 必须限定名称为 “my-service.my-ns”。这些名称查询的结果是 Cluster IP。

Kubernetes 也支持对端口名称的 DNS SRV（Service）记录。如果名称为 “my-service.my-ns” 的 Service 有一个名为 “http” 的 TCP 端口，可以对 “_http._tcp.my-service.my-ns” 执行 DNS SRV 查询，得到 “http” 的端口号。

Kubernetes DNS 服务器是唯一的一种能够访问 ExternalName 类型的 Service 的方式。更多信息可以查看DNS Pod 和 Service。

总结：

一种是通过..svc.cluster.local访问。对应于clusterIP

另一种是通过...svc.cluster.local访问,对应于headless service.

/ # nslookup *.default.svc.cluster.local
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: *.default.svc.cluster.local
Address 1: 10.244.1.7 busybox-3.default-subdomain.default.svc.cluster.local
Address 2: 10.96.0.1 kubernetes.default.svc.cluster.local
Address 3: 10.97.103.223 hostnames.default.svc.cluster.local

k8s 【网络组件】Service使用详解（1）

Kubernetes Service

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1. 介绍

2. 定义

3. 没有 selector 的 Service

4. 应用service

5. 原理

5.1 kube-proxy 和 iptables

5.2 kube-proxy 和ipvs

5.3 service与DNS关系

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