作者actor168

·2021-09-01 15:05

研发工程师·中国联通软件研究院

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K8S Service实战与原理初探

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Service

本文作者：陈成，供职于中国联通软件研究院
本文主要讲述了 K8S Service 的基本概念，使用方式及实现原理。
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。

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

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

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: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
---
apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: my-service
subsets:
  - addresses:
      - ip: 192.0.2.42
    ports:
      - port: 9376

Service的类型

CluserIP

 kubectl expose pod nginx --type=CluserIP --port=80 --name=ng-svc

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: ng-svc
  namespace: default
spec:
  selector:
      name: nginx
  clusterIP: 11.254.0.2
  ports:
  - name: http
    port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 1234
  sessionAffinity: None
  type: ClusterIP

### LoadBalance

apiVersion: v1

kind: Service

metadata:

  name: my-service

spec:

  selector:

    app: MyApp

  ports:

  - protocol: TCP

    port: 80

    targetPort: 9376

  clusterIP: 10.0.171.239

  type: LoadBalancer

status:

  loadBalancer:

    ingress:

    - ip: 192.0.2.127

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: MyApp
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 9376
  clusterIP: 10.0.171.239
  type: LoadBalancer
status:
  loadBalancer:
    ingress:
    - ip: 192.0.2.127

NodePort

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: my-service
spec:
type: NodePort
selector:
  app: MyApp
ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 30007

ExternalName

Headless

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    run: curl
  name: my-headless-service
  namespace: default
spec:
  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-service

 PING my-headless-service (172.200.6.207): 56 data bytes
 64 bytes from 172.200.6.207: seq=0 ttl=64 time=0.040 ms
 64 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

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

3.Ipvs 模式

Service Iptables实现原理

Iptables表和链及处理过程_

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- 76 GERFBRR2RGHNBJ

 -A KUBE-SVC- 76 GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB

 -A KUBE-SVC- 76 GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-PVCYYXEU44D3IMGK

 -A KUBE-SVC- 76 GERFBRR2RGHNBJ -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: v1
kind: Service
metadata:
labels:
  app: ccs-gateway
spec:
clusterIP: 10.101.156.39
externalTrafficPolicy: Cluster
ports:
- name: http
  nodePort: 30081
  port: 30080
  protocol: TCP
  targetPort: 80
selector:
  app: ccs-gateway
sessionAffinity: None
type: 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 30081

 tcp 0  0  0 . 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
直接通过 iptable 规则转发到对应的外部 ep 地址

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: external
  name: external
  namespace: default
spec:
  ports:
  - name: http
    protocol: TCP
    port: 80
  sessionAffinity: None
  type: ClusterIP
---
apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  labels:
    app: external
  name: external
  namespace: default
subsets:
- addresses:
  - ip: 10.124.142.43
  ports:
  - name: http
    port: 80
protocol: 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

ClusterIP 类型， KubeProxy 监听 Service 和 Endpoint 创建规则，采用 DNAT 将目标地址转换为 Pod 的 ip 和端口，当有多个 ep 时，按照策略进行转发，默认 RR 模式时， iptables 采用：比如有 4 个实例，四条规则的概率分别为 0.25, 0.33, 0.5 和 1 ，按照顺序，一次匹配完成整个流量的分配。

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