·2021-09-01 15:05

研发工程师·中国联通软件研究院

K8S Service实战与原理初探

字数 9533阅读 8965评论 4赞 6

# 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。

![](/home/attachment/202109/01/54_163048059498775.png)

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。

```yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  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。

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

```yaml
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

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

### ExternalName

### Headless

```yaml
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

```bash
 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
 
![](/home/attachment/202109/01/54_163048112620658.png)

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
 
![](/home/attachment/202109/01/54_163048116799405.png)

3.Ipvs 模式
 
![](/home/attachment/202109/01/54_163048121722658.png)

### Service Iptables实现原理

#### Iptables表和链及处理过程_

![](/home/attachment/202109/01/54_163048126371429.png)

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

```yaml
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
```
```bash
 -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
```bash
 # 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
```bash
 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

```yaml
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
```

```bash
 -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

## **参考文献**

iptables [https://en.wikipedia.org/wiki/Iptables](https://en.wikipedia.org/wiki/Iptables)

ipvs [https://en.wikipedia.org/wiki/IP_Virtual_Server](https://en.wikipedia.org/wiki/IP_Virtual_Server)

K8S Service [https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/services-networking/service/](https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/services-networking/service/)

容器云 Kubernetes Docker

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