【解构云原生】初识Kubernetes Service
编者按：云原生是网易杭州研究院（网易杭研）奉行的核心技术方向之一，开源容器平台Kubernetes作为云原生产业技术标准、云原生生态基石，在设计上不可避免有其复杂性，Kubernetes系列文章基于网易杭研资深工程师总结，多角度多层次介绍Kubernetes的原理及运用，如何解决生产中的实际需求及规避风险，希望与读者深入交流共同进步。
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作者：李岚清，网易杭州研究院云计算技术中心资深工程师
为什么引入service
众所周知，pod的生命周期是不稳定的，可能会朝生夕死，这也就意味着pod的ip是不固定的。
比如我们使用三副本的deployment部署了nginx服务，每个pod都会被分配一个ip，由于pod的生命周期不稳定，pod可能会被删除重建，而重建的话pod的ip地址就会改变。也有一种场景，我们可能会对nginx deployment进行扩缩容，从3副本扩容为5副本或者缩容为2副本。当我们需要访问上述的nginx服务时，客户端对于nginx服务的ip地址就很难配置和管理。
因此，kubernetes社区就抽象出了service这个资源对象或者说逻辑概念。
什么是service
service是kubernetes中最核心的资源对象之一，kubernetes中的每个service其实就是我们经常提到的“微服务”。
service定义了一个服务的入口地址，它通过label selector 关联后端的pod。service会被自动分配一个ClusterIP，service的生命周期是稳定的，它的ClusterIP也不会发生改变，用户通过访问service的ClusterIP来访问后端的pod。所以，不管后端pod如何扩缩容、如何删除重建，客户端都不需要关心。
（1）创建一个三副本的nginx deployment：
nginx.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1 kind: Deployment metadata: name: nginx spec: replicas: 3 selector: matchLabels: app: nginx template: metadata: labels: app: nginx spec: containers: - image: nginx imagePullPolicy: Always name: nginx # kubectl create -f nginx.yaml deployment.extensions/nginx created # kubectl get pods -o wide nginx-5c7588df-5dmmp 1/1 Running 0 57s 10.120.49.230 pubt2-k8s-for-iaas4.dg.163.org <none> <none> nginx-5c7588df-gb2d8 1/1 Running 0 57s 10.120.49.152 pubt2-k8s-for-iaas4.dg.163.org <none> <none> nginx-5c7588df-gdngk 1/1 Running 0 57s 10.120.49.23 pubt2-k8s-for-iaas4.dg.163.org <none> <none>
（2）创建service，通过label selector关联nginx pod：
svc.yaml
apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: nginx spec: type: ClusterIP selector: app: nginx ports: - port: 80 protocol: TCP targetPort: 80 # kubectl create -f svc.yaml service/nginx created # kubectl get svc nginx -o wide NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE SELECTOR nginx ClusterIP 10.178.4.2 <none> 80/TCP 23s app=nginx
（3）在k8s节点上访问service地址
# curl 10.178.4.2:80 <!DOCTYPE html> <html> <head> <title>Welcome to nginx!</title> <style> body { width: 35em; margin: 0 auto; font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif; } </style> </head> <body> <h1>Welcome to nginx!</h1> <p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and working. Further configuration is required.</p> <p>For online documentation and support please refer to <a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/> Commercial support is available at <a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p> <p><em>Thank you for using nginx.</em></p> </body> </html>
实现原理
service中有几个关键字段：
-
spec.selector: 通过该字段关联属于该service的pod -
spec.clusterIP: k8s自动分配的虚拟ip地址 -
spec.ports: 定义了监听端口和目的端口。用户可以通过访问clusterip:监听端口来访问后端的pod
当用户创建一个service时，kube-controller-manager会自动创建一个跟service同名的endpoints资源：
# kubectl get endpoints nginx
NAME ENDPOINTS AGE
nginx 10.120.49.152:80,10.120.49.23:80,10.120.49.230:80 12m
endpoints资源中，保存了该service关联的pod列表，这个列表是kube-controller-manager自动维护的，当发生pod的增删时，这个列表会被自动刷新。
比如，我们删除了其中的一个pod：
# kubectl delete pods nginx-5c7588df-5dmmp pod "nginx-5c7588df-5dmmp" deleted # kubectl get pods nginx-5c7588df-ctcml 1/1 Running 0 6s nginx-5c7588df-gb2d8 1/1 Running 0 18m nginx-5c7588df-gdngk 1/1 Running 0 18m
可以看到kube-controller-manager立马补充了一个新的pod。然后我们再看一下endpoints资源，后端pod列表也被自动更新了：
# kubectl get endpoints nginx NAME ENDPOINTS AGE nginx 10.120.49.152:80,10.120.49.23:80,10.120.49.73:80 16m
那么，当用户去访问clusterip:port时，流量是如何负载均衡到后端pod的呢？
k8s在每个node上运行了一个kube-proxy组件，kube-proxy会watch service和endpoints资源，通过配置iptables规则（现在也支持ipvs，不过不在本文章讨论范围之内）来实现service的负载均衡。
可以在任一个k8s node上看一下上述nginx service的iptables规则：
# iptables -t nat -L PREROUTING Chain PREROUTING (policy ACCEPT) target prot opt source destination KUBE-SERVICES all -- anywhere anywhere /* kubernetes service portals */ # iptables -t nat -L KUBE-SERVICES Chain KUBE-SERVICES (2 references) target prot opt source destination KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA tcp -- anywhere 10.178.4.2 /* default/nginx: cluster IP */ tcp dpt:http # iptables -t nat -L KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA Chain KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA (1 references) target prot opt source destination KUBE-SEP-AHN4ALGUQHWJZNII all -- anywhere anywhere statistic mode random probability 0.33332999982 KUBE-SEP-BDD6UBFFJ4G2PJDO all -- anywhere anywhere statistic mode random probability 0.50000000000 KUBE-SEP-UR2OSKI3P5GEGC2Q all -- anywhere anywhere # iptables -t nat -L KUBE-SEP-AHN4ALGUQHWJZNII Chain KUBE-SEP-AHN4ALGUQHWJZNII (1 references) target prot opt source destination KUBE-MARK-MASQ all -- 10.120.49.152 anywhere DNAT tcp -- anywhere anywhere tcp to:10.120.49.152:80
当用户访问clusterip:port时，iptables会通过iptables DNAT 均衡的负载均衡到后端pod。
service ClusterIP
service的ClusterIP是一个虚拟ip，它没有附着在任何的网络设备上，仅仅存在于iptables规则中，通过dnat实现访问clusterIP时的负载均衡。
当用户创建service时，k8s会自动从service网段中分配一个空闲ip设置到.spec.clusterIP字段。当然，k8s也支持用户在创建svc时自己指定clusterIP。
service的网段是通过 kube-apiserver的命令行参数--service-cluster-ip-range配置的，不允许变更。
service网段不能跟机房网络、docker网段、容器网段冲突，否则可能会导致网络不通。
service的clusterIP是k8s集群内的虚拟ip，不同的k8s集群可以使用相同的service网段，在k8s集群外是访问不通service的clusterIP的。
service域名
kubernetes是有自己的域名解析服务的。比如我们可以通过访问域名nginx.default.svc.cluster.local来访问上述的nginx服务:
$ curl nginx.default.svc.cluster.local <!DOCTYPE html> <html> <head> <title>Welcome to nginx!</title> <style> body { width: 35em; margin: 0 auto; font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif; } </style> </head> <body> <h1>Welcome to nginx!</h1> <p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and working. Further configuration is required.</p> <p>For online documentation and support please refer to <a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/> Commercial support is available at <a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p> <p><em>Thank you for using nginx.</em></p> </body> </html>
域名格式为： ${ServiceName}.${Namespace}.svc.${ClusterDomain}. 其中${ClusterDomain}的默认值是cluster.local，可以通过kubelet的命令行参数----cluster-domain进行配置。
headless service
当不需要service ip的时候，可以在创建service的时候指定spec.clusterIP: None，这种service即是headless service。由于没有分配service ip，kube-proxy也不会处理这种service。
DNS对这种service的解析：
- 当service里定义selector的时候：Endpoints controller会创建相应的endpoints。DNS里的A记录会将svc地址解析为这些pods的地址
- 当service里没有定义selector：Endpoints controller不会创建endpoints。DNS会这样处理：
- 首先CNAME到service里定义的ExternalName
- 没有定义ExternalName的话，会搜寻所有的和这个service共享name的Endpoints，然后将A记录解析到这些Endpoints的地址
service的不同类型
service支持多种不同的类型，包括ClusterIP、NodePort、LoadBalancer，通过字段spec.type进行配置。
ClusterIP service
默认类型。对于ClusterIP service， k8s会自动分配一个只在集群内可达的虚拟的ClusterIP，在k8s集群外无法访问。
NodePort service
k8s除了会给NodePort service自动分配一个ClusterIP，还会自动分配一个nodeport端口。集群外的客户端可以访问任一node的ip加nodeport，即可负载均衡到后端pod。
nodeport的端口范围可以通过kube-apiserver的命令行参数--service-node-port-range配置，默认值是30000-32767，当前我们的配置是30000-34999。
但是客户端访问哪个node ip也是需要考虑的一个问题，需要考虑高可用。而且NodePort会导致访问后端服务时多了一跳，并且可能会做snat看不到源ip。
另外需要注意的是，service-node-port-range 不能够跟几个端口范围冲突：
- Linux的
net.ipv4.ip_local_port_range，可以配置为35000-60999 - ingress nginx中的四层负载均衡，端口必须小于30000
- 其他普通业务的端口也需要小于30000
LoadBalancer service
LoadBalancer service需要对接云服务提供商的NLB服务。当用户创建一个LoadBalancer类型的sevice时，cloud-controller-manager会调用NLB的API自动创建LB实例，并且将service后端的pod挂到LB实例后端。
apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: nginx spec: ports: - port: 80 protocol: TCP targetPort: 80 type: LoadBalancer $ kubectl get svc nginx NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE nginx LoadBalancer 10.178.8.216 10.194.73.147 80:32514/TCP 3s
service中会话保持
用户可以通过配置spec.serviceAffinity=ClientIP来实现基于客户端ip的会话保持功能。 该字段默认为None。
还可以通过适当设置 service.spec.sessionAffinityConfig.clientIP.timeoutSeconds 来设置最大会话停留时间。 （默认值为 10800 秒，即 3 小时）
apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: nginx spec: ports: - port: 80 protocol: TCP targetPort: 80 type: ClusterIP sessionAffinity: ClientIP
kubernetes service
当我们部署好一个k8s集群之后，发现系统自动帮忙在default namespace下创建了一个name为kubernetes的service：
# kubectl get svc kubernetes -o yaml apiVersion: v1 kind: Service metadata: labels: component: apiserver provider: kubernetes name: kubernetes namespace: default spec: clusterIP: 10.178.4.1 ports: - name: https port: 443 protocol: TCP targetPort: 6443 sessionAffinity: None type: ClusterIP status: loadBalancer: {}
可以看到kubernetes svc的ip是--service-cluster-ip-range的第一个ip，并且该service没有设置spec.selector。理论上来说，对于没有设置selector的svc，kube-controller-manager不会自动创建同名的endpoints资源出来。
但是我们看到是有同名的endpoints存在的，并且多个apiserver的地址也被保存在endpoints资源中：
# kubectl get ep kubernetes NAME ENDPOINTS AGE kubernetes 10.120.0.2:6443,10.120.0.3:6443 137d
具体是如何实现的，感兴趣的可以看下源码k8s.io/kubernetes/pkg/master/reconcilers
Frequently Asked Questions
问题一 为什么service clusterip无法ping通
因为service clusterip是一个k8s集群内部的虚拟ip，没有附着在任何网络设备上，仅仅存在于iptables nat规则中，用来实现负载均衡。
问题二 为什么service的网段不能跟docker网段、容器网段、机房网段冲突
假如service网段跟上述网段冲突，很容易导致容器或者在k8s node上访问上述网段时发生网络不通的情况。
问题三 为什么在k8s集群外无法访问service clusterip
service clusterip是k8s集群内可达的虚拟ip，集群外不可达。不同的k8s集群可以使用相同的service网段。
或者说，集群外的机器上没有本k8s集群的kube-proxy组件，没有创建对应的iptables规则，因此集群外访问不通service clusterip。
问题四 能否扩容service网段
原则上这个网段是不允许更改的，但是假如因为前期规划的问题分配的网段过小，实际可以通过比较hack的运维手段扩容service网段。
问题五 service是否支持七层的负载均衡
service仅支持四层的负载均衡，七层的负载均衡需要使用ingress
参考文档
作者简介
李岚清，网易杭州研究院云计算技术中心容器编排团队资深系统开发工程师，具有多年Kubernetes开发、运维经验，主导实现了容器网络管理、容器混部等生产级核心系统研发，推动网易集团内部电商、音乐、传媒、教育等多个业务的容器化。