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kubernetes 网络简介（上）

本贴最后更新于 1533 天前，其中的信息可能已经时移世异

一、Service

1.1 Service 存在的意义：

  • 防止 Pod 失联（服务发现）
  • 定义一组 Pod 的访问策略（负载均衡）

1.2 Pod 与 Service 的关系

  • 通过 label-selector 相关联
  • 通过 Servic 实现 Pod 的负载均衡（ TCP/UDP 4 层）

创建 service 的时候必须打标签，并且与创建的 deployment 或者 pod 的标签一致

image.png

通过 kubectl create deployment web --image=nginx --dry-run=client -o yaml > web-dp.yaml 命令导出 deployment 文件：

yaml 示例：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: web             # deployment的标签
  name: web
spec:
  replicas: 3
  selector:                # 标签选择器
    matchLabels:
      app: web
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web         # Pod的标签
        project: blog
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        name: nginx
        resources: {}

注意：

  • 标签选择器里的标签是筛选 Pod 用的
  • Pod 的标签支持多个

应用：

kubectl apply -f web-dp.yaml

查看标签：

[root@k8s-master k8s]# kubectl get pod --show-labels 
NAME                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE   LABELS
web-5b9bff6674-8wjlq   1/1     Running   0          12s   app=web,pod-template-hash=5b9bff6674,project=blog
web-5b9bff6674-99ltd   1/1     Running   0          33s   app=web,pod-template-hash=5b9bff6674,project=blog
web-5b9bff6674-skgsj   1/1     Running   0          15s   app=web,pod-template-hash=5b9bff6674,project=blog

暴露服务：

kubectl expose deployment web --port=80 --target-port=80 --name=web --dry-run=client -o yaml > web-svc.yaml

参数解释：

  • --port：k8s 集群内部访问端口
  • --target-port：容器中服务提供端口，即应用程序端口，如 nginx 提供 80 ，mysql 提供 3306
  • --protocol：指定协议类型，如 TCP、UDP，SCTP 等
  • --name：给 svc 起名，一般 svc 的名称与 deployment 一致

yaml 示例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: web
  name: web
spec:
  ports:
  - port: 80           # 内部访问端口
    protocol: TCP
    targetPort: 80   # 容器提供服务的端口
  selector:
    app: web         # 标签与deployment中Pod定义的标签一致
    project: blog

应用：

kubectl apply -f web-svc.yaml

查看 svc 标签：

[root@k8s-master k8s]# kubectl get svc --show-labels 
NAME         TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE   LABELS
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1      <none>        443/TCP   47m   component=apiserver,provider=kubernetes
web          ClusterIP   10.101.205.162   <none>        80/TCP    18m   app=web

注意：从中可以发现，web 这个 Service 的标签中并没有 Project=blog 这个标签，这是因为 svc 中 app=web 标签是 svc 本身的，它不是用于去关联 Pod 的，svc 的详细信息可以使用 kubectl get svc -o wide:

[root@k8s-master k8s]# kubectl get svc -o wide
NAME         TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE   SELECTOR
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1      <none>        443/TCP   47m   <none>
web          ClusterIP   10.101.205.162   <none>        80/TCP    18m   app=web,project=blog

正常来讲，在任何节点机器上 curl 10.101.205.162 是可以访问到的,而且 svc 中的 IP 地址是非常稳定的，只要这个 svc 资源不被删除，这个 IP 就会一直存在。

1.3 Service 三种常用类型

1.3.1 ClusterIP：集群内部使用

expose 的默认类型，为一组 pod 分配一个稳定的虚拟 IP，作为这组 Pod 提供统一入口，集群之外无法问问，只能在集群内部访问
(同 Namespace 内的 Pod)

image.png

1.3.2 NodePort：对外暴露应用

在每个节点上启用一个端口来暴露服务，可以在集群外部访问。也会分配一个稳定内部集群 IP 地址。访问地址：<NodeIP>:<NodePort>

image.png

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: web
  name: web
spec:
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    app: web
    project: blog
  type:	NodePort

注意：type 与 ports 同级

[root@k8s-master k8s]# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1        <none>        443/TCP        61m
web          NodePort    10.101.205.162    <none>        80:31495/TCP   11m

其中，31495 为宿主机端口,每个节点都会监听这个端口，而且这个端口是 kube-proxy 创建的

[root@k8s-master k8s]# netstat -antp | grep 31495
tcp        0      0 0.0.0.0:31495           0.0.0.0:*               LISTEN      2581/kube-proxy

当然，这个宿主机端口号也可以固定，写法如下（端口号范围：3000-32767）：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: web
  name: web
spec:
  ports:
  - port: 80               # 集群内部端口
    protocol: TCP       # 协议
    targetPort: 80       # 容器端口
    nodePort: 30000    # 节点端口
  selector:                # 标签选择器，关联对应Pod
    app: web
    project: blog
  type: NodePort       # 指定类型


[root@k8s-master k8s]# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1        <none>        443/TCP        74m
web          NodePort    10.101.205.162   <none>        80:30000/TCP   23m

[root@k8s-master k8s]# netstat -antp | grep 3000
tcp        0      0 0.0.0.0:30000           0.0.0.0:*               LISTEN      2581/kube-proxy

补充：kube-proxy：实现 Service 的功能，包含服务发现和提供负载均衡的能力。

1.3.3 LoadBalancer：对外暴露应用，适用公有云

与 NodePort 类似，在每个节点上启用一个端口来暴露服务。除此之外，Kubernetes 会请求底层云平台上的负载均衡器，将每个 Node （[NodeIP]:[NodePort]）作为后端添加进去。

image.png

LB 解决的问题
前面加一个负载均衡器（公网）：

  • 把内网节点的端口提供的服务给暴露到公网
  • 为 nodeport 提供高可用能力

工作流程：user -> lb -> node:port -> [service] -> pod

1.4 Service 代理模式

Service 代理模式分为：Iptables 和 IPVS

proxy 模式：

  • iptables （默认使用）:用户态的工具主要用于 netfilter 规则管理
    入口流量规则-> 轮训 pod 机制-> 实际 DNAT 规则(目标地址转化)-> 容器
  • ipvs :
  # kubectl edit configmap kube-proxy -n kube-system
  mode: "ipvs"
  # kubectl delete pod kube-proxy-btz4p -n kube-system
  # yum install ipvsadm -y
  # ipvsadm -L -n

查看 Service 网络规则

iptables-save | grep <svc-name>

image.png

1.4.1 iptables 改为 ipvs 步骤：

二进制部署

1.将 /opt/kubernetes/cfg/kube-proxy-config.yaml 配置文件中，注销 mode 参数，并在后面添加 ipvs（下面的一些参数是 ipvs 的调度算法）

image.png

2.重启 kube-proxy 服务即可生效：

systemctl restart kube-proxy

3.安装 ipvsadm 工具去查看 ipvs 规则：

yum -y install ipvsadm
ipvsadm -L -n

参数解释：

  • -L：列出规则
  • -n：以数字而不是以主机名的形式显示 IP 地址
kubeadm 部署

1.由于 kube-proxy 保存在 k8s 资源中，故需要编辑 configmap 的配置文件

[root@k8s-master k8s]# kubectl get pod -n kube-system 
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kube-proxy-grnpw                           1/1     Running   11         12d
kube-proxy-mshjk                           1/1     Running   11         12d
kube-proxy-nkkk4                           1/1     Running   11         12d

[root@k8s-master k8s]# kubectl get configmaps -n kube-system 
NAME                                 DATA   AGE
kube-proxy                           2      12d

2.打开 kube-peoxy 的 configmap：

kubectl edit configmap kube-proxy -n kube-system

3.找到 mode 参数，在引号中写入 ipvs，保存即可

image.png

4.删除 kube-proxy 的 pod 重建,等待集群自动拉起，ipvs 即可生效：

kubectl delete pod kube-proxy-grnpw -n kube-system
kubectl delete pod kube-proxy-mshjk -n kube-system
kubectl delete pod kube-proxy-nkkk4 -n kube-system

[root@k8s-master k8s]# kubectl get pod -n kube-system 
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kube-proxy-272qn                           1/1     Running   0          42s
kube-proxy-gvq2n                           1/1     Running   0          33s
kube-proxy-jbjfc                           1/1     Running   0          61s

5.利用 ipvsadm -L -n 命令查看规则

1.4.2 Iptables VS IPVS 优缺点

Iptables：

  • 灵活，功能强大
  • 规则遍历匹配和更新，呈线性时延

IPVS：

  • 工作在内核态，有更好的性能
  • 调度算法丰富：rr，wrr，lc，wlc，ip hash...

参数解释：

  • rr：轮询模式
  • wrr：加权轮询模式
  • lc：最小连接模式
  • wlc：加权连接模式
  • ip hash：

1.5 Service DNS 名称

[root@k8s-master k8s]# kubectl get pod -n kube-system 
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
coredns-7ff77c879f-cgfjw                   1/1     Running   11         12d
coredns-7ff77c879f-pn8qk                   1/1     Running   12         12d

DNS 服务监视 Kubernetes API，为每一个 Service 创建 DNS 记录用于域名解析。

测试 coredns，使用 busybox:1.28.4 镜像并进入 pod 中

[root@k8s-master k8s]# kubectl run  -it --rm --image=busybox:1.28.4 sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ #

正常来讲，在这个 busybox 的 Pod 中是 ping 的通上面创建的 svc 的 IP 地址的，也可以访问 svc 的页面。

/ # ping 10.101.205.162
PING 10.101.205.162 (10.101.205.162): 56 data bytes
64 bytes from 10.101.205.162: seq=0 ttl=64 time=0.101 ms
64 bytes from 10.101.205.162: seq=1 ttl=64 time=0.099 ms
64 bytes from 10.101.205.162: seq=2 ttl=64 time=0.101 ms
64 bytes from 10.101.205.162: seq=3 ttl=64 time=0.107 ms
^C
--- 10.101.205.162 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.099/0.102/0.107 ms
/ # wget 10.101.205.162
Connecting to 10.101.205.162 (10.101.205.162:80)
index.html           100% |******************************************************************************************|   612   0:00:00 ETA
/ #

可以使用 nslookup 命令解析 dns 名称

/ # nslookup web
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web
Address 1: 10.101.205.162 web.default.svc.cluster.local

解析出来的 IP 对应 svc 的 IP 地址

注意：nslookup 默认不能跨命名空间使用，若想解析跨命名空间的 dns，则需要使用全格式

ClusterIP A 记录格式：<service-name>.<namespace-name>.svc.cluster.local

示例：my-svc.my-namespace.svc.cluster.local

Pod 在发送 dns 请求的时候，实际上是请求的 /etc/resolv.conf 文件中的 dns，这个 dns 就是部署 coredns 的 Service,所以执行 nslookup 命令时是向 coredns 发出请求，而 coredns 里面有 Service 对应 IP 的记录，之后响应记录结果，并且 coredns 对域名也有区分，若判断为外部域名，则走上层宿主机 dns 进行解析，然后再响应给 Pod。

总结：
pod -> coredns service(10.0.0.2) -> coredns(service/clusterip 记录) -> 响应 A 记录结果

/ # cat /etc/resolv.conf 
nameserver 10.96.0.10
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
options ndots:5

[root@k8s-node1 manifests]# kubectl get svc -n kube-system 
NAME             TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)                  AGE
kube-dns         ClusterIP   10.96.0.10      <none>        53/UDP,53/TCP,9153/TCP   12d

总结：

  1. 采用 NodePort 对外暴露应用，前面加一个 LB 实现统一访问入口

  2. 优先使用 IPVS 代理模式
    IPVS 性能高，调度算法丰富，可以满足多业务大并发的场景下

  3. 集群内应用采用 DNS 名称访问
    当切换集群或者换 ServiceIP 的时候对应于程序没什么影响

  • Kubernetes

    Kubernetes 是 Google 开源的一个容器编排引擎，它支持自动化部署、大规模可伸缩、应用容器化管理。

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