Service、DNS与服务发现

# Service、DNS与服务发现

本文笔记来自：「深入剖析 Kubernetes课程」，原文链接：https://time.geekbang.org/column/article/64948

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。

一个最典型的Service定义，如下所示：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: hostnames
spec:
  selector:
    app: hostnames
  ports:
  - name: default
    protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 9376

这个Service的例子，相信你不会陌生。其中，我使用了selector字段来声明这个Service只代理携带了app=hostnames标签的Pod。并且，这个Service的80端口，代理的是Pod的9376端口。

然后，应用的Deployment如下所示：

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，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，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。

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。

对于前面创建的名叫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，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）。这个“标志”的作用，我会在下一篇文章再为你讲解。

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。

此外，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，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。

不难想到，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。“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，非常建议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。

Service与DNS的关系

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：<pod的hostname>…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，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。

总结

在这篇文章里，Service机制，以及Kubernetes里的DNS插件，都是在帮助你解决同样一个问题，即：如何找到我的某一个容器？

这个问题在平台级项目中，往往就被称作服务发现，即：当我的一个服务（Pod）的IP地址是不固定的且没办法提前获知时，该如何通过一个固定的方式访问到这个Pod呢？

在这里讲解的、ClusterIP模式的Service为你提供的，就是一个Pod的稳定的IP地址，即VIP。并且，这里Pod和Service的关系是可以通过Label确定的。

而Headless Service为你提供的，则是一个Pod的稳定的DNS名字，并且，这个名字是可以通过Pod名字和Service名字拼接出来的。

在实际的场景里，根据自己的具体需求进行合理选择。

思考题

Kubernetes的Service的负载均衡策略，在iptables和ipvs模式下，都有哪几种？具体工作模式是怎样的？

ipvs负载均衡类型：round robin least connection destination hashing source hashing shortest expected delay never queue overflow-connection