详解K8S网络模型（包含Service讲解）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了详解K8S网络模型（包含Service讲解）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1 缘起

无意中翻阅官方文档，看到了Kubernetes中的网络模型，
于是，开始学习，分享如下。
官方文档：
网络模型https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/
Servicehttps://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/

2 Kubernetes网络模型

集群中的每个Pod会在集群范围内获取自己唯一的IP地址。
因此，Pod间不需要创建链接，同样不要处理容器端口与主机端口的映射关系。
这样即构建了简洁且向后兼容的模型。
可以将Pod视为虚拟机或者物理机，比如在为Pod进行端口分配、命名、服务发现、负载均衡、应用配置和迁移。
Kubernetes在对网络实现上提出如下基本要求（禁止任何故意进行网络分段）：

Pod与其他节点的Pod进行通信无需NAT
Node的代理（如系统进程、kublet）可以与该节点的任何Pod通信

注意：对于支持Pod运行于主机网络的平台（如Linux），当Pod获取节点的主机网络时，可以不通过NAT与所有节点的Pod通信。

该网络模型不仅仅减少全局复杂度，最重要是这种设计方式与Kubernetes的期望一样，即应用程序从虚拟机到容器平滑迁移。如果之前的任务运行于虚拟机中，那么虚拟机只要有IP即可与项目中其他虚拟机同通信。两者的基本模型是一致的。

Kubernetes的IP地址存在于Pod作用域中，包括IP地址和MAC地址（Pod中的容器共享网络命名空间），意味着Pod中的容器可以通过localhost在各自端口上相互通信，并且Pod需要管理端口的使用，这与虚拟机中的处理是一致的，称为“IP-per-pod”模型。
将Node端口的请求转发到Pod（称为主机端口），但这是非常常规的操作，如何实现转发仍然是容器运行时的处理的，Pod自身是不关心主机端口的。

3 Service

Service是将一系列Pod应用暴露为网络服务的一种方法。
Kubernetes中不需要编辑应用来使用陌生的服务发现机制，Kubernetes为Pod分配了IP地址、独立的DNS名称，通过IP和DNS名称实现Pod的负载均衡。

3.1 动机

Kubernetes中Pod的创建和销毁是为了集群的正常的运行，Pod是非持久性的资源（可以按需要创建和销毁），如果使用Deployment运行应用可以动态地创建或销毁Pod（即水平扩缩容）。

虽然每个Pod可以获取各自的IP地址，但是在Deployment中，Pod的IP地址是随时间发生变化的，即时刻A Pod的IP可能和时刻B的IP不同。
这会导致的问题：集群中如果后端Pod为前端Pod提供服务，前端如何实时跟随变化的后端IP？
答案：使用Service。

3.2 Service资源

Kubernetes中，Service是一种顶层抽象，定义了进入Pod的逻辑和策略（有时，这种模式称为微服务）。Service通过定义selector定向到Pod群组。
比如，一个无状态的镜像处理后台有3个副本，这些副本是可替代的，前端无需关心他们使用的是哪个，虽然实际的后台Pod可能会发生变更，但是，前端客户端无需感知以及实时跟踪这些Pod的变化。

Service的这种设计方式实现不同服务的Pod解耦，结构如下图所示。
不同业务间的Pod通过Service转发请求与响应。
详解K8S网络模型（包含Service讲解）

云原生服务发现

如果应用中可以使用Kubernetes的API进行服务发现，
那么，通过API即可查询服务变更情况。
对于非原生应用，Kubernetes在应用和后端Pod间提供了配置网络端口和负载均衡的入口。

3.3 定义Service

Kubernetes中的Service是REST对象，类似于Pod，与所有REST对象一样，可以通过POST请求API来创建实例，Service对象名称需是有效的RFC 1035标签名称。
比如，假定每个Pod监听TCP端口为9376，包含标签：app=MyApp，

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

上述配置创建的Service对象名称为my-service，将请求转发到标签为MyApp、TCP端口为9376的Pod上。
Kubernetes为my-service这个服务分配IP地址（有时称为clusterIP），供Service代理使用。
控制器为Service选择器持续扫描匹配的Pod，然后向my-service提交更新信息。
注意：Service可以将port映射到targetPort，为方便起见，默认将port和targetPort设为相同的值。

Pod中定义端口同时可以配置名称，根据名字可以配置Service中targetPort属性，如下配置：
在Pod中通过port名称：http-web-svc，将Servcie中的targetPort绑定到Pod中的containerPort:80。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app.kubernetes.io/name: proxy
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:stable
    ports:
      - containerPort: 80
        name: http-web-svc
        
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app.kubernetes.io/name: proxy
  ports:
  - name: name-of-service-port
    protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: http-web-svc

即使Service中混合多个Pod使用同一个配置名称同样是可以正常工作的，相同的网络协议使用不同的端口号，这为部署和迭代Service提供了诸多方便。比如更新Pod的可以修改暴露的端口，而无需终止客户端。默认的Service协议为TCP，也可以使用其他支持的协议，如：UDP和SCTP。
鉴于Service需要暴露多个端口，Kubernetes支持在一个Service对象中定义多个端口，每个端口的协议可以相同，也可以不同。

3.3.1 Service没有选择器

Service可以通过选择器访问Kubernetes的Pod，当使用了没有选择器的终端，Service可以抽象出其他类型的后端服务，包括集群外的服务，如：

生产环境使用外部数据库集群，但测试环境使用自己的数据库；
将自己的Service指向有不同Namespace或者其他集群的服务；
迁移工作负载到Kubernetes。

如上情况可以定义没有Pod选择器的Servcie，如：

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

由于这个Service没有选择器，所以对应的终端对象不会自动创建。可以手动将Service映射到对应的地址和端口，手动添加如下：

apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  # the name here should match the name of the Service
  name: my-service
subsets:
  - addresses:
      - ip: 192.0.2.42
    ports:
      - port: 9376

终端对象的名称必须是有效的DNS子域名。当为Service创建终端对象时，对象名称必须与Service名称一致，即metadata.name一致。
注意：终端的IP不应该是：环回地址（127.0.0.0/8 for IPv4, ::1/128 for IPv6）或者链路本地地址（169.254.0.0/16 and 224.0.0.0/24 for IPv4, fe80::/64 for IPv6）。
终端IP地址不能是其他Kubernetes集群Service的IP，因为，kube-proxy不支持虚拟IP作为终点。

访问Service无需区分有无选择器。上面的例子中，流量会路由到定义的终端对象：192.0.2.42:9376（TCP协议）。
Endpoint是Service的映射对象。

注意：Kubernetes API服务禁止代理没有映射的Pod。比如执行kubectl proxy ，由于这个限制，该Service没有选择器会代理失败。这会阻止Kubernetes API服务被用于代理未授权的终端接入。

ExternalName类型的Service是一类没有选择器并且使用DNS名称的特殊Service。

3.3.2 终端过载

如果终端资源超过1000个，Kubernetes集群（版本v1.22或更高），Endpoints会使用标识：endpoints.kubernetes.io/over-capacity: truncated。该注解说明Endpoints对象过载，控制器会删除Endpoints，保持1000个。

3.3.3 Endpoint分片

Endpoint分片是API资源提供可伸缩的Endpoint。虽然概念上与Endpoint非常相似，但是，Endpoint分片允许跨资源分配网络。默认情况下，Endpoint分片达到100个即认为是满载，多余的Endpoint分片会在其他的终端中创建并存储。

3.3.4 应用协议

appProtoco属性为每个Service的端口提供了访问协议，该属性由对应的Endpooints和EndpointSlice对象进行映射。
该属性遵循Kubernetes标准标签语法，值应为IANA标准服务名称或者域名前缀名称，如mycompany.com/my-custom-protocol。

3.4 虚拟IP和服务代理

Kubernetes集群的每个节点（Node）都会运行kube-proxy，kube-proxy是Service虚拟IP的实现方式（除了ExternalName）。

3.4.1 为什么不使用round-robin域名系统

一个常见的问题是：为什么Kubernetes依赖于代理将流量转发给后端。有没有其他方案呢？
比如，是否可以配置有多个A值（或IPv6的AAAA） DNS以及依赖round-robin名称的解析？
Service使用代理的几点原因：

DNS的实现在很长一段时间中不遵守记录TTL（存活时间）并且缓存应该过期的查询结果；
一些应用使用DNS搜索一次，会永久缓存该结果；
虽然应用和相关工具库重新解析，但是，DNS记录的低存活时间或者零存活时间会导致DNS负载增加，导致DNS最终很难管理。

3.4.2 配置

kube-proxy可以通过配置使用不同的启动模式。

kube-proxy通过ConfigMap进行配置，ConfigMap可以有效清除无需使用的kube-proxy功能；
CoinfigMap不支持实时重载配置；
kube-proxy的ConfigMap参数并不是总是有效的，因为，有硬件要求。比如，你的操作系统不允许使用iptables命令，kube-proxy内核的标准实现将无法正常工作。

3.4.3 用户空间代理模式

该模式下，kube-proxy监视Kubernetes控制平面中Service和Endpoint对象的添加和移除。
kube-proxy在本地节点（Node）上为每个Service开放一个随机选择的端口。
任何连接到这个“代理端口”的服务都会代理到Service的后端Pod上（通过Endpoint）。
kube-proxy Sevice根据SessionAffinity配置决定使用哪个后端Pod。
最后，用户空间代理安装iptables规则来获取流量，
流量分配被到Service的clusterIP（虚拟IP）和端口上。
kube-proxy将流量重定向到后端Pod的代理端口上，
默认情况下，kube-proxy在用户空间模式下通过round-robin算法选后端Pod，
过程如下图所示，由图可知，流量分发：traffic->clusterIP->kube-proxy->pod。
图片地址：https://d33wubrfki0l68.cloudfront.net/e351b830334b8622a700a8da6568cb081c464a9b/13020/images/docs/services-userspace-overview.svg

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3.4.4 iptables代理模式

iptable代理模式中，kube-proxy通过Kubernetes控制平面监控Service和Endpoint对象的添加和移除。kube-proxy为每个Servcie安装iptable规则，将流量分配到Service的clusterIP和端口上，然后重定向到Service的后端Pod上。kube-proxy为每个Endpoint对象安装iptable规则来选择后端Pod。默认情况下，iptable模式下的kube-proxy是纯随机选择后端Pod。
该模式的架构示意图如下图所示，由图可知，流量分发：traffic->clusterIP->pod或者traffic->kube-proxy->pod。
原图地址：https://d33wubrfki0l68.cloudfront.net/27b2978647a8d7bdc2a96b213f0c0d3242ef9ce0/e8c9b/images/docs/services-iptables-overview.svg

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使用iptable处理流量系统开销很小，因为Linux网络筛选器处理流量时无需进行用户空间和内核空间的切换。这种处理方式貌似更加可靠。
如果kube-proxy运行在iptable模式化下，选中的第一个Pod无响应，连接会失败。与用户空间模式不同的是：用户空间模式下，kube-proxy在第一个Pod中无法获取响应时，会自动向其他Pod发起重试请求。

可以使用就绪探针（readiness）验证后端Pod是否正常工作，因此iptable模式下kube-proxy只能观测到测试正常的后端Pod。这样意味着无需将流量通过kube-proxy分发到Pod就可以知道响应异常。

3.4.5 IPVS代理模式

ipvs模式下，kube-proxy观测kubernetes的Service和Endpoint，调用netlink接口创建对应的IPVS规则，并定期向Kubernetes的Sevice和Endpoint同步IPVS规则。该控制回环保证IPVS与期望的状态是一致的。当访问Servcie时，IPVS将流量直接定向到后端Pod。
IPVS模式是基于网络筛选器回调功能，与iptable模式是非常相似的，不同的是，IPVS使用hashtable作为数据结构并在内核空间中进行工作。这意味着IPVS模式下，kube-proxy流量重定向的时延比iptable模式中更低，同步代理规则的性能会更好。与其他模式相比，IPVS也支持更高吞吐量。
该模式的架构示意图如下图所示，由图可知，流量分发：traffic->clusterIP->pod或者traffic->kube-proxy->pod。
原图地址：https://d33wubrfki0l68.cloudfront.net/2d3d2b521cf7f9ff83238218dac1c019c270b1ed/9ac5c/images/docs/services-ipvs-overview.svg
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IPVS为后端Pod的流量分发提供多种均衡策略：

rr：轮询
lc：最小连接（开启连接数量最少）
dh：目标地址Hash
sh：源Hash
seq：期待延迟最少
nq：非队列

注意：IPVS模式下运行kube-proxy，需保证启动kube-proxy前，在节点（Node）中IPVS是可用的。
kube-proxy以IPVS代理模式启动时，会确认IPVS内核模块是否可用，如果没有检测到可用的IPVS内核模块，kube-proxy会回退使用iptable代理模式。

这些代理模型，流量会绑定到Service的IP和Port（代理了后端Pod的Service），客户端无需感知任何关于Kubernetes、Servcie或者Pod。
如果想将某个特定的客户端的流量发送到同一个Pod，可以基于客户端IP地址设置会话，通过属性service.spec.sessionAffinity，配置为ClientIP，默认为None，同时支持配置会话最大存活时间，通过属性service.spec.sessionAffinityConfig.clientIP.timeoutSeconds配置，默认为10800秒，即3小时。

注意：Windows系统中，Service不支持最大会话存活时间。

3.5 多个端口Service

对于某些Service需要暴露多个端口。Kubernetes允许在Service对象中配置多个端口。一个Service配置多个端口，必须给端口配置名称，明确目的。多个端口配置样例如下：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: MyApp
  ports:
    - name: http
      protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
    - name: https
      protocol: TCP
      port: 443
      targetPort: 9377

注意：与Kubernetes命名一致，端口的名称只能包含小写字母和中划线。端口名称的开始和结束必须是字母或数字。如合法的：123-abc，web；不合法：123_abc，-web。

3.6 选择IP地址

通过配置.spec.clusterIP属性，在Service创建请求中指定集群的IP地址。如，想重用已经有DNS或者原有系统已配置IP地址并且很难重新配置。
选择的IP地址须满足：在API server配置的service-cluster-ip-range CIDR范围内，有效的IPv4或者IPv6地址。如果创建的Service包含无效的clusterIP地址，API server会返回422状态码，表明错误。

3.7 流量策略

3.7.1 外部流量策略

通过属性spec.externalTrafficPolicy控制流量在外部资源的分发。可用的类型有Cluster和Local。Cluster：流量分发到已就绪的Endpoint，Local：只分发到已就绪的本地节点Endpoint。如果流量策略为Local，但是没有本地节点Endpoint，kube-proxy不会将流量转发到相关的Service。

注意：如果为kube-proxy开启ProxyTerminatingEndpoints属性，kube-proxy会检测节点是否有本地Endpoint以及所有本地Endpoint是否标记为terminating。如果有本地Endpoint并且所有本地Endpoint标记为terminating，kube-proxy会忽略Local策略的外部流量。如果外部流量策略为Cluster，本地节点Endpoint为terminating，kube-proxy会将流量分发到其他正常的Endpoint。即使健康检查节点启动失败时，这种转发方式对于终止的Endpoint，仍允许外部负载均衡器优雅地分离出NodePort Service的连接。否则，流量会在Pod终止期间丢失。

3.7.2 内部流量策略

通过属性spec.internalTrafficPolicy控制流量在内部资源的分发。与externalTrafficPolicy一样，有两种值：Cluster和Local。Cluster：内部流量只分配到就绪的Endpoint；Local：流量值分发到本地节点的Endpoint。如果流量策略为Local，如果没有本地Endpoint，kube-proxy会丢弃该流量。

3.8 Service部署

https://blog.csdn.net/Xin_101/article/details/124519232

4 小结

核心：
（1）集群中的每个Pod会在集群范围内获取自己唯一的IP地址，Pod间通信无需建立连接，无需考虑端口映射；
（2）Service是将一系列Pod应用暴露为网络服务的一种方法，即通过Service访问Pod；
（3）代理模式有3种：用户空间代理模式、iptables代理模式和IPVs代理模式；
（4）Kubernetes允许在Service对象中配置多个端口；
（5）流量分配策略：Cluster和Local两种方式，Cluster：流量分发到就绪的Endpoint；Local流量只分发到本机Endpoint，Endpoint终止后，则会丢弃流量。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-467788.html

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