kube-proxy

每台机器上都运行一个 kube-proxy 服务，它监听 API server 中 service 和 endpoint 的变化情况，并通过 iptables 等来为服务配置负载均衡（仅支持 TCP 和 UDP）。

kube-proxy 可以直接运行在物理机上，也可以以 static pod 或者 daemonset 的方式运行。

kube-proxy 当前支持以下几种实现

  • userspace：最早的负载均衡方案，它在用户空间监听一个端口，所有服务通过 iptables 转发到这个端口，然后在其内部负载均衡到实际的 Pod。该方式最主要的问题是效率低，有明显的性能瓶颈。
  • iptables：目前推荐的方案，完全以 iptables 规则的方式来实现 service 负载均衡。该方式最主要的问题是在服务多的时候产生太多的 iptables 规则，非增量式更新会引入一定的时延，大规模情况下有明显的性能问题
  • ipvs：为解决 iptables 模式的性能问题，v1.11 新增了 ipvs 模式（v1.8 开始支持测试版，并在 v1.11 GA），采用增量式更新，并可以保证 service 更新期间连接保持不断开
  • winuserspace：同 userspace，但仅工作在 windows 节点上

注意：使用 ipvs 模式时，需要预先在每台 Node 上加载内核模块 nf_conntrack_ipv4, ip_vs, ip_vs_rr, ip_vs_wrr, ip_vs_sh 等。

  1. # load module <module_name>
  2. modprobe -- ip_vs
  3. modprobe -- ip_vs_rr
  4. modprobe -- ip_vs_wrr
  5. modprobe -- ip_vs_sh
  6. modprobe -- nf_conntrack_ipv4
  8. # to check loaded modules, use
  9. lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4
  10. # or
  11. cut -f1 -d " "  /proc/modules | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4

Iptables 示例

kube-proxy - 图1

(图片来自cilium/k8s-iptables-diagram)

  1. # Masquerade
  2. -A KUBE-MARK-DROP -j MARK --set-xmark 0x8000/0x8000
  3. -A KUBE-MARK-MASQ -j MARK --set-xmark 0x4000/0x4000
  4. -A KUBE-POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes service traffic requiring SNAT" -m mark --mark 0x4000/0x4000 -j MASQUERADE
  6. # clusterIP and publicIP
  7. -A KUBE-SERVICES ! -s 10.244.0.0/16 -d 10.98.154.163/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ
  8. -A KUBE-SERVICES -d 10.98.154.163/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
  9. -A KUBE-SERVICES -d 12.12.12.12/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA
  11. # Masq for publicIP
  12. -A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-MARK-MASQ
  13. -A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
  14. -A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-MARK-DROP
  16. # Masq for nodePort
  17. -A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp --dport 30938 -j KUBE-MARK-MASQ
  18. -A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp --dport 30938 -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
  20. # load balance for each endpoints
  21. -A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -m statistic --mode random --probability 0.33332999982 -j KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H
  22. -A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR
  23. -A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR
  25. # endpoint #1
  26. -A KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR -s 10.244.3.4/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
  27. -A KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.3.4:80
  29. # endpoint #2
  30. -A KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR -s 10.244.2.4/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
  31. -A KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.4:80
  33. # endpoint #3
  34. -A KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H -s 10.244.1.2/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
  35. -A KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.2:80

如果服务设置了 externalTrafficPolicy: Local 并且当前 Node 上面没有任何属于该服务的 Pod，那么在 KUBE-XLB-4N57TFCL4MD7ZTDA 中会直接丢掉从公网 IP 请求的包：

  1. -A KUBE-XLB-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: has no local endpoints" -j KUBE-MARK-DROP

ipvs 示例

Kube-proxy IPVS mode 列出了各种服务在 IPVS 模式下的工作原理。

kube-proxy - 图2

  1. $ ipvsadm -ln
  2. IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
  3. Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  4.   -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
  5. TCP  10.0.0.1:443 rr persistent 10800
  6.   -> 192.168.0.1:6443             Masq    1      1          0
  7. TCP  10.0.0.10:53 rr
  8.   -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0
  9. UDP  10.0.0.10:53 rr
  10.   -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0

注意，IPVS 模式也会使用 iptables 来执行 SNAT 和 IP 伪装（MASQUERADE），并使用 ipset 来简化 iptables 规则的管理：

ipset 名 成员 用途
KUBE-CLUSTER-IP All service IP + port Mark-Masq for cases that masquerade-all=true or clusterCIDR specified
KUBE-LOOP-BACK All service IP + port + IP masquerade for solving hairpin purpose
KUBE-EXTERNAL-IP service external IP + port masquerade for packages to external IPs
KUBE-LOAD-BALANCER load balancer ingress IP + port masquerade for packages to load balancer type service
KUBE-LOAD-BALANCER-LOCAL LB ingress IP + port with externalTrafficPolicy=local accept packages to load balancer with externalTrafficPolicy=local
KUBE-LOAD-BALANCER-FW load balancer ingress IP + port with loadBalancerSourceRanges package filter for load balancer with loadBalancerSourceRanges specified
KUBE-LOAD-BALANCER-SOURCE-CIDR load balancer ingress IP + port + source CIDR package filter for load balancer with loadBalancerSourceRanges specified
KUBE-NODE-PORT-TCP nodeport type service TCP port masquerade for packets to nodePort(TCP)
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP nodeport type service TCP port with externalTrafficPolicy=local accept packages to nodeport service with externalTrafficPolicy=local
KUBE-NODE-PORT-UDP nodeport type service UDP port masquerade for packets to nodePort(UDP)
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-UDP nodeport type service UDP port withexternalTrafficPolicy=local accept packages to nodeport service withexternalTrafficPolicy=local

启动 kube-proxy 示例

  1. kube-proxy --kubeconfig=/var/lib/kubelet/kubeconfig --cluster-cidr=10.240.0.0/12 --feature-gates=ExperimentalCriticalPodAnnotation=true --proxy-mode=iptables

kube-proxy 工作原理

kube-proxy 监听 API server 中 service 和 endpoint 的变化情况，并通过 userspace、iptables、ipvs 或 winuserspace 等 proxier 来为服务配置负载均衡（仅支持 TCP 和 UDP）。

kube-proxy - 图3

kube-proxy 不足

kube-proxy 目前仅支持 TCP 和 UDP，不支持 HTTP 路由，并且也没有健康检查机制。这些可以通过自定义 Ingress Controller 的方法来解决。