虚拟 IP 和服务代理

Kubernetes 集群中的每个 节点会运行一个 kube-proxy （除非你已经部署了自己的替换组件来替代 kube-proxy）。

kube-proxy 组件负责除 type 为 ExternalName 以外的服务，实现虚拟 IP 机制。

一个时不时出现的问题是，为什么 Kubernetes 依赖代理将入站流量转发到后端。 其他方案呢？例如，是否可以配置具有多个 A 值（或 IPv6 的 AAAA）的 DNS 记录， 使用轮询域名解析？

使用代理转发方式实现 Service 的原因有以下几个：

  • DNS 的实现不遵守记录的 TTL 约定的历史由来已久，在记录过期后可能仍有结果缓存。
  • 有些应用只做一次 DNS 查询，然后永久缓存结果。
  • 即使应用程序和库进行了适当的重新解析，TTL 取值较低或为零的 DNS 记录可能会给 DNS 带来很大的压力， 从而变得难以管理。

在下文中，你可以了解到 kube-proxy 各种实现方式的工作原理。 总的来说，你应该注意到，在运行 kube-proxy 时， 可能会修改内核级别的规则（例如，可能会创建 iptables 规则）， 在某些情况下，这些规则直到重启才会被清理。 因此，运行 kube-proxy 这件事应该只由了解在计算机上使用低级别、特权网络代理服务会带来的后果的管理员执行。 尽管 kube-proxy 可执行文件支持 cleanup 功能，但这个功能并不是官方特性，因此只能根据具体情况使用。

本文中的一些细节会引用这样一个例子： 运行了 3 个 Pod 副本的无状态图像处理后端工作负载。 这些副本是可互换的；前端不需要关心它们调用了哪个后端副本。 即使组成这一组后端程序的 Pod 实际上可能会发生变化， 前端客户端不应该也没必要知道，而且也不需要跟踪这一组后端的状态。

代理模式

注意，kube-proxy 会根据不同配置以不同的模式启动。

  • kube-proxy 的配置是通过 ConfigMap 完成的，kube-proxy 的 ConfigMap 实际上弃用了 kube-proxy 大部分标志的行为。
  • kube-proxy 的 ConfigMap 不支持配置的实时重新加载。
  • kube-proxy 不能在启动时验证和检查所有的 ConfigMap 参数。 例如，如果你的操作系统不允许你运行 iptables 命令，标准的 kube-proxy 内核实现将无法工作。

iptables 代理模式

在这种模式下，kube-proxy 监视 Kubernetes 控制平面，获知对 Service 和 EndpointSlice 对象的添加和删除操作。 对于每个 Service，kube-proxy 会添加 iptables 规则，这些规则捕获流向 Service 的 clusterIP 和 port 的流量， 并将这些流量重定向到 Service 后端集合中的其中之一。 对于每个端点，它会添加指向一个特定后端 Pod 的 iptables 规则。

默认情况下，iptables 模式下的 kube-proxy 会随机选择一个后端。

使用 iptables 处理流量的系统开销较低，因为流量由 Linux netfilter 处理， 无需在用户空间和内核空间之间切换。这种方案也更为可靠。

如果 kube-proxy 以 iptables 模式运行，并且它选择的第一个 Pod 没有响应， 那么连接会失败。这与用户空间模式不同： 在后者这种情况下，kube-proxy 会检测到与第一个 Pod 的连接失败， 并会自动用不同的后端 Pod 重试。

你可以使用 Pod 就绪探针来验证后端 Pod 是否健康。 这样可以避免 kube-proxy 将流量发送到已知失败的 Pod 上。

虚拟 IP 和服务代理 - 图1

iptables 模式下 Service 的虚拟 IP 机制

示例

例如，考虑本页中前面描述的图像处理应用程序。 当创建后端 Service 时，Kubernetes 控制平面会分配一个虚拟 IP 地址，例如 10.0.0.1。 对于这个例子而言，假设 Service 端口是 1234。 集群中的所有 kube-proxy 实例都会观察到新 Service 的创建。

当节点上的 kube-proxy 观察到新 Service 时，它会添加一系列 iptables 规则， 这些规则从虚拟 IP 地址重定向到更多 iptables 规则，每个 Service 都定义了这些规则。 每个 Service 规则链接到每个后端端点的更多规则， 并且每个端点规则将流量重定向（使用目标 NAT）到后端。

当客户端连接到 Service 的虚拟 IP 地址时，iptables 规则会生效。 会选择一个后端（基于会话亲和性或随机选择），并将数据包重定向到后端，无需重写客户端 IP 地址。

当流量通过节点端口或负载均衡器进入时，也会执行相同的基本流程， 只是在这些情况下，客户端 IP 地址会被更改。

优化 iptables 模式性能

在大型集群（有数万个 Pod 和 Service）中，当 Service（或其 EndpointSlices）发生变化时 iptables 模式的 kube-proxy 在更新内核中的规则时可能要用较长时间。 你可以通过（kube-proxy --config <path> 指定的）kube-proxy 配置文件的 iptables 节中的选项来调整 kube-proxy 的同步行为：

  1. ...
  2. iptables:
  3.   minSyncPeriod: 1s
  4.   syncPeriod: 30s
  5. ...
minSyncPeriod

minSyncPeriod 参数设置尝试同步 iptables 规则与内核之间的最短时长。 如果是 0s，那么每次有任一 Service 或 Endpoint 发生变更时，kube-proxy 都会立即同步这些规则。 这种方式在较小的集群中可以工作得很好，但如果在很短的时间内很多东西发生变更时，它会导致大量冗余工作。 例如，如果你有一个由 Deployment 支持的 Service，共有 100 个 Pod，你删除了这个 Deployment， 且设置了 minSyncPeriod: 0s，kube-proxy 最终会从 iptables 规则中逐个删除 Service 的 Endpoint， 总共更新 100 次。使用较大的 minSyncPeriod 值时，多个 Pod 删除事件将被聚合在一起， 因此 kube-proxy 最终可能会进行例如 5 次更新，每次移除 20 个端点， 这样在 CPU 利用率方面更有效率，能够更快地同步所有变更。

minSyncPeriod 的值越大，可以聚合的工作越多， 但缺点是每个独立的变更可能最终要等待整个 minSyncPeriod 周期后才能被处理， 这意味着 iptables 规则要用更多时间才能与当前的 apiserver 状态同步。

默认值 1s 对于中小型集群是一个很好的折衷方案。 在大型集群中，可能需要将其设置为更大的值。 （特别是，如果 kube-proxy 的 sync_proxy_rules_duration_seconds 指标表明平均时间远大于 1 秒， 那么提高 minSyncPeriod 可能会使更新更有效率。）

syncPeriod

syncPeriod 参数控制与单次 Service 和 Endpoint 的变更没有直接关系的少数同步操作。 特别是，它控制 kube-proxy 在外部组件已干涉 kube-proxy 的 iptables 规则时通知的速度。 在大型集群中，kube-proxy 也仅在每隔 syncPeriod 时长执行某些清理操作，以避免不必要的工作。

在大多数情况下，提高 syncPeriod 预计不会对性能产生太大影响， 但在过去，有时将其设置为非常大的值（例如 1h）很有用。 现在不再推荐这种做法，因为它对功能的破坏可能会超过对性能的改进。

实验性的性能改进

特性状态： Kubernetes v1.26 [alpha]

在 Kubernetes 1.26 中，社区对 iptables 代理模式进行了一些新的性能改进， 但默认未启用（并且可能还不应该在生产集群中启用）。要试用它们， 请使用 --feature-gates=MinimizeIPTablesRestore=true,… 为 kube-proxy 启用 MinimizeIPTablesRestore 特性门控。

如果你启用该特性门控并且之前覆盖了 minSyncPeriod， 你应该尝试移除该覆盖并让 kube-proxy 使用默认值 (1s) 或至少使用比之前更小的值。

如果你注意到 kube-proxy 的 sync_proxy_rules_iptables_restore_failures_total 或 sync_proxy_rules_iptables_partial_restore_failures_total 指标在启用此特性后升高， 这可能表明你发现了该特性的错误，你应该提交错误报告。

IPVS 代理模式

在 ipvs 模式下，kube-proxy 监视 Kubernetes Service 和 EndpointSlice， 然后调用 netlink 接口创建 IPVS 规则， 并定期与 Kubernetes Service 和 EndpointSlice 同步 IPVS 规则。 该控制回路确保 IPVS 状态与期望的状态保持一致。 访问 Service 时，IPVS 会将流量导向到某一个后端 Pod。

IPVS 代理模式基于 netfilter 回调函数，类似于 iptables 模式， 但它使用哈希表作为底层数据结构，在内核空间中生效。 这意味着 IPVS 模式下的 kube-proxy 比 iptables 模式下的 kube-proxy 重定向流量的延迟更低，同步代理规则时性能也更好。 与其他代理模式相比，IPVS 模式还支持更高的网络流量吞吐量。

IPVS 为将流量均衡到后端 Pod 提供了更多选择：

  • rr：轮询
  • lc：最少连接（打开连接数最少）
  • dh：目标地址哈希
  • sh：源地址哈希
  • sed：最短预期延迟
  • nq：最少队列

说明：

要在 IPVS 模式下运行 kube-proxy，必须在启动 kube-proxy 之前确保节点上的 IPVS 可用。

当 kube-proxy 以 IPVS 代理模式启动时，它会验证 IPVS 内核模块是否可用。 如果未检测到 IPVS 内核模块，则 kube-proxy 会退回到 iptables 代理模式运行。

虚拟 IP 和服务代理 - 图2

IPVS 模式下 Service 的虚拟 IP 地址机制

会话亲和性

在这些代理模型中，绑定到 Service IP:Port 的流量被代理到合适的后端， 客户端不需要知道任何关于 Kubernetes、Service 或 Pod 的信息。

如果要确保来自特定客户端的连接每次都传递给同一个 Pod， 你可以通过设置 Service 的 .spec.sessionAffinity 为 ClientIP 来设置基于客户端 IP 地址的会话亲和性（默认为 None）。

会话粘性超时

你还可以通过设置 Service 的 .spec.sessionAffinityConfig.clientIP.timeoutSeconds 来设置最大会话粘性时间（默认值为 10800，即 3 小时）。

说明：

在 Windows 上不支持为 Service 设置最大会话粘性时间。

将 IP 地址分配给 Service

与实际路由到固定目标的 Pod IP 地址不同，Service IP 实际上不是由单个主机回答的。 相反，kube-proxy 使用数据包处理逻辑（例如 Linux 的 iptables） 来定义虚拟 IP 地址，这些地址会按需被透明重定向。

当客户端连接到 VIP 时，其流量会自动传输到适当的端点。 实际上，Service 的环境变量和 DNS 是根据 Service 的虚拟 IP 地址（和端口）填充的。

避免冲突

Kubernetes 的主要哲学之一是， 你不应需要在完全不是你的问题的情况下面对可能导致你的操作失败的情形。 对于 Service 资源的设计，也就是如果你选择的端口号可能与其他人的选择冲突， 就不应该让你自己选择端口号。这是一种失败隔离。

为了允许你为 Service 选择端口号，我们必须确保没有任何两个 Service 会发生冲突。 Kubernetes 通过从为 API 服务器 配置的 service-cluster-ip-range CIDR 范围内为每个 Service 分配自己的 IP 地址来实现这一点。

为了确保每个 Service 都获得唯一的 IP，内部分配器在创建每个 Service 之前更新 etcd 中的全局分配映射，这种更新操作具有原子性。 映射对象必须存在于数据库中，这样 Service 才能获得 IP 地址分配， 否则创建将失败，并显示无法分配 IP 地址。

在控制平面中，后台控制器负责创建该映射（从使用内存锁定的旧版本的 Kubernetes 迁移时需要这一映射）。 Kubernetes 还使用控制器来检查无效的分配（例如，因管理员干预而导致无效分配） 以及清理已分配但没有 Service 使用的 IP 地址。

Service 虚拟 IP 地址的地址段

特性状态： Kubernetes v1.25 [beta]

Kubernetes 根据配置的 service-cluster-ip-range 的大小使用公式 min(max(16, cidrSize / 16), 256) 将 ClusterIP 范围分为两段。 该公式可以解释为：介于 16 和 256 之间，并在上下界之间存在渐进阶梯函数的分配。

Kubernetes 优先通过从高段中选择来为 Service 分配动态 IP 地址， 这意味着如果要将特定 IP 地址分配给 type: ClusterIP Service， 则应手动从低段中分配 IP 地址。 该方法降低了分配导致冲突的风险。

如果你禁用 ServiceIPStaticSubrange 特性门控， 则 Kubernetes 用于手动分配和动态分配的 IP 共享单个地址池，这适用于 type: ClusterIP 的 Service。

流量策略

你可以设置 .spec.internalTrafficPolicy 和 .spec.externalTrafficPolicy 字段来控制 Kubernetes 如何将流量路由到健康（“就绪”）的后端。

内部流量策略

特性状态： Kubernetes v1.22 [beta]

你可以设置 .spec.internalTrafficPolicy 字段来控制来自内部源的流量如何被路由。 有效值为 Cluster 和 Local。 将字段设置为 Cluster 会将内部流量路由到所有准备就绪的端点， 将字段设置为 Local 仅会将流量路由到本地节点准备就绪的端点。 如果流量策略为 Local 但没有本地节点端点，那么 kube-proxy 会丢弃该流量。

外部流量策略

你可以设置 .spec.externalTrafficPolicy 字段来控制从外部源路由的流量。 有效值为 Cluster 和 Local。 将字段设置为 Cluster 会将外部流量路由到所有准备就绪的端点， 将字段设置为 Local 仅会将流量路由到本地节点上准备就绪的端点。 如果流量策略为 Local 并且没有本地节点端点， 那么 kube-proxy 不会转发与相关 Service 相关的任何流量。

流向正终止的端点的流量

特性状态： Kubernetes v1.26 [beta]

如果为 kube-proxy 启用了 ProxyTerminatingEndpoints 特性门控且流量策略为 Local， 则节点的 kube-proxy 将使用更复杂的算法为 Service 选择端点。 启用此特性时，kube-proxy 会检查节点是否具有本地端点以及是否所有本地端点都标记为正在终止过程中。 如果有本地端点并且所有本地端点都被标记为处于终止过程中， 则 kube-proxy 会将转发流量到这些正在终止过程中的端点。 否则，kube-proxy 会始终选择将流量转发到并未处于终止过程中的端点。

这种对处于终止过程中的端点的转发行为使得 NodePort 和 LoadBalancer Service 能有条不紊地腾空设置了 externalTrafficPolicy: Local 时的连接。

当一个 Deployment 被滚动更新时，处于负载均衡器后端的节点可能会将该 Deployment 的 N 个副本缩减到 0 个副本。在某些情况下，外部负载均衡器可能在两次执行健康检查探针之间将流量发送到具有 0 个副本的节点。 将流量路由到处于终止过程中的端点可确保正在缩减 Pod 的节点能够正常接收流量， 并逐渐降低指向那些处于终止过程中的 Pod 的流量。 到 Pod 完成终止时，外部负载均衡器应该已经发现节点的健康检查失败并从后端池中完全移除该节点。

接下来

要了解有关 Service 的更多信息， 请阅读使用 Service 连接应用。

也可以：