Kubernetes之（十）服務發現Service

時間 2019-11-18

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Kubernetes之（十）服務發現Service

Kubernetes之（十）服務發現Service

理解

Service是對一組提供相同功能的Pods的抽象，併爲它們提供一個統一的入口。藉助Service，應用能夠方便的實現服務發現與負載均衡，並實現應用的零宕機升級。Service經過標籤來選取服務後端，通常配合Replication Controller或者Deployment來保證後端容器的正常運行。這些匹配標籤的Pod IP和端口列表組成endpoints，由kubeproxy負責將服務IP負載均衡到這些endpoints上。
Service有四種類型：node

ClusterIP：默認類型，自動分配一個僅cluster內部能夠訪問的虛擬IP
NodePort：在ClusterIP基礎上爲Service在每臺機器上綁定一個端口，這樣就能夠經過 :NodePort 來訪問該服務
LoadBalancer：在NodePort的基礎上，藉助cloud provider建立一個外部的負載均衡器，並將請求轉發到 :NodePort
ExternalName：將服務經過DNS CNAME記錄方式轉發到指定的域名（經過 spec.externlName 設定）。須要kube-dns版本在1.7以上。

另外，也能夠將已有的服務以Service的形式加入到Kubernetes集羣中來，只須要在建立
Service的時候不指定Label selector，而是在Service建立好後手動爲其添加endpoint。linux

Service的實現模型

在 Kubernetes 集羣中，每一個 Node 運行一個 kube-proxy 進程。kube-proxy 負責爲 Service 實現了一種 VIP（虛擬 IP）的形式，而不是 ExternalName 的形式。在 Kubernetes v1.0 版本，代理徹底在 userspace。在 Kubernetes v1.1 版本，新增了 iptables 代理，但並非默認的運行模式。從 Kubernetes v1.2 起，默認就是 iptables 代理。在Kubernetes v1.8.0-beta.0中，添加了ipvs代理。在 Kubernetes v1.0 版本，Service 是「4層」（TCP/UDP over IP）概念。在 Kubernetes v1.1 版本，新增了 Ingress API（beta 版），用來表示「7層」（HTTP）服務。
kube-proxy 這個組件始終監視着apiserver中有關service的變更信息，獲取任何一個與service資源相關的變更狀態，經過watch監視，一旦有service資源相關的變更和建立，kube-proxy都要轉換爲當前節點上的可以實現資源調度規則（例如：iptables、ipvs）。redis

userspace代理模式

當客戶端Pod請求內核空間的service iptables後，把請求轉到給用戶空間監聽的kube-proxy 的端口，由kube-proxy來處理後，再由kube-proxy將請求轉給內核空間的 service ip，再由service iptalbes根據請求轉給各節點中的的service pod。
這個模式有很大的問題，由客戶端請求先進入內核空間的，又進去用戶空間訪問kube-proxy，由kube-proxy封裝完成後再進去內核空間的iptables，再根據iptables的規則分發給各節點的用戶空間的pod。這樣流量從用戶空間進出內核帶來的性能損耗是不可接受的。在Kubernetes 1.1版本以前，userspace是默認的代理模型。
算法

iptables代理模式

客戶端IP請求時，直接請求本地內核service ip，根據iptables的規則直接將請求轉發到到各pod上，由於使用iptable NAT來完成轉發，也存在不可忽視的性能損耗。另外，若是集羣中存在上萬的Service/Endpoint，那麼Node上的iptables rules將會很是龐大，性能還會再打折扣。iptables代理模式由Kubernetes 1.1版本引入，自1.2版本開始成爲默認類型。
vim

ipvs代理模式

Kubernetes自1.9-alpha版本引入了ipvs代理模式，自1.11版本開始成爲默認設置。客戶端IP請求時到達內核空間時，根據ipvs的規則直接分發到各pod上。kube-proxy會監視Kubernetes Service對象和Endpoints，調用netlink接口以相應地建立ipvs規則並按期與Kubernetes Service對象和Endpoints對象同步ipvs規則，以確保ipvs狀態與指望一致。訪問服務時，流量將被重定向到其中一個後端Pod。後端

與iptables相似，ipvs基於netfilter 的 hook 功能，但使用哈希表做爲底層數據結構並在內核空間中工做。這意味着ipvs能夠更快地重定向流量，而且在同步代理規則時具備更好的性能。此外，ipvs爲負載均衡算法提供了更多選項，如，rr輪詢，lc最小鏈接數，dh目標哈希，sh源哈希，sed最短時間望延遲，nq不排隊調度。
注意： ipvs模式假定在運行kube-proxy以前在節點上都已經安裝了IPVS內核模塊。當kube-proxy以ipvs代理模式啓動時，kube-proxy將驗證節點上是否安裝了IPVS模塊，若是未安裝，則kube-proxy將回退到iptables代理模式。
api

當某個服務後端pod發生變化，標籤選擇器適應的pod有多一個，適應的信息會當即反映到apiserver上,而kube-proxy必定能夠watch到etc中的信息變化，而將它當即轉爲ipvs或者iptables中的規則，這一切都是動態和實時的，刪除一個pod也是一樣的原理。
服務器

Service定義

Service配置清單重要字段

apiVersion:
kind:
metadata:
spec:
　　clusterIP: 能夠自定義，也能夠動態分配
　　ports:（與後端容器端口關聯）
　　selector:（關聯到哪些pod資源上）
　　type：服務類型

Service的服務類型
對一些應用（如 Frontend）的某些部分，可能但願經過外部（Kubernetes 集羣外部）IP 地址暴露 Service。
Kubernetes ServiceTypes 容許指定一個須要的類型的 Service，默認是 ClusterIP 類型。
Type 的取值以及行爲以下：session

ClusterIP：經過集羣的內部 IP 暴露服務，選擇該值，服務只可以在集羣內部能夠訪問，這也是默認的 ServiceType。
NodePort：經過每一個 Node 上的 IP 和靜態端口（NodePort）暴露服務。NodePort 服務會路由到 ClusterIP 服務，這個 ClusterIP 服務會自動建立。經過請求 : ，能夠從集羣的外部訪問一個 NodePort 服務。
LoadBalancer：使用雲提供商的負載均衡器，能夠向外部暴露服務。外部的負載均衡器能夠路由到 NodePort 服務和 ClusterIP 服務。
ExternalName：經過返回 CNAME 和它的值，能夠將服務映射到 externalName 字段的內容（例如， foo.bar.example.com）。沒有任何類型代理被建立，這隻有 Kubernetes 1.7 或更高版本的 kube-dns 才支持。

建立ClusterIP類型Service

[root@master manifests]# vim redis-svc.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: redis
  namespace: default
spec:
  selector:
    app: redis
    role: logstore
  clusterIP: 10.97.97.97
  type: ClusterIP
  ports:
  - port: 6379    #容器端口
    targetPort: 6379   #Pod端口

建立並查看svc:

[root@master manifests]# kubectl apply -f redis-svc.yaml 
service/redis created
[root@master manifests]# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1     <none>        443/TCP    4d22h
redis        ClusterIP   10.97.97.97   <none>        6379/TCP   4s

查看redis服務詳細信息

[root@master manifests]# kubectl describe svc redis
Name:              redis
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration:
                     {"apiVersion":"v1","kind":"Service","metadata":{"annotations":{},"name":"redis","namespace":"default"},"spec":{"clusterIP":"10.97.97.97","...
Selector:          app=redis,role=logstore
Type:              ClusterIP
IP:                10.97.97.97  　#service ip
Port:              <unset>  6379/TCP
TargetPort:        6379/TCP
Endpoints:         10.244.2.43:6379   #此處的ip+端口就是pod的ip+端口
Session Affinity:  None
Events:            <none>

[root@master manifests]# kubectl get pods  -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
filebeat-ds-h8rwk        1/1     Running   0          8m36s   10.244.1.39   node01   <none>           <none>
filebeat-ds-kzhxw        1/1     Running   0          8m36s   10.244.2.44   node02   <none>           <none>
readiness-httpget-pod    1/1     Running   0          2d21h   10.244.2.18   node02   <none>           <none>
redis-76c85b5744-94djm   1/1     Running   0          8m36s   10.244.2.43   node02   <none>           <none>

總結：

service不會直接到pod，service是直接到endpoint資源，就是地址加端口，再由endpoint再關聯到pod。
service只要建立完，就會在dns中添加一個資源記錄進行解析，添加完成便可進行解析。資源記錄的格式爲：SVC_NAME.NS_NAME.DOMAIN.LTD.
默認的集羣service 的A記錄：svc.cluster.local.
redis服務建立的A記錄：redis.default.svc.cluster.local.

建立NodePort類型Service

將myapp-deploy發佈出去，並能夠經過集羣外部進行訪問

[root@master manifests]# kubectl get pods --show-labels
NAME                            READY   STATUS    RESTARTS   AGE     LABELS
filebeat-ds-h8rwk               1/1     Running   0          12m     app=filebeat,controller-revision-hash=7f59445876,pod-template-generation=1,release=stable
filebeat-ds-kzhxw               1/1     Running   0          12m     app=filebeat,controller-revision-hash=7f59445876,pod-template-generation=1,release=stable
myapp-deploy-65df64765c-257gl   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
myapp-deploy-65df64765c-czwkg   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
myapp-deploy-65df64765c-hqmkd   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
myapp-deploy-65df64765c-kvj92   1/1     Running   0          26s     app=myapp,pod-template-hash=65df64765c,release=canary
readiness-httpget-pod           1/1     Running   0          2d22h   <none>
redis-76c85b5744-94djm          1/1     Running   0          12m     app=redis,pod-template-hash=76c85b5744,role=logstore

#編輯yaml文件
[root@master manifests]# vim myapp-svc.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp
  namespace: default
spec:
  selector:
    app: myapp
    release: canary
  clusterIP: 10.99.99.99
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 31111    #節點端口設置很是用端口

建立並查看svc

[root@master manifests]# kubectl apply -f myapp-svc.yaml 
service/myapp created
[root@master manifests]# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1     <none>        443/TCP        4d22h
myapp        NodePort    10.99.99.99   <none>        80:31111/TCP   8s
redis        ClusterIP   10.97.97.97   <none>        6379/TCP       10m

此時能夠在集羣外使用31111端口進行訪問

[root@nfs ~]# while true;do curl http://10.0.0.11:31111/hostname.html;sleep 1;done
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-hqmkd
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-czwkg
myapp-deploy-65df64765c-kvj92

總結：從以上例子，能夠看到經過NodePort方式已經實現了從集羣外部端口進行訪問，訪問連接以下：http://10.0.0.10:31111 。實踐中並不鼓勵用戶自定義使用節點的端口，由於容易和其餘現存的Service衝突，建議留給系統自動配置。

Pod的會話保持

Service資源還支持Session affinity（粘性會話）機制，能夠未來自同一個客戶端的請求始終轉發至同一個後端的Pod對象，這意味着它會影響調度算法的流量分發功用，進而下降其負載均衡的效果。所以，當客戶端訪問Pod中的應用程序時，若是有基於客戶端身份保存某些私有信息，並基於這些私有信息追蹤用戶的活動等一類的需求時，那麼應該啓用session affinity機制。

　　Service affinity的效果僅僅在一段時間內生效，默認值爲10800秒，超出時長，客戶端再次訪問會從新調度。該機制僅能基於客戶端IP地址識別客戶端身份，它會將經由同一個NAT服務器進行原地址轉換的全部客戶端識別爲同一個客戶端，由此可知，其調度的效果並不理想。Service 資源經過. spec. sessionAffinity 和. spec. sessionAffinityConfig 兩個字段配置粘性會話。 spec. sessionAffinity 字段用於定義要使用的粘性會話的類型，它僅支持使用「 None」和「 ClientIP」兩種屬性值。以下：

[root@master ~]# kubectl explain svc.spec.sessionAffinity.
KIND:     Service
VERSION:  v1

FIELD:    sessionAffinity <string>

DESCRIPTION:
     Supports "ClientIP" and "None". Used to maintain session affinity. Enable
     client IP based session affinity. Must be ClientIP or None. Defaults to
     None. More info:
     https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/#virtual-ips-and-service-proxies

sessionAffinity支持ClientIP和None 兩種方式，默認是None（隨機調度） ClientIP是來自於同一個客戶端的請求調度到同一個pod中:

[root@master manifests]# vim myapp-svc-clientip.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp
  namespace: default
spec:
  selector:
    app: myapp
    release: canary
  sessionAffinity: ClientIP
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 31111

[root@master manifests]# kubectl apply -f myapp-svc-clientip.yaml
service/myapp created

[root@master manifests]# kubectl describe svc myapp
Name:                     myapp
Namespace:                default
Labels:                   <none>
Annotations:              kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration:
                            {"apiVersion":"v1","kind":"Service","metadata":{"annotations":{},"name":"myapp","namespace":"default"},"spec":{"ports":[{"nodePort":31111,...
Selector:                 app=myapp,release=canary
Type:                     NodePort
IP:                       10.106.188.204
Port:                     <unset>  80/TCP
TargetPort:               80/TCP
NodePort:                 <unset>  31111/TCP
Endpoints:                10.244.1.40:80,10.244.1.41:80,10.244.2.45:80 + 1 more...
Session Affinity:         ClientIP
External Traffic Policy:  Cluster
Events:                   <none>

[root@nfs ~]# while true;do curl http://10.0.0.11:31111/hostname.html;sleep 1;done
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl
myapp-deploy-65df64765c-257gl

也可使用kubectl patch來動態修改

kubectl patch svc myapp -p '{"spec":{"sessionAffinity":"ClusterIP"}}'  #session保持，同一ip訪問同一個pod
kubectl patch svc myapp -p '{"spec":{"sessionAffinity":"None"}}'    #取消session

Headless無頭Service

有時不須要或不想要負載均衡，以及單獨的Service IP。遇到這種狀況，能夠經過指定 Cluster IP（spec.clusterIP）的值爲 "None" 來建立 Headless Service。

這個選項容許開發人員自由尋找他們本身的方式，從而下降與 Kubernetes 系統的耦合性。應用仍然可使用一種自注冊的模式和適配器，對其它須要發現機制的系統可以很容易地基於這個 API 來構建。

對這類 Service 並不會分配 Cluster IP，kube-proxy 不會處理它們，並且平臺也不會爲它們進行負載均衡和路由。 DNS 如何實現自動配置，依賴於 Service 是否認義了 selector

[root@master manifests]# vim myapp-svc-headless.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp-headless
  namespace: default
spec:
  selector:
    app: myapp
    release: canary
  clusterIP: "None"
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80

部署並查看

[root@master manifests]#  kubectl apply -f myapp-svc-headless.yaml 
service/myapp-headless created
[root@master manifests]# kubectl get svc
NAME             TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes       ClusterIP   10.96.0.1        <none>        443/TCP        4d23h
myapp            NodePort    10.106.188.204   <none>        80:31111/TCP   10m
myapp-headless   ClusterIP   None             <none>        80/TCP         2s
redis            ClusterIP   10.97.97.97      <none>        6379/TCP       68m

使用coredns進行解析驗證

[root@master manifests]# dig -t A myapp-svc.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10

; <<>> DiG 9.9.4-RedHat-9.9.4-73.el7_6 <<>> -t A myapp-svc.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NXDOMAIN, id: 35237
;; flags: qr aa rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 0, AUTHORITY: 1, ADDITIONAL: 1

;; OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4096
;; QUESTION SECTION:
;myapp-svc.default.svc.cluster.local. IN        A

;; AUTHORITY SECTION:
cluster.local.          30      IN      SOA     ns.dns.cluster.local. hostmaster.cluster.local. 1554105626 7200 1800 86400 30

;; Query time: 2 msec
;; SERVER: 10.96.0.10#53(10.96.0.10)
;; WHEN: 一 4月 01 16:03:40 CST 2019
;; MSG SIZE  rcvd: 157

#10.96.0.10是coredns服務的svc地址
[root@master 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   5d

解析普通的svc 來對比查看區別

[root@master manifests]# dig -t A myapp.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10

; <<>> DiG 9.9.4-RedHat-9.9.4-73.el7_6 <<>> -t A myapp.default.svc.cluster.local. @10.96.0.10
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 26217
;; flags: qr aa rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 1, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 0

;; QUESTION SECTION:
;myapp.default.svc.cluster.local. IN    A

;; ANSWER SECTION:
myapp.default.svc.cluster.local. 5 IN   A       10.99.99.99

;; Query time: 0 msec
;; SERVER: 10.96.0.10#53(10.96.0.10)
;; WHEN: 一 4月 01 16:09:34 CST 2019
;; MSG SIZE  rcvd: 96

從以上的演示能夠看到對比普通的service和headless service，headless service作dns解析是直接解析到pod的，而servcie是解析到ClusterIP的。
headless無頭服務主要用在statefulset中。