K8S Service 实战与原理初探

故事的开始，让我们先从一件生产故障说起。5月29日，内部某系统出现大规模访问Service故障，发现Pod容器内无法正常访问ServiceIP

，整个故障持续时间超过12h，相关运维支撑人员没有找到根本原因和解决办法。

经过复盘，我们发现，**大家****对于K8S Service的原理不够清晰，导致对问题的定位不能做得到快速准确，**如果当时能够按照如下的思路去思考问题，排查过程不至于花费如此久的时间。

下面，我们就来细说一下Service在Kubernetes中的作用、使用方法及原理。

Service是一种暴露一组Pod网络的抽象方式，K8S Service提供了针对于一组Pod的负载均衡的暴露。通过这样的方式，可以避免不同的pod之间访问时需要知晓对应pod网络信息的痛苦。例如：前端->后端，由于前端POD IP随时变动，后端亦如此，如何处理前端POD和后端POD的通信，就需要Service这一抽象，来保证简单可靠。

Service的使用

1、典型服务配置方法

当配置了selector之后，Service Controller会自动查找匹配这个selector的pod，并且创建出一个同名的endpoint对象，负责具体service之后连接。


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

2、配置没有selector的服务

没有selector的service不会出现Endpoint的信息，需要手工创建Endpoint绑定，Endpoint可以是内部的pod，也可以是外部的服务。


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
---
apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: my-service
subsets:
  - addresses:
      - ip: 192.0.2.42
    ports:
      - port: 9376

Service的类型

1.CluserIP


kubectl expose pod nginx --type=CluserIP --port=80 --name=ng-svc
 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: ng-svc
  namespace: default
spec:
  selector:
      name: nginx
  clusterIP: 11.254.0.2
  ports:
  - name: http
    port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 1234
  sessionAffinity: None
  type: ClusterIP

2.LoadBalance


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: MyApp
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 9376
  clusterIP: 10.0.171.239
  type: LoadBalancer
status:
  loadBalancer:
    ingress:
    - ip: 192.0.2.127

3.NodePort


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: my-service
spec:
type: NodePort
selector:
  app: MyApp
ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 30007

4.ExternalName

5.Headless


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    run: curl
  name: my-headless-service
  namespace: default
spec:
  clusterIP: None
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    run: curl
  type: ClusterIP

对定义了选择算符的无头服务，Endpoint 控制器在 API 中创建了 Endpoints 记录，并且修改 DNS 配置返回 A 记录（IP 地址），通过这个地址直接到达 Service 的后端 Pod 上。


# ping my-headless-service
PING my-headless-service (172.200.6.207): 56 data bytes
64 bytes from 172.200.6.207: seq=0 ttl=64 time=0.040 ms
64 bytes from 172.200.6.207: seq=1 ttl=64 time=0.063 ms

对没有定义选择算符的无头服务，Endpoint 控制器不会创建 Endpoints 记录。然而 DNS 系统会查找和配置，无论是：

对于 ExternalName 类型的服务，查找其 CNAME 记录
对所有其他类型的服务，查找与 Service 名称相同的任何 Endpoints 的记录

Service的实现方式

1.用户态代理访问

即：当对于每个Service，Kube-Proxy会在本地Node上打开一个随机选择的端口，连接到代理端口的请求，都会被代理转发给Pod。那么通过Iptables规则，捕获到达Service

的请求都会被转发到代理端口，代理端口重新转为对Pod的访问

这种方式的缺点是存在内核态转为用户态，再有用户态转发的两次转换，性能较差，一般不再使用

2.Iptables模式

3.Ipvs模式

Service Iptables实现原理

Iptables表和链及处理过程

Service的Traffic流量将会通过prerouting和output重定向到kube-service链


-A PREROUTING -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES
-A POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes postrouting rules" -j KUBE-POSTROUTING
-A OUTPUT -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES

KUBE-SERVICES->KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX->KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX represents a ClusterIP service
KUBE-NODEPORTS->KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX->KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX represents a NodePort service

几种不同类型的Service在Kube-Proxy启用Iptables模式下上的表现

ClusterIP


-A KUBE-SERVICES ! -s 172.200.0.0/16 -d 10.100.160.92/32 -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http cluster IP" -m tcp --dport 30080 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SERVICES -d 10.100.160.92/32 -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http cluster IP" -m tcp --dport 30080 -j KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ  


-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB
-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-PVCYYXEU44D3IMGK
-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -j KUBE-SEP-JECGZLHE32MEARRX
-A KUBE-SVC-CEZPIJSAUFW5MYPQ -m comment --comment "kubernetes-dashboard/kubernetes-dashboard" -j KUBE-SEP-QO6MV4HR5U56RP7M  


-A KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB -s 172.200.6.224/32 -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.200.6.224:80
...

NodePort


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
  app: ccs-gateway
spec:
clusterIP: 10.101.156.39
externalTrafficPolicy: Cluster
ports:
- name: http
  nodePort: 30081
  port: 30080
  protocol: TCP
  targetPort: 80
selector:
  app: ccs-gateway
sessionAffinity: None
type: NodePort


-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp --dport 30081 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp --dport 30081 -j KUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K
############################
-A KUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL
-A KUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -j KUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q
##########################
-A KUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL -s 172.200.6.224/32 -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.200.6.224:80
#########################
-A KUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q -s 172.200.6.225/32 -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.200.6.225:80

同时，可以看到Service所申请的端口38081被Kube-proxy所代理和监听


# netstat -ntlp | grep 30081
tcp       0      00.0.0.0:30081           0.0.0.0:*               LISTEN     3665705/kube-proxy

LoadBalancer

不带有Endpoint的Service


kubectl create svc clusterip fake-endpoint --tcp=80 
-A KUBE-SERVICES -d 10.101.117.0/32 -p tcp -m comment --comment "default/fake-endpoint:80 has no endpoints" -m tcp --dport 80 -j REJECT --reject-with icmp-port-unreachable

带有外部endpoint的Service

直接通过iptable规则转发到对应的外部ep地址


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: external
  name: external
  namespace: default
spec:
  ports:
  - name: http
    protocol: TCP
    port: 80
  sessionAffinity: None
  type: ClusterIP
---
apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  labels:
    app: external
  name: external
  namespace: default
subsets:
- addresses:
  - ip: 10.124.142.43
  ports:
  - name: http
    port: 80
protocol: TCP


-A KUBE-SERVICES ! -s 172.200.0.0/16 -d 10.111.246.87/32 -p tcp -m comment --comment "default/external:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SERVICES -d 10.111.246.87/32 -p tcp -m comment --comment "default/external:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-LI2K5327B6J24KJ3 


-A KUBE-SEP-QTGIPNOYXN2CZGD5 -s 10.124.142.43/32 -m comment --comment "default/external:http" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-QTGIPNOYXN2CZGD5 -p tcp -m comment --comment "default/external:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.124.142.43:80

总结

ClusterIP类型，KubeProxy监听Service和Endpoint创建规则，采用DNAT将目标地址转换为Pod的ip和端口，当有多个ep时，按照策略进行转发，默认RR模式时，iptables采用：比如有4个实例，四条规则的概率分别为0.25, 0.33, 0.5和 1，按照顺序，一次匹配完成整个流量的分配。
NodePort类型，将会在上述ClusterIP模式之后，再加上Kube-Proxy的监听（为了确保其他服务不会占用该端口）和KUBE-NODEPORT的iptable规则