K8s中负载均衡原理

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1、K8s中负载均衡原理

Kube-porxy组件

在K8s集群中微服务的负载均衡是由Kube-proxy实现的，它是K8s集群内部的负载均衡器，也是一个分布式代理服务器，在K8s的每个节点上都有一个，这一设计体现了它的伸缩性优势，需要访问服务的节点越多，提供负载均衡能力的Kube-proxy就越多，高可用节点也随之增多。kube-porxy负责为Service资源提供cluster集群内部的服务发现和负载均衡，它运行在每一个Node物理节点之上，负责为节点上的所有pod资源提供网络代理服务。他会定时的从etcd数据库获取到service维护的路由信息做出相应的负载策略，维护网络负载策略和4层负载均衡工作。

service是一组pod的服务抽象，相当于一组pod的LB，负责将请求分发给对应的pod。service会为这个LB提供一个IP，一般称为cluster IP。kube-proxy的作用主要是负责service的实现，具体来说，就是实现了内部从pod到service和外部的从node port向service的访问。

1、Service介绍

在K8s中，Pod是最小的计算单元，pod可以认为是程序的载体，在集群内部，我们可以通过ip地址访问服务，但是一般认为pod是不稳定的，pod的重建会导致ip的改变，所以对于用户来讲每一次访问都需要来重定向新的ip地址是非常麻烦的。

为了对用户暴漏一个稳定的访问途径，k8s提供了service资源，service会对多个提供相同服务的pod资源做聚合操作，并且提供一个统一的访问入口，通过访问service提供的统一入口地址，就可以访问到service聚合的pod资源，这种设计对用户隐藏了具体的访问pod的细节。

使用deployment部署多个应用副本，每一个应用副本都有自己的labels，service资源通过labels标签的形式将多个pod聚合到一个组，然后对外提供服务。

Service在很多情况下只是一个概念，真正起作用的其实是kube-proxy服务进程，每个Node节点上都运行着一个kube-proxy服务进程。当创建Service的时候会通过api-server向etcd写入创建的service的信息，而kube-proxy会基于监听的机制发现这种Service的变动，然后它会将最新的Service信息转换成对应的访问规则。

kube-proxy其实就是管理service的访问入口，包括集群内Pod到Service的访问和集群外访问service。
kube-proxy管理sevice的Endpoints，该service对外暴露一个Virtual IP，也成为Cluster IP, 集群内通过访问这个Cluster IP:Port就能访问到集群内对应的serivce下的Pod。
service是通过Selector选择的一组Pods的服务抽象，其实就是一个微服务，提供了服务的LB和反向代理的能力，而kube-proxy的主要作用就是负责service的实现。
service另外一个重要作用是，一个服务后端的Pods可能会随着生存灭亡而发生IP的改变，service的出现，给服务提供了一个固定的IP，而无视后端Endpoint的变化。

Service的分类

在k8s集群内部，Service有以下四种类型，分别对应提供不同的负载均衡策略。

ClusterIp（集群内部使用）

ClusterIp是k8s集群service默认的类型，自动分配一个仅Cluster内部可以访问的虚拟IP（VIP）。

缺点是只能在集群内部进行访问。

NodePort（对外暴露应用）

在ClusterIP基础上为Service在每台机器上绑定一个端口，这样就可以通过NodeIP:NodePort访问来访问该服务。端口范围：30000~32767。

缺点是比较浪费物理机的ip地址。

LoadBalancer（对外暴露应用，适用于公有云）

在NodePort的基础上，借助Cloud Provider创建一个外部负载均衡器，并将请求转发到NodePort。需要外部公有云提供负载均衡能力。

ExternalName

创建一个dns别名指到service name上，主要是防止service name发生变化，要配合dns插件使用。通过返回 CNAME 和它的值，可以将服务映射到 externalName 字段的内容。这只有 Kubernetes 1.7或更高版本的kube-dns才支持（我这里是Kubernetes 1.22.1版本）。

Service工作原理

客户端访问节点pod时通过 iptables实现的负载均衡
iptables规则是通过 kube-proxy维护写入的
apiserver通过监控 kube-proxy去进行对服务和端点的监控
kube-proxy通过 pod的标签（ lables）去判断这个断点信息是否写入到 Endpoints里

Endpoints

endpoint是k8s集群中的一个资源对象，存储在etcd中，用来记录一个service对应的所有pod的访问地址。service配置selector，selector选择的是某些pod的标签，endpoint controller才会自动创建对应的endpoint对象；否则，不会生成endpoint对象。

【例如】k8s集群中创建一个名为hello的service，就会生成一个同名的endpoint对象，ENDPOINTS就是service关联的pod的ip地址和端口。

工作流程

一个 Service 由一组 backend Pod 组成。这些 Pod 通过 endpoints 暴露出来。 Service Selector 将持续评估，结果被 POST 到一个名称为 Service-hello 的 Endpoint 对象上。当 Pod 终止后，它会自动从 Endpoint 中移除，新的能够匹配上 Service Selector 的 Pod 将自动地被添加到 Endpoint 中。endpoints会随着service资源的创建而创建。

Service、endpoints、pod关系

简单理解为3层结构，service是对外暴漏的服务接口，pod是提供具体服务的载体，而中间层的endpoint则是连接service和pod之间的桥梁，通过endpoint资源，对service资源隐藏了底层动态变化的pod id地址。

service负载转发规则:

访问Service的请求，不论是Cluster IP+TargetPort的方式；还是用Node节点IP+NodePort的方式，都被Node节点的Iptables规则重定向到Kube-proxy监听Service服务代理端口。kube-proxy接收到Service的访问请求后，根据负载策略，转发到后端的Pod。

Service资源清单

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
#元数据
  name: string
  #Service名称
  namespace: string
  #命名空间，不指定时默认为default命名空间
  labels:
  #自定义标签属性列表     
    - name: string
  annotations:
  #自定义注解属性列表    
    - name: string
spec:
#详细描述    
  selector: []
  #这里选择器一定要选择容器的标签，也就是pod的标签
  #selector:
  #  app: web
  #Label Selector配置，选择具有指定label标签的pod作为管理范围
  type: string
  #service的类型，指定service的访问方式，默认ClusterIP
  #ClusterIP：虚拟的服务ip地址，用于k8s集群内部的pod访问，在Node上kube-porxy通过设置的iptables规则进行转发
  #NodePort：使用宿主机端口，能够访问各Node的外部客户端通过Node的IP和端口就能访问服务器
  #LoadBalancer：使用外部负载均衡器完成到服务器的负载分发，
  #需要在spec.status.loadBalancer字段指定外部负载均衡服务器的IP，并同时定义nodePort和clusterIP用于公有云环境。
  clusterIP: string
  #虚拟服务IP地址，当type=ClusterIP时，如不指定，则系统会自动进行分配，也可以手动指定。当type=loadBalancer，需要指定
  sessionAffinity: string
  #是否支持session，可选值为ClietIP，默认值为空
  #ClientIP表示将同一个客户端(根据客户端IP地址决定)的访问请求都转发到同一个后端Pod
  ports:
  #service需要暴露的端口列表    
  - name: string
    #端口名称
    protocol: string
    #端口协议，支持TCP或UDP，默认TCP
     port: int
    #服务监听的端口号
     targetPort: int
    #需要转发到后端的端口号
     nodePort: int
    #当type=NodePort时，指定映射到物理机的端口号
  status:
  #当type=LoadBalancer时，设置外部负载均衡的地址，用于公有云环境    
    loadBalancer:
    #外部负载均衡器    
      ingress:
      #外部负载均衡器 
      ip: string
      #外部负载均衡器的IP地址
      hostname: string
     #外部负载均衡器的机主机

service资源的4种port

1)nodePort

nodePort是外部访问k8s集群中service的端口，通过nodeIP: nodePort可以从外部访问到某个service。

2)port

port是k8s集群内部访问service的端口，即通过clusterIP: port可以访问到某个service。

3)targetPort

targetPort是pod的端口，从port和nodePort来的流量经过kube-proxy流入到后端pod的targetPort上，最后进入容器。

4)containerPort

containerPort是pod内部容器的端口，targetPort映射到containerPort。

k8S服务发现

Service代理模式

k8s群集中的每个节点都运行一个kube-proxy的组件，kube-proxy其实是一个代理层负责实现service。

Kubernetes v1.2之前默认是userspace,v1.2之后默认是iptables模式,iptables模式性能和可靠性更好,但是iptables模式依赖健康检查,在没有健康检查的情况下如果一个pod不响应,iptables模式不会切换另一个pod上。

1)userspace模式

客户端访问ServiceIP(clusterIP)请求会先从用户空间到内核中的iptables，然后回到用户空间kube-proxy，kube-proxy负责代理工作。

缺点：

可见，userspace这种mode最大的问题是，service的请求会先从用户空间进入内核iptables，然后再回到用户空间，由kube-proxy完成后端Endpoints的选择和代理工作，这样流量从用户空间进出内核带来的性能损耗是不可接受的。这也是k8s v1.0及之前版本中对kube-proxy质疑最大的一点，因此社区就开始研究iptables mode。

详细工作流程：

userspace这种模式下，kube-proxy 持续监听 Service 以及 Endpoints 对象的变化；对每个 Service，它都为其在本地节点开放一个端口，作为其服务代理端口；发往该端口的请求会采用一定的策略转发给与该服务对应的后端 Pod 实体。kube-proxy 同时会在本地节点设置 iptables 规则，配置一个 Virtual IP，把发往 Virtual IP 的请求重定向到与该 Virtual IP 对应的服务代理端口上。其工作流程大体如下:

【分析】该模式请求在到达 iptables 进行处理时就会进入内核，而 kube-proxy 监听则是在用户态, 请求就形成了从用户态到内核态再返回到用户态的传递过程, 一定程度降低了服务性能。

2)iptables模式（默认模式）

该模式完全利用内核iptables来实现service的代理和LB, 这是K8s在v1.2及之后版本默认模式工作原理如下:

iptables mode因为使用iptable NAT来完成转发，也存在不可忽视的性能损耗。另外，如果集群中存在上万的Service/Endpoint，那么Node上的iptables rules将会非常庞大，性能还会再打折扣。这也导致目前大部分企业用k8s上生产时，都不会直接用kube-proxy作为服务代理，而是通过自己开发或者通过Ingress Controller来集成HAProxy, Nginx来代替kube-proxy。

详细工作流程：

iptables 模式与 userspace 相同，kube-proxy 持续监听 Service 以及 Endpoints 对象的变化；但它并不在本地节点开启反向代理服务，而是把反向代理全部交给 iptables 来实现；即 iptables 直接将对 VIP 的请求转发给后端 Pod，通过 iptables 设置转发策略。其工作流程大体如下:

【分析】该模式相比 userspace 模式，克服了请求在用户态-内核态反复传递的问题，性能上有所提升，但使用 iptables NAT 来完成转发，存在不可忽视的性能损耗，而且在大规模场景下，iptables 规则的条目会十分巨大，性能上还要再打折扣。

3)ipvs模型

在kubernetes 1.8以上的版本中，对于kube-proxy组件增加了除iptables模式和用户模式之外还支持ipvs模式。kube-proxy ipvs 是基于 NAT 实现的，通过ipvs的NAT模式，对访问k8s service的请求进行虚IP到POD IP的转发。当创建一个 service 后，kubernetes 会在每个节点上创建一个网卡，同时帮你将 Service IP(VIP) 绑定上，此时相当于每个 Node 都是一个 ds，而其他任何 Node 上的 Pod，甚至是宿主机服务(比如 kube-apiserver 的 6443)都可能成为 rs；

详细工作流程：

与iptables、userspace 模式一样，kube-proxy 依然监听Service以及Endpoints对象的变化, 不过它并不创建反向代理, 也不创建大量的 iptables 规则, 而是通过netlink 创建ipvs规则，并使用k8s Service与Endpoints信息，对所在节点的ipvs规则进行定期同步; netlink 与 iptables 底层都是基于 netfilter 钩子，但是 netlink 由于采用了 hash table 而且直接工作在内核态，在性能上比 iptables 更优。其工作流程大体如下:

【分析】ipvs 是目前 kube-proxy 所支持的最新代理模式，相比使用 iptables，使用 ipvs 具有更高的性能。

Service负载均衡策略

ClusterIP (默认策略):

Service会获取一个仅集群内部可访问的虚拟IP（ClusterIP），kube-proxy组件根据Service定义的SessionAffinity（如启用）和负载均衡策略将请求转发到后端Pod池。

Round Robin:

默认的负载均衡策略是轮询（Round Robin），kube-proxy会按顺序将请求均匀地分配给后端Pod。

Session Affinity (Client IP):

如您之前所述，可以通过设置sessionAffinity: ClientIP来实现基于客户端IP地址的会话保持。这意味着从同一个客户端IP发起的连续请求会被路由至同一后端Pod，直到会话超时或Pod不再可用。

Session Affinity (cookie):

Kubernetes 1.8版本及更高版本支持基于cookie的会话亲和性，这允许通过HTTP cookie来维持客户端会话与后端Pod的连接。

Headless Service:

不提供ClusterIP的服务类型，它返回Pods的Endpoints列表而不做负载均衡，客户端可以直接与Pod通信。

NodePort:

在每个节点上开启特定端口，让外部能够直接通过这个端口访问Service，负载均衡由kube-proxy在同一节点上的Pod间执行或者由外部负载均衡器完成。

LoadBalancer:

如果云提供商支持，可以创建一个外部负载均衡器资源，它将暴露服务到公网，并根据配置的负载均衡策略将流量分发到各个Pod。

ExternalName:

这种类型的服务不直接指向集群中的Pod，而是解析为一个外部DNS名称。

IPVS (IP Virtual Server) 转发模式:

在kube-proxy中，可以配置使用IPVS作为代理模式以替换iptables，IPVS提供了更高效的负载均衡算法和更强的网络功能。