kubernets kube-proxy的代理 iptables和ipvs

时间：2021-07-26 17:00:01 收藏：0 阅读：0

一、service和iptables的关系

service 的代理是 kube-proxy

kube-proxy 运行在所有节点上，它监听 apiserver 中 service 和 endpoint 的变化情况，创建路由规则以提供服务 IP 和负载均衡功能。简单理解此进程是Service的透明代理兼负载均衡器，其核心功能是将到某个Service的访问请求转发到后端的多个Pod实例上，而kube-proxy底层又是通过iptables和ipvs实现的。

iptables原理

Kubernetes从1.2版本开始，将iptables作为kube-proxy的默认模式。iptables模式下的kube-proxy不再起到Proxy的作用，其核心功能：通过API Server的Watch接口实时跟踪Service与Endpoint的变更信息，并更新对应的iptables规则，Client的请求流量则通过iptables的NAT机制“直接路由”到目标Pod。

ipvs原理

IPVS在Kubernetes1.11中升级为GA稳定版。IPVS则专门用于高性能负载均衡，并使用更高效的数据结构（Hash表），允许几乎无限的规模扩张，因此被kube-proxy采纳为最新模式。

在IPVS模式下，使用iptables的扩展ipset，而不是直接调用iptables来生成规则链。iptables规则链是一个线性的数据结构，ipset则引入了带索引的数据结构，因此当规则很多时，也可以很高效地查找和匹配。

可以将ipset简单理解为一个IP（段）的集合，这个集合的内容可以是IP地址、IP网段、端口等，iptables可以直接添加规则对这个“可变的集合”进行操作，这样做的好处在于可以大大减少iptables规则的数量，从而减少性能损耗。

kube-proxy ipvs和iptables的异同

iptables与IPVS都是基于Netfilter实现的，但因为定位不同，二者有着本质的差别：iptables是为防火墙而设计的；IPVS则专门用于高性能负载均衡，并使用更高效的数据结构（Hash表），允许几乎无限的规模扩张。

与iptables相比，IPVS拥有以下明显优势：

为大型集群提供了更好的可扩展性和性能；
支持比iptables更复杂的复制均衡算法（最小负载、最少连接、加权等）；
支持服务器健康检查和连接重试等功能；
可以动态修改ipset的集合，即使iptables的规则正在使用这个集合。

技术图片

二、k8s集群中分析service和kube-proxy

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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。

# kubectl logs kube-proxy-5clwf -n kube-system （查看某一个节点的kube-proxy日志）

W1014 13:25:02.120810       1 server_others.go:559] Unknown proxy mode"", assuming iptables proxy
I1014 13:25:02.137813       1 node.go:136] Successfully retrieved node IP: 192.168.40.133
I1014 13:25:02.137952       1 server_others.go:186] Using iptables Proxier.
I1014 13:25:02.138750       1 server.go:583] Version: v1.18.0
I1014 13:25:02.139344       1 conntrack.go:100] Set sysctl‘net/netfilter/nf_conntrack_max‘ to 131072

# iptables -vnL 查看所有的规则

Chain INPUT (policy ACCEPT 19577 packets, 3755K bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination        
 622K  121M cali-INPUT  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0           /* cali:Cz_u1IQiXIMmKD4c */
 3017  162K KUBE-SERVICES  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ctstate NEW/* kubernetes service portals */
 3017  162K KUBE-EXTERNAL-SERVICES  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ctstate NEW/* kubernetes externally-visible service portals */
 652K  140M KUBE-FIREWALL  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0  

# iptables-save > iptables 保存规则，并输出到屏幕

:cali-OUTPUT - [0:0]
:cali-PREROUTING - [0:0]
:cali-from-host-endpoint - [0:0]
:cali-to-host-endpoint - [0:0]
-A PREROUTING -m comment --comment"cali:6gwbT8clXdHdC1b1" -j cali-PREROUTING
-A OUTPUT -m comment --comment"cali:tVnHkvAo15HuiPy0" -j cali-OUTPUT

第一步：接收流量

NodePort访问入口规则：

# kubectl get svc
NAME          TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes    ClusterIP   10.96.0.1        <none>        443/TCP        78d
mydb          ClusterIP   10.108.118.149   <none>        80/TCP         50d
nginx-dns     NodePort    10.103.206.148   <none>        80:30296/TCP   49d
web-service   NodePort    10.111.113.171   <none>        80:32681/TCP   49d
web1          NodePort    10.110.180.143   <none>        80:30746/TCP   12h
 
# iptables -S -t nat  | grep 30746
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment"default/web1:" -m tcp --dport 30746 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment"default/web1:" -m tcp --dport 30746 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL

CLUSTER-IP 访问入口规则：

# iptables -S -t nat  | grep 10.110.180.143 （cluster IP）
-A KUBE-SERVICES ! -s 10.244.0.0/16 -d 10.110.180.143/32 -p tcp -m comment --comment"default/web1: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SERVICES -d 10.110.180.143/32 -p tcp -m comment --comment"default/web1: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL

第二步：按概率（probability）分配

（web1有3个pod副本，负载规则如下）

# iptables -S -t nat  | grep KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-N KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment"default/web1:" -m tcp --dport 30746 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-A KUBE-SERVICES -d 10.110.180.143/32 -p tcp -m comment --comment"default/web1: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment"default/web1:" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-IXSCGLPBJ6ROUJNA
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment"default/web1:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP  （概论大，因为有两个pod在同一节点）
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment"default/web1:" -j KUBE-SEP-DHYUVI6YLCFCEZBW

第三步：根据分配转发到实际pod中

# kubectl get ep
NAME          ENDPOINTS                                             AGE
kubernetes    192.168.40.132:6443                                   78d
nginx-dns     10.244.166.145:80                                     49d
web-service   10.244.166.139:80                                     49d
web1          10.244.104.9:80,10.244.166.140:80,10.244.166.146:80   12h
 
# iptables -S -t nat  | grep KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP
-N KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP
-A KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP -s 10.244.166.140/32 -m comment --comment"default/web1:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP -p tcp -m comment --comment"default/web1:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.166.140:80（ep，到达某一节点的具体pod中）
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment"default/web1:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP

三、kube-proxy 工作原理

kube-proxy当前实现了三种代理模式：userspace, iptables, ipvs

（1）userspace mode: userspace是在用户空间，通过kube-proxy来实现service的代理服务

（2）iptables mode, 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

技术图片

API Server 对内（集群中的其他组件）和对外（用户）提供统一的 REST API，其他组件均通过 API Server 进行通信

Controller Manager、Scheduler、Kube-proxy 和 Kubelet 等均通过 API Server watch API 监测资源变化情况，并对资源作相应的操作

（3）ipvs mode. 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；

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:

技术图片

k8s的service和endpoine是如何关联和相互影响的？
1、 api-server创建service对象，与service绑定的pod地址：称之为endpoints（kubectl get ep可以查看）
2、服务发现方面：kube-proxy监控service后端endpoint的动态变化，并且维护service和endpoint的映射关系

kubernetes服务注册（dns），服务发现是service

http://www.dockone.io/article/9936 有详细讲解

Kubernetes提供了两种方式进行服务发现, 即环境变量和DNS

（1）环境变量：当你创建一个Pod的时候，kubelet会在该Pod中注入集群内所有Service的相关环境变量。需要注意: 要想一个Pod中注入某个Service的环境变量，则必须Service要先比该Pod创建。这一点，几乎使得这种方式进行服务发现不可用。比如，一个ServiceName为redis-master的Service，对应的ClusterIP:Port为172.16.50.11:6379，则其对应的环境变量为:

REDIS_MASTER_SERVICE_HOST=172.16.50.11
REDIS_MASTER_SERVICE_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT=tcp://172.16.50.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP=tcp://172.16.50.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PROTO=tcp
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_ADDR=172.16.50.11

（2）DNS：这是k8s官方强烈推荐的方式!!! 可以通过cluster add-on方式轻松的创建KubeDNS来对集群内的Service进行服务发现。

四、修改kube-proxy模式为ipvs（默认为iptables）

1、加载内核模块

# lsmod | grep ip_vs

ip_vs_sh               12688  0
ip_vs_wrr              12697  0
ip_vs_rr               12600  0
ip_vs                 145497  6 ip_vs_rr,ip_vs_sh,ip_vs_wrr
nf_conntrack          139264  7 ip_vs,nf_nat,nf_nat_ipv4,xt_conntrack,nf_nat_masquerade_ipv4,nf_conntrack_netlink,nf_conntrack_ipv4
libcrc32c              12644  4 xfs,ip_vs,nf_nat,nf_conntrack

2、升级内核模块，ipvs对内核版本有要求

yum update -y

3、查看kube-proxy组件

# kubectl get pod -n kube-system 
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kube-proxy-5clwf                           1/1     Running   29         78d
kube-proxy-ht25x                           1/1     Running   30         78d
kube-proxy-x9ml8                           1/1     Running   30         78d
kube-scheduler-master                      1/1     Running   49         78d
metrics-server-584b5f4754-7vlhm            1/1     Running   56         78d

4、产看kube-proxy的配置文件configmaps

# kubectl get configmaps  -n kube-system 
NAME                                 DATA   AGE
calico-config                        4      78d
coredns                              1      78d
extension-apiserver-authentication   6      78d
kube-proxy                           2      78d
kubeadm-config                       2      78d
kubelet-config-1.18                  1      78d

5、编辑kube-proxy的configmaps

# kubectl edit  configmaps  kube-proxy -n kube-system
mode"ipvs"
 
删除旧的kube-proxy,kubelet自动重新拉起，应用ipvs
# kubectl delete pod   kube-proxy-x9ml8   -n kube-system 
pod"kube-proxy-x9ml8" deleted
[root@master ~]# kubectldelete pod   kube-proxy-ht25x   -n kube-system 
pod"kube-proxy-ht25x" deleted
 
# kubectl logs kube-proxy-4cnbn  -n kube-system
I1015 14:03:08.402147       1 node.go:136] Successfully retrieved node IP: 192.168.40.132
I1015 14:03:08.402259       1 server_others.go:259] Using ipvs Proxier.
W1015 14:03:08.402618       1 proxier.go:429] IPVS scheduler not specified, use rr bydefault

6、安装ipvsadm

# yum install -y ipvsadm.x86_64
 
# ipvsadm -L -n
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  127.0.0.1:30564 rr  （轮询规则）
  -> 10.244.104.36:8080           Masq    1      0          0        
  -> 10.244.166.147:8080          Masq    1      0          0        
TCP  127.0.0.1:32618 rr
  -> 10.244.104.20:80             Masq    1      0          0        
TCP  172.17.0.1:30564 rr
  -> 10.244.104.36:8080           Masq    1      0          0   

7、系统生成虚拟网卡kube-ipvs0

#  ip a
6: kube-ipvs0: <BROADCAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN groupdefault
    link/ether a2:09:a4:9d:fb:f8 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.110.180.143/32 brd 10.110.180.143 scope global kube-ipvs0
       valid_lft forever preferred_lft forever
inet 10.110.180.143/32专门用于接收svc web1的请求

8、svc的流量被ipvs分发

# kubectl get svc
NAME          TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
web1          NodePort    10.110.180.143   <none>        80:30746/TCP   23h
 
# curl  10.110.180.143
...
<title>Welcome to nginx!</title>
...
 
# kubectl get ep
NAME          ENDPOINTS                                              AGE
kubernetes    192.168.40.132:6443                                    78d
web1          10.244.104.15:80,10.244.166.143:80,10.244.166.148:80   23h
 
ipvs捕捉到svc的流量
# ipvsadm -L -n
TCP  10.110.180.143:80 rr
  -> 10.244.104.15:80             Masq    1      0          0        
  -> 10.244.166.143:80            Masq    1      0          0        
  -> 10.244.166.148:80            Masq    1      0          1  