一文搞懂 Kubernetes 中的负载均衡

蔡蔡菜2024-01-15 10:59

TL;DR: 文章主要涵盖了 Kubernetes 中的服务负载均衡，重点包括 kube-proxy、iptables、IPVS 的实现。

Kubernetes Service中的负载均衡

Kubernetes Service 并不是真实存在的， 没有进程监听Service的 IP 地址和端口。

可以通过访问 Kubernetes 集群中的任何节点并执行 netstat -ntlp 来检查是否存在这种情况，连IP地址都找不到。

Service的 IP 地址由控制器管理器中的控制平面(control plane)分配并存储在数据库(etcd)中，然后另一个组件kube-proxy使用相同的 IP 地址。

Kube-proxy 读取所有Service 的 IP 地址列表，并在每个节点中写入 iptables 规则的集合。 这些规则的意思是："如果看到此服务 IP 地址，请重写请求并选择其中一个 Pod 作为目的地"。 Service IP 地址仅用作占位符 --- 这就是没有进程监听该 IP 地址或端口的原因。

iptables 是轮询吗？ 答案是否定的，iptables 主要用于防火墙，它不是为负载均衡而设计的。

但是我们可以制定一组智能规则，使 iptables 的行为类似于负载均衡器。 这正是 Kubernetes 中使用的情况。

如果你有三个 Pod，kube-proxy 会编写以下规则： 选择 Pod 1 作为目的地的可能性为 33%。否则，转到下一条规则 选择 Pod 2 作为目的地的概率为 50%。否则，转到以下规则 选择 Pod 3 作为目的地（无概率） 复合概率是 Pod 1、Pod 2 和 Pod 3 都有三分之一的机会（33%）被选中。

实现的整体流程

  1. 增加了一个Service或者Pod，则使用informer通知 dnsController，通过CoreDNS做服务注册，注册后informer也通知kube-proxy写入到IPVS/iptables 中

  2. 当一个请求过来之后，通过DNS查询来发现Service/Pod

  3. Kube-proxy 通过 ipvs/iptables 的规则来重写Service的目的地址，实现负载均衡。

kube-proxy 的实现

kube-proxy 以 daemonSet的形式运行在集群中，维护每个节点的iptables信息。

ProxyServer

kube-proxy 通过命令行启动后，构建ProxyServer，这里默认策略是Iptables ，所以我们重点看构建出来的 iptables.Proxier

go 复制代码 
func newProxyServer(config *kubeproxyconfig.KubeProxyConfiguration, master string, initOnly bool) (*ProxyServer, error) {
	s := &ProxyServer{Config: config}
	
	s.Proxier, err = s.createProxier(config, dualStackSupported, initOnly)
}

func (s *ProxyServer) createProxier(config *proxyconfigapi.KubeProxyConfiguration, dualStack, initOnly bool) (proxy.Provider, error) {
	if config.Mode == proxyconfigapi.ProxyModeIPTables {
		if dualStack {
			proxier, err = iptables.NewDualStackProxier()
		} else {
			proxier, err = iptables.NewProxier()
		}
	} else if config.Mode == proxyconfigapi.ProxyModeIPVS {

		if dualStack {
			proxier, err = ipvs.NewDualStackProxier()
		} else {
			proxier, err = ipvs.NewProxier()
		}
	}
	return proxier, nil
}

构建完成后，通过 Run() 方法启动服务监听，通过 informer 获取到服务最新的 Service 和 Endpoints ，并注册 EventHandler 来进行更新处理

go 复制代码 
func (s *ProxyServer) Run() error {
	informerFactory := informers.NewSharedInformerFactoryWithOptions(s.Client, s.Config.ConfigSyncPeriod.Duration,
		informers.WithTweakListOptions(func(options *metav1.ListOptions) {
			options.LabelSelector = labelSelector.String()
		}))
	// 监听Service的变化
	serviceConfig := config.NewServiceConfig(informerFactory.Core().V1().Services(), s.Config.ConfigSyncPeriod.Duration)
	serviceConfig.RegisterEventHandler(s.Proxier)
	go serviceConfig.Run(wait.NeverStop)

	// 监听endPoints的变化
	endpointSliceConfig := config.NewEndpointSliceConfig(informerFactory.Discovery().V1().EndpointSlices(), s.Config.ConfigSyncPeriod.Duration)
	endpointSliceConfig.RegisterEventHandler(s.Proxier)
	go endpointSliceConfig.Run(wait.NeverStop)

	go s.Proxier.SyncLoop()

	return err
}

// 上面注册的Service Event Handler
func (proxier *Proxier) OnServiceAdd(service *v1.Service) {
	proxier.OnServiceUpdate(nil, service)
}

func (proxier *Proxier) OnServiceUpdate(oldService, service *v1.Service) {
	if proxier.serviceChanges.Update(oldService, service) && proxier.isInitialized() {
		proxier.Sync()
	}
}

func (proxier *Proxier) OnServiceDelete(service *v1.Service) {
	proxier.OnServiceUpdate(service, nil)
}

Proxier

具体干活的是 proixer ，构建出来后就会启动同步循环，负责更新endpointsMap和 svcPortMap

go 复制代码 
func NewProxier()(*Proxier, error){
	proxier.syncRunner = async.NewBoundedFrequencyRunner("sync-runner", proxier.syncProxyRules, minSyncPeriod, time.Hour, burstSyncs)
}

// 启动同步循环
func (proxier *Proxier) SyncLoop() {
	proxier.syncRunner.Loop(wait.NeverStop)
}

// BoundedFrequencyRunner 负责周期性执行任务或者是收到run信号后执行
func (bfr *BoundedFrequencyRunner) Loop(stop <-chan struct{}) {
	klog.V(3).Infof("%s Loop running", bfr.name)
	bfr.timer.Reset(bfr.maxInterval)
	for {
		select {
		case <-stop:
			bfr.stop()
			klog.V(3).Infof("%s Loop stopping", bfr.name)
			return
		case <-bfr.timer.C():
			bfr.tryRun()
		case <-bfr.run:
			bfr.tryRun()
		case <-bfr.retry:
			bfr.doRetry()
		}
	}
}

func (bfr *BoundedFrequencyRunner) Run() {
	select {
	case bfr.run <- struct{}{}:
	default:
	}
}

// 详细更新逻辑可以查看这个方法的代码，ipvs和 Iptables都有各自维护自己表信息的逻辑，都是执行命令进行更新维护
func (proxier *Proxier) syncProxyRules(){}

proxy.EndpointsMap 中就定义了ServicePortName的名字 map[ServicePortName][]Endpoint ， 所以在更新的时候可以找到所有后端能提供服务的 endpoints

我们了解了 kube-proxy 如何维护 iptables之后，接下来来看看iptables 具体如何实现负载均衡的

通过一张图我们来回顾一下整个流程

我们通过ipvs proxier的实现类图，可以看到最终也是通过命令来执行规则的维护变更，这里不展开看代码，有兴趣的看 pkg/proxy/ipvs 或者 pkg/proxy/iptables包下代码继续深入了解

我们了解了 kube-proxy 如何维护 iptables之后，接下来来看看iptables 具体如何实现负载均衡的

iptables 实现负载均衡

netfilter 是真正的防火墙框架，位于内核空间中，iptables 用于操作 netfilter这个内核框架 ，netfilter / iptables 组成了Linux下的包过滤防火墙。

数据包经过防火墙实际上是经过了一组规则，匹配条件 和动作形成了一组规则。

不同阶段会有不同的链，如：PREROUTING、FORWARD、POSTROUTING

每条链上有多组规则，只要命中匹配条件，就会执行相应的动作。如匹配到Service目的地址是 10.244.10.1 就进行地址转换的动作。

iptables 动作有如下：

  • ACCEPT：允许数据包通过。
  • DROP：直接丢弃数据包，不给任何回应信息，这时候客户端会感觉自己的请求泥牛入海了，过了超时时间才会有反应。
  • REJECT：拒绝数据包通过，必要时会给数据发送端一个响应的信息，客户端刚请求就会收到拒绝的信息。
  • SNAT：源地址转换，解决内网用户用同一个公网地址上网的问题。
  • MASQUERADE：是SNAT的一种特殊形式，适用于动态的、临时会变的ip上。
  • DNAT：目标地址转换。
  • REDIRECT：在本机做端口映射。
  • LOG：在/var/log/messages文件中记录日志信息，然后将数据包传递给下一条规则，也就是说除了记录以外不对数据包做任何其他操作，仍然让下一条规则去匹配。

每条链上有一串规则，有些规则很相似，我们希望能够放在一起的话也会更方便管理，所以把规则的集合抽象成了表。

filter表：负责过滤功能，防火墙；内核模块：iptables_filter
nat表：network address translation，网络地址转换功能；内核模块：iptable_nat

mangle表：拆解报文，做出修改，并重新封装 的功能；iptable_mangle

raw表：关闭nat表上启用的连接追踪机制；iptable_raw

分离表和链的设计使得 iptables 更加灵活，能够根据需要对不同类型的数据包采取不同的处理方式。

数据包经过iptables 流程图如下：

由于地址的转发主要用到了 NAT （网络地址转化），我们重点来关注 nat 表

环境准备

使用 kubectl 创建出对应的资源 ，yaml文件如下：

yaml 复制代码 
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: nginx-test
---

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  namespace: nginx-test
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:1.14.2
          ports:
            - containerPort: 80
---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
  namespace: nginx-test
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 80 # nginx pod 对应的端口

---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service-np
  namespace: nginx-test
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 80 # nginx pod 对应的端口
      nodePort: 36666 # 暴露的端口

提交后创建出来的信息如下：

  • Service ClusterIP：10.104.60.209
  • Service NodePort的ClusterIp: 10.104.122.7
  • nginx pod的三个ip地址：10.244.1.3:80, 10.244.2.234:80, 10.244.2.235:80

外部访问的NodePort的包会经过的数据链为：PREROUTING、FORWARD、POSTROUTING

通过命令行可以查看 nat 表的规则

iptables结果列说明
pkts (packets) : 代表已经匹配的数据包数量。这个字段显示有多少个数据包符合规则。
bytes : 代表已经匹配的数据包的总字节数。这个字段显示了规则匹配的数据包总共有多少字节。
target : 代表规则匹配后采取的动作。可能的值包括 ACCEPT（允许通过）、DROP（丢弃数据包）、RETURN（返回上一层处理）等。
prot (protocol) : 代表规则所应用的网络协议。可能的值包括 tcp、udp、icmp 等，也可以是 all 表示匹配所有协议。
opt (options) : 代表附加选项，显示特定规则的其他设置或条件。
in (input) : 代表数据包进入防火墙的网络接口。
out (output) : 代表数据包离开防火墙的网络接口。
source : 代表规则匹配的数据包的源地址或地址范围。
destination : 代表规则匹配的数据包的目标地址或地址范围。

首先查看 PREROUTING的链

shell 复制代码 
$ iptables -h 
# --list    -L [chain [rulenum]] List the rules in a chain or all chains 列出所有规则
# --numeric     -n              numeric output of addresses and ports 将地址和端口数字化，方便我们查看

$ iptables -nvL PREROUTING -t nat # 查看PREROUTING的链
Chain PREROUTING (policy ACCEPT 0 packets, 0 bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
 224M   14G KUBE-SERVICES  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */
 224M   14G DOCKER     all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ADDRTYPE match dst-type LOCAL

$ iptables -nvL KUBE-SERVICES -t nat # 查看 KUBE_SERVICES的链 ，这里可以看到我们上面的两个Service 规则 
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
		0     0 KUBE-MARK-MASQ  tcp  --  *      *      !10.244.0.0/16        10.104.60.209        /* nginx-test/nginx-service:http cluster IP */ tcp dpt:80
    0     0 KUBE-SVC-JLLMT4ARS7XWDBFY  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            10.104.60.209        /* nginx-test/nginx-service:http cluster IP */ tcp dpt:80
    0     0 KUBE-MARK-MASQ  tcp  --  *      *      !10.244.0.0/16        10.104.122.7         /* nginx-test/nginx-service-np:http cluster IP */ tcp dpt:80
    0     0 KUBE-SVC-D66WLXX5FKD63X4W  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            10.104.122.7         /* nginx-test/nginx-service-np:http cluster IP */ tcp dpt:80

$ iptables -nvL KUBE-NODEPORTS -t nat |grep nginx # 查看NodePort规则的链
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    2   104 KUBE-MARK-MASQ  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */ tcp dpt:36666
    2   104 KUBE-SVC-D66WLXX5FKD63X4W  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */ tcp dpt:36666

$ iptables -nvL KUBE-MARK-MASQ -t nat # 这里我们看到它只有一条规则，使用mark命令，对数据包设置标记 0x4000，在KUBE-POSTROUTING链上有MARK标记的数据包进行一次MASQUERADE，即**SNAT，会用节点ip替换源ip地址。**
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    5   284 MARK       all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

$ iptables -nvL KUBE-SVC-D66WLXX5FKD63X4W -t nat # NodePort描述的Service，自定义的KUBE-SVC-D66WLXX5FKD63X4链通过概率实现了负载均衡
Chain KUBE-SVC-D66WLXX5FKD63X4W (2 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    1    52 KUBE-SEP-SPX6SLDO7E3RZ3D6  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */ statistic mode random probability 0.33333333349
    0     0 KUBE-SEP-D67LAGTWHT6R6X4R  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */ statistic mode random probability 0.50000000000
    1    52 KUBE-SEP-FKVKJM7KELS26OUG  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */

# 任意选取一条链进行查看，执行的动作是 DNAT，即目的地址的转换，将Service 的地址转换成具体 Pod的地址。
$ iptables -nvL KUBE-SEP-SPX6SLDO7E3RZ3D6 -t nat 
Chain KUBE-SEP-SPX6SLDO7E3RZ3D6 (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 KUBE-MARK-MASQ  all  --  *      *       10.244.1.3           0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */
    1    52 DNAT       tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */ tcp to:10.244.1.3:80

$ iptables -nvL KUBE-SEP-D67LAGTWHT6R6X4R -t nat
Chain KUBE-SEP-D67LAGTWHT6R6X4R (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 KUBE-MARK-MASQ  all  --  *      *       10.244.2.234         0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */
    0     0 DNAT       tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */ tcp to:10.244.2.234:80

$ iptables -nvL KUBE-SEP-FKVKJM7KELS26OUG -t nat
Chain KUBE-SEP-FKVKJM7KELS26OUG (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 KUBE-MARK-MASQ  all  --  *      *       10.244.2.235         0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */
    0     0 DNAT       tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* nginx-test/nginx-service-np:http */ tcp to:10.244.2.235:80

在经过了PREROUTING链后，接下来会判断目的ip地址不是本机的ip地址，如果不是，则接下来会经过FORWARD链。在FORWARD链上，仅做了一件事情，就是将前面打了0x4000的数据包允许转发。

shell 复制代码 
$ iptables -nvL FORWARD
Chain FORWARD (policy DROP 0 packets, 0 bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
 203M  222G KUBE-FORWARD  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes forwarding rules */
   66  3600 KUBE-SERVICES  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ctstate NEW /* kubernetes service portals */

$ iptables -nvL KUBE-FORWARD # 标记 0x4000 的则接收 
Chain KUBE-FORWARD (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 DROP       all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ctstate INVALID
    0     0 ACCEPT     all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes forwarding rules */ mark match 0x4000/0x4000
12201   15M ACCEPT     all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes forwarding conntrack pod source rule */ ctstate RELATED,ESTABLISHED
    0     0 ACCEPT     all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes forwarding conntrack pod destination rule */ ctstate RELATED,ESTABLISHED

最后处理结束后，POSTROUTING 会对数据包做一次 SNAT ，从而客户端拿不到Service的真实地址

shell 复制代码 
$ iptables -nvL POSTROUTING -t nat # 可以看到查看 KUBE-POSTROUTING的链
Chain POSTROUTING (policy ACCEPT 0 packets, 0 bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
  22M 1354M KUBE-POSTROUTING  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes postrouting rules */
   19  1176 MASQUERADE  all  --  *      !docker0  172.17.0.0/16        0.0.0.0/0
  22M 1339M FLANNEL-POSTRTG  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* flanneld masq */

$ iptables -nvL KUBE-POSTROUTING -t nat # 查看到去除了0x4000的标记，并且对数据包执行 MASQUERADE 操作，即SNAT，会用节点ip替换源ip地址。
Chain KUBE-POSTROUTING (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
 4098  251K RETURN     all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            mark match ! 0x4000/0x4000
    8   480 MARK       all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK xor 0x4000
    8   480 MASQUERADE  all  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */ random-fully

SNAT 依赖 conntrack 记录的信息，将Service的地址重新替换回来，然后进行回包。另外这里如果不做MASQUERADE，流量发到目的的pod后，pod回包时目的地址为发起端的源地址，而发起端的源地址很可能是在k8s集群外部的，此时pod发回的包是不能回到发起端的。

至此一个数据包经过iptables实现了负载均衡，我们用以下图来进行总结：

iptables也存在比较明显的缺点：

  1. iptables规则特别乱，一旦出现问题非常难以排查
  2. 由于iptables规则是串行执行，算法复杂度为O(n)，一旦iptables规则多了后，性能将非常差。
  3. iptables规则提供的负载均衡功能非常有限，不支持较为复杂的负载均衡算法。

所以有了IPVS来对这些缺点进行弥补。

IPVS

详细的内容可以参考 ：github.com/kubernetes/...

IPVS（IP 虚拟服务器）实现传输层负载均衡，作为 Linux 内核的一部分。

IPVS模式与IPTABLES模式的区别如下：

  • IPVS 为大型集群提供了更好的可扩展性和性能。
  • IPVS 支持比 IPTABLES 更复杂的负载平衡算法（最小负载、最少连接、局部性、加权等）。
  • IPVS支持服务器健康检查、连接重试等。

IPVS proxier 使用 IPTABLES 进行数据包过滤、SNAT 。具体来说，IPVS proxier 将使用 ipset 来存储需要 DROP 或需要进行SNAT的流量，以确保 IPTABLES 规则的数量恒定，无论我们有多少服务，如果没有ipvs，每一个Service都会有相应的转发规则，大集群下性能会变差。

恭喜！至此我们已经学习了短连接的负载均衡，下一篇文章我会带大家看看长连接的负载均衡。

Reference

  1. learnk8s.io/kubernetes-...
  2. learnk8s.io/etcd-kubern...
  3. etcd.io/docs/v3.5/l...
  4. xigang.github.io/2019/07/21/...
  5. nigelpoulton.com/demystifyin...
  6. github.com/coredns/cor...
  7. 源码相关内容
    1. kube-proxy 源码分析： xiaorui.cc/archives/73...
    2. informer 源码分析： xiaorui.cc/archives/73...
    3. shareInformer源码分析：xiaorui.cc/archives/73...
    4. coredns ：github.com/rfyiamcool/...
    5. CNI flannel: github.com/rfyiamcool/...
  8. github.com/kubernetes/...
  9. iptables
    1. 概念介绍：www.zsythink.net/archives/11...
    2. 动作 DNAT和SNAT：www.zsythink.net/archives/17...
    3. 让iptables 配置的像负载均衡器：scalingo.com/blog/iptabl...
    4. conntrack 实现 ：arthurchiao.art/blog/conntr...
    5. iptables 规则分析：kuring.me/post/kube-p...
  10. ipvs: www.linuxvirtualserver.org/software/ip...
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