Kubernetes基础(二十一)-k8s的服务发现机制

1 概述

Kubernetes（K8s）是一个强大的容器编排平台，提供了丰富的功能来简化容器化应用的管理。其中之一重要的特性就是服务发现机制，它使得应用程序能够在K8s集群中动态地发现和访问其他服务。本文将深入研究K8s中的服务发现机制，探讨其原理、使用方法以及通过详细的示例演示其工作过程。

1.1 什么是服务发现？

服务发现是指系统中的各个组件如何找到并与彼此通信的过程。在容器编排平台中，服务发现变得尤为重要，因为容器化应用通常包含多个微服务，它们可能会以动态的方式进行扩展或缩减。服务发现机制允许这些微服务相互发现和通信，从而构建了弹性、可伸缩的应用。

Kubernetes通过一系列核心对象和机制提供了强大的服务发现功能，使得容器能够在集群中自动发现其他服务，而不需要硬编码服务的地址和端口。

1.2 Kubernetes服务发现的核心对象

在Kubernetes中，服务发现主要通过以下几个核心对象实现：

1.2.1 Service（服务）

Service是K8s中用于定义服务的对象，它为一组Pod提供一个稳定的网络入口，通过标签选择器将流量引导到这些Pod。Service的IP地址和端口是稳定的，其他服务可以通过该IP地址和端口访问服务。例如：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: backend-service
spec:
  selector:
    app: backend
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 8080
      targetPort: 8080

上述Service定义了一个名为backend-service的服务，选择了标签为app=backend的所有Pod，并将流量引导到它们的8080端口。

1.2.2 Endpoint（终端点）

Endpoint是Service背后真实运行应用程序的Pod的地址和端口的集合。K8s通过Endpoints对象动态地管理Service的后端Pod。例如：

kubectl get endpoints backend-service

上述命令的输出可能如下所示：

NAME             ENDPOINTS                     AGE
backend-service   192.168.1.2:8080,192.168.1.3:8080,192.168.1.4:8080   1h

Endpoints列表了与backend-service相关联的Pod的IP地址和端口号。

1.2.3 DNS解析

K8s内置了一个DNS服务，允许在集群内使用域名进行服务发现。Service的名称将映射到DNS中，从而允许其他服务使用该域名来访问服务。例如，在一个Pod中，可以通过backend-service.default.svc.cluster.local来访问上述定义的backend-service。

2 Kubernetes服务发现的工作原理

Kubernetes的服务发现机制工作原理如下：

Pod注册： 当Pod启动时，它会向K8s API服务器注册自己的IP地址和端口号。
Service创建： 创建一个Service对象时，K8s会为该服务分配一个Cluster IP，并为其创建一个DNS记录。
Endpoint更新： K8s通过Label Selector将Service与匹配的Pod关联起来，并更新相应的Endpoints对象。
DNS解析： 其他Pod可以通过Service名称或Endpoint的DNS记录来解析服务的IP地址。

2.1 Kubernetes服务发现测试

为了演示Kubernetes服务发现的工作过程，我们将创建一个简单的Web应用，包含前端（frontend）和后端（backend）服务。

步骤1：定义后端服务

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: backend
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: backend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: backend
    spec:
      containers:
      - name: api-server
        image: my-backend-image:latest
        ports:
        - containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: backend-service
spec:
  selector:
    app: backend
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 8080
      targetPort: 8080

上述YAML文件定义了一个后端服务，包含3个Pod，它们被标记为app=backend。Service对象backend-service将流量引导到这些Pod的8080端口。

步骤2：定义前端服务

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: frontend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: frontend
    spec:
      containers:
      - name: web-server
        image: my-frontend-image:latest
        ports:
        - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: frontend-service
spec:
  selector:
    app: frontend
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80

上述YAML文件定义了一个前端服务，包含3个Pod，它们被标记为app=frontend。Service对象frontend-service将流量引导到这些Pod的80端口。

步骤3：验证服务发现

在一个Pod中，我们可以通过Service名称和DNS解析来访问后端服务。例如，我们可以在前端Pod中发起HTTP请求到后端服务：

kubectl run -i --tty --rm debug --image=alpine --restart=Never -- sh
# 在容器中执行以下命令
apk add curl
curl backend-service.default.svc.cluster.local:8080/api

这个例子演示了在Kubernetes集群中，前端服务通过DNS解析的方式发现并访问了后端服务。

2.2 Kubernetes服务发现的优势

Kubernetes服务发现机制带来了多重优势：

弹性和动态扩展： 服务发现使得新的Pod能够动态地加入或离开服务，而其他服务无需修改配置即可感知这些变化。
解耦服务： 通过Service对象，服务之间的通信不再依赖于具体的IP地址和端口号，而是通过Service名称和DNS解析进行，提高了服务的解耦性。
负载均衡： Service对象自动提供了负载均衡，将流量分发到后端Pod。这有助于确保各个Pod能够均匀地处理请求。
DNS解析： Kubernetes内置了DNS服务，使得在集群内部使用域名进行服务发现变得十分方便。