[K8s]Kubernetes-服务负载均衡联网（上）

Posted 若水三千

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[K8s]Kubernetes-服务负载均衡联网（上）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

服务、负载均衡和联网

Kubernetes 网络解决四方面的问题：

  • 一个 Pod 中的容器之间通过本地回路（loopback）通信。
  • 集群网络在不同 pod 之间提供通信。
  • Service 资源允许你对外暴露 Pods 中运行的应用程序，以支持来自于集群外部的访问。
  • 可以使用 Services 来发布仅供集群内部使用的服务。

使用拓扑键实现拓扑感知的流量路由

FEATURE STATE: Kubernetes v1.21 [deprecated]

说明：
此功能特性，尤其是 Alpha 阶段的 topologyKeys API，在 Kubernetes v1.21 版本中已被废弃。Kubernetes v1.21 版本中引入的拓扑感知的提示, 提供类似的功能。

服务拓扑（Service Topology）可以让一个服务基于集群的 Node 拓扑进行流量路由。例如，一个服务可以指定流量是被优先路由到一个和客户端在同一个 Node 或者在同一可用区域的端点。

拓扑感知的流量路由

默认情况下，发往 ClusterIP 或者 NodePort 服务的流量可能会被路由到服务的任一后端的地址。Kubernetes 1.7 允许将“外部”流量路由到接收到流量的节点上的 Pod。对于 ClusterIP 服务，无法完成同节点优先的路由，你也无法配置集群优选路由到同一可用区中的端点。通过在 Service 上配置 topologyKeys，你可以基于来源节点和目标节点的标签来定义流量路由策略。

通过对源和目的之间的标签匹配，作为集群操作者的你可以根据节点间彼此“较近”和“较远” 来定义节点集合。你可以基于符合自身需求的任何度量值来定义标签。例如，在公有云上，你可能更偏向于把流量控制在同一区内，因为区间流量是有费用成本的，而区内流量则没有。其它常见需求还包括把流量路由到由 DaemonSet 管理的本地 Pod 上，或者把将流量转发到连接在同一机架交换机的节点上，以获得低延时。

使用服务拓扑

如果集群启用了 ServiceTopology 特性门控，你就可以在 Service 规约中设定 topologyKeys 字段，从而控制其流量路由。此字段是 Node 标签的优先顺序字段，将用于在访问这个 Service 时对端点进行排序。流量会被定向到第一个标签值和源 Node 标签值相匹配的 Node。如果这个 Service 没有匹配的后端 Node，那么第二个标签会被使用做匹配，以此类推，直到没有标签。

如果没有匹配到，流量会被拒绝，就如同这个 Service 根本没有后端。换言之，系统根据可用后端的第一个拓扑键来选择端点。如果这个字段被配置了而没有后端可以匹配客户端拓扑，那么这个 Service 对那个客户端是没有后端的，链接应该是失败的。这个字段配置为 "*" 意味着任意拓扑。这个通配符值如果使用了，那么只有作为配置值列表中的最后一个才有用。

如果 topologyKeys 没有指定或者为空，就没有启用这个拓扑约束。

一个集群中，其 Node 的标签被打为其主机名，区域名和地区名。那么就可以设置 Service 的 topologyKeys 的值，像下面的做法一样定向流量了。

  • 只定向到同一个 Node 上的端点，Node 上没有端点存在时就失败：配置 ["kubernetes.io/hostname"]。
  • 偏向定向到同一个 Node 上的端点，回退同一区域的端点上，然后是同一地区，其它情况下就失败：配置 ["kubernetes.io/hostname", "topology.kubernetes.io/zone", "topology.kubernetes.io/region"]。这或许很有用，例如，数据局部性很重要的情况下。
  • 偏向于同一区域，但如果此区域中没有可用的终结点，则回退到任何可用的终结点：配置 ["topology.kubernetes.io/zone", "*"]。

约束条件

  • 服务拓扑和 externalTrafficPolicy=Local 是不兼容的，所以 Service 不能同时使用这两种特性。但是在同一个集群的不同 Service 上是可以分别使用这两种特性的，只要不在同一个 Service 上就可以。

  • 有效的拓扑键目前只有：kubernetes.io/hostname、topology.kubernetes.io/zone 和 topology.kubernetes.io/region，但是未来会推广到其它的 Node 标签。

  • 拓扑键必须是有效的标签，并且最多指定16个。

  • 通配符："*"，如果要用，则必须是拓扑键值的最后一个值。

示例

以下是使用服务拓扑功能的常见示例。

仅节点本地端点

仅路由到节点本地端点的一种服务。如果节点上不存在端点，流量则被丢弃：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
  topologyKeys:
    - "kubernetes.io/hostname"

首选节点本地端点

首选节点本地端点，如果节点本地端点不存在，则回退到集群范围端点的一种服务：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
  topologyKeys:
    - "kubernetes.io/hostname"
    - "*"

仅地域或区域端点

首选地域端点而不是区域端点的一种服务。如果以上两种范围内均不存在端点，流量则被丢弃。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
  topologyKeys:
    - "topology.kubernetes.io/zone"
    - "topology.kubernetes.io/region"

优先选择节点本地端点、地域端点，然后是区域端点

优先选择节点本地端点，地域端点，然后是区域端点，最后才是集群范围端点的一种服务。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
  topologyKeys:
    - "kubernetes.io/hostname"
    - "topology.kubernetes.io/zone"
    - "topology.kubernetes.io/region"
    - "*"

服务

将运行在一组 Pods 上的应用程序公开为网络服务的抽象方法。

使用 Kubernetes，你无需修改应用程序即可使用不熟悉的服务发现机制。Kubernetes 为 Pods 提供自己的 IP 地址，并为一组 Pod 提供相同的 DNS 名，并且可以在它们之间进行负载均衡。

动机

创建和销毁 Kubernetes Pod 以匹配集群状态。Pod 是非永久性资源。如果你使用 Deployment 来运行你的应用程序，则它可以动态创建和销毁 Pod。

每个 Pod 都有自己的 IP 地址，但是在 Deployment 中，在同一时刻运行的 Pod 集合可能与稍后运行该应用程序的 Pod 集合不同。

这导致了一个问题：如果一组 Pod（称为“后端”）为集群内的其他 Pod（称为“前端”）提供功能，那么前端如何找出并跟踪要连接的 IP 地址，以便前端可以使用提供工作负载的后端部分？

进入 Services。

Service 资源

Kubernetes Service 定义了这样一种抽象：逻辑上的一组 Pod，一种可以访问它们的策略 —— 通常称为微服务。Service 所针对的 Pods 集合通常是通过选择算符来确定的。要了解定义服务端点的其他方法，请参阅不带选择算符的服务。

举个例子，考虑一个图片处理后端，它运行了 3 个副本。这些副本是可互换的 —— 前端不需要关心它们调用了哪个后端副本。然而组成这一组后端程序的 Pod 实际上可能会发生变化，前端客户端不应该也没必要知道，而且也不需要跟踪这一组后端的状态。

Service 定义的抽象能够解耦这种关联。

云原生服务发现

如果你想要在应用程序中使用 Kubernetes API 进行服务发现，则可以查询 API 服务器的 Endpoints 资源，只要服务中的 Pod 集合发生更改，Endpoints 就会被更新。

对于非本机应用程序，Kubernetes 提供了在应用程序和后端 Pod 之间放置网络端口或负载均衡器的方法。

定义 Service

Service 在 Kubernetes 中是一个 REST 对象，和 Pod 类似。像所有的 REST 对象一样，Service 定义可以基于 POST 方式，请求 API server 创建新的实例。Service 对象的名称必须是合法的 RFC 1035 标签名称。

例如，假定有一组 Pod，它们对外暴露了 9376 端口，同时还被打上 app=MyApp 标签：

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

上述配置创建一个名称为 "my-service" 的 Service 对象，它会将请求代理到使用 TCP 端口 9376，并且具有标签 "app=MyApp" 的 Pod 上。

Kubernetes 为该服务分配一个 IP 地址（有时称为 "集群IP"），该 IP 地址由服务代理使用。

服务选择算符的控制器不断扫描与其选择器匹配的 Pod，然后将所有更新发布到也称为 “my-service” 的 Endpoint 对象。

说明： 需要注意的是，Service 能够将一个接收 port 映射到任意的 targetPort。 默认情况下，targetPort 将被设置为与 port 字段相同的值。

Pod 中的端口定义是有名字的，你可以在服务的 targetPort 属性中引用这些名称。即使服务中使用单个配置的名称混合使用 Pod，并且通过不同的端口号提供相同的网络协议，此功能也可以使用。 这为部署和发展服务提供了很大的灵活性。例如，你可以更改 Pods 在新版本的后端软件中公开的端口号，而不会破坏客户端。

服务的默认协议是 TCP；你还可以使用任何其他受支持的协议。

由于许多服务需要公开多个端口，因此 Kubernetes 在服务对象上支持多个端口定义。每个端口定义可以具有相同的 protocol，也可以具有不同的协议。

没有选择算符的 Service

服务最常见的是抽象化对 Kubernetes Pod 的访问，但是它们也可以抽象化其他种类的后端。实例:

  • 希望在生产环境中使用外部的数据库集群，但测试环境使用自己的数据库。
  • 希望服务指向另一个 名字空间（Namespace）中或其它集群中的服务。
  • 你正在将工作负载迁移到 Kubernetes。在评估该方法时，你仅在 Kubernetes 中运行一部分后端。

在任何这些场景中，都能够定义没有选择算符的 Service。实例:

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

由于此服务没有选择算符，因此不会自动创建相应的 Endpoint 对象。你可以通过手动添加 Endpoint 对象，将服务手动映射到运行该服务的网络地址和端口：

apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: my-service
subsets:
  - addresses:
      - ip: 192.0.2.42
    ports:
      - port: 9376

Endpoints 对象的名称必须是合法的 DNS 子域名。

说明：
端点 IPs 必须不可以是：本地回路（IPv4 的 127.0.0.0/8, IPv6 的 ::1/128）或本地链接（IPv4 的 169.254.0.0/16 和 224.0.0.0/24，IPv6 的 fe80::/64)。
端点 IP 地址不能是其他 Kubernetes 服务的集群 IP，因为 kube-proxy 不支持将虚拟 IP 作为目标。

访问没有选择算符的 Service，与有选择算符的 Service 的原理相同。请求将被路由到用户定义的 Endpoint，YAML 中为：192.0.2.42:9376（TCP）。

ExternalName Service 是 Service 的特例，它没有选择算符，但是使用 DNS 名称。有关更多信息，请参阅本文档后面的ExternalName。

超出容量的 Endpoints

如果某个 Endpoints 资源中包含的端点个数超过 1000，则 Kubernetes v1.22 版本（及更新版本）的集群会将为该 Endpoints 添加注解 endpoints.kubernetes.io/over-capacity: truncated。这一注解表明所影响到的 Endpoints 对象已经超出容量，此外 Endpoints 控制器还会将 Endpoints 对象数量截断到 1000。

EndpointSlice

FEATURE STATE: Kubernetes v1.21 [stable]

Endpoint 切片是一种 API 资源，可以为 Endpoint 提供更可扩展的替代方案。尽管从概念上讲与 Endpoint 非常相似，但 Endpoint 切片允许跨多个资源分布网络端点。默认情况下，一旦到达100个 Endpoint，该 Endpoint 切片将被视为“已满”，届时将创建其他 Endpoint 切片来存储任何其他 Endpoint。

Endpoint 切片提供了附加的属性和功能，这些属性和功能在 EndpointSlices 中有详细描述。

应用协议

FEATURE STATE: Kubernetes v1.20 [stable]

appProtocol 字段提供了一种为每个 Service 端口指定应用协议的方式。此字段的取值会被映射到对应的 Endpoints 和 EndpointSlices 对象。

该字段遵循标准的 Kubernetes 标签语法。其值可以是 IANA 标准服务名称或以域名为前缀的名称，如 mycompany.com/my-custom-protocol。

虚拟 IP 和 Service 代理

在 Kubernetes 集群中，每个 Node 运行一个 kube-proxy 进程。kube-proxy 负责为 Service 实现了一种 VIP（虚拟 IP）的形式，而不是 ExternalName 的形式。

为什么不使用 DNS 轮询？

时不时会有人问到为什么 Kubernetes 依赖代理将入站流量转发到后端。那其他方法呢？例如，是否可以配置具有多个 A 值（或 IPv6 为 AAAA）的 DNS 记录，并依靠轮询名称解析？

使用服务代理有以下几个原因：

  • DNS 实现的历史由来已久，它不遵守记录 TTL，并且在名称查找结果到期后对其进行缓存。
  • 有些应用程序仅执行一次 DNS 查找，并无限期地缓存结果。
  • 即使应用和库进行了适当的重新解析，DNS 记录上的 TTL 值低或为零也可能会给 DNS 带来高负载，从而使管理变得困难。

userspace 代理模式

这种模式，kube-proxy 会监视 Kubernetes 控制平面对 Service 对象和 Endpoints 对象的添加和移除操作。对每个 Service，它会在本地 Node 上打开一个端口（随机选择）。任何连接到“代理端口”的请求，都会被代理到 Service 的后端 Pods 中的某个上面（如 Endpoints 所报告的一样）。使用哪个后端 Pod，是 kube-proxy 基于 SessionAffinity 来确定的。

最后，它配置 iptables 规则，捕获到达该 Service 的 clusterIP（是虚拟 IP）和 Port 的请求，并重定向到代理端口，代理端口再代理请求到后端Pod。

默认情况下，用户空间模式下的 kube-proxy 通过轮转算法选择后端。

iptables 代理模式

这种模式，kube-proxy 会监视 Kubernetes 控制节点对 Service 对象和 Endpoints 对象的添加和移除。对每个 Service，它会配置 iptables 规则，从而捕获到达该 Service 的 clusterIP 和端口的请求，进而将请求重定向到 Service 的一组后端中的某个 Pod 上面。对于每个 Endpoints 对象，它也会配置 iptables 规则，这个规则会选择一个后端组合。

默认的策略是，kube-proxy 在 iptables 模式下随机选择一个后端。

使用 iptables 处理流量具有较低的系统开销，因为流量由 Linux netfilter 处理，而无需在用户空间和内核空间之间切换。这种方法也可能更可靠。

如果 kube-proxy 在 iptables 模式下运行，并且所选的第一个 Pod 没有响应，则连接失败。这与用户空间模式不同：在这种情况下，kube-proxy 将检测到与第一个 Pod 的连接已失败，并会自动使用其他后端 Pod 重试。

你可以使用 Pod 就绪探测器验证后端 Pod 可以正常工作，以便 iptables 模式下的 kube-proxy 仅看到测试正常的后端。这样做意味着你避免将流量通过 kube-proxy 发送到已知已失败的 Pod。

IPVS 代理模式

FEATURE STATE: Kubernetes v1.11 [stable]

在 ipvs 模式下，kube-proxy 监视 Kubernetes 服务和端点，调用 netlink 接口相应地创建 IPVS 规则，并定期将 IPVS 规则与 Kubernetes 服务和端点同步。该控制循环可确保IPVS 状态与所需状态匹配。访问服务时，IPVS 将流量定向到后端Pod之一。

IPVS代理模式基于类似于 iptables 模式的 netfilter 挂钩函数，但是使用哈希表作为基础数据结构，并且在内核空间中工作。这意味着，与 iptables 模式下的 kube-proxy 相比，IPVS 模式下的 kube-proxy 重定向通信的延迟要短，并且在同步代理规则时具有更好的性能。与其他代理模式相比，IPVS 模式还支持更高的网络流量吞吐量。

IPVS 提供了更多选项来平衡后端 Pod 的流量。这些是：

  • rr：轮替（Round-Robin）
  • lc：最少链接（Least Connection），即打开链接数量最少者优先
  • dh：目标地址哈希（Destination Hashing）
  • sh：源地址哈希（Source Hashing）
  • sed：最短预期延迟（Shortest Expected Delay）
  • nq：从不排队（Never Queue）

说明：
要在 IPVS 模式下运行 kube-proxy，必须在启动 kube-proxy 之前使 IPVS 在节点上可用。
当 kube-proxy 以 IPVS 代理模式启动时，它将验证 IPVS 内核模块是否可用。如果未检测到 IPVS 内核模块，则 kube-proxy 将退回到以 iptables 代理模式运行。

在这些代理模型中，绑定到服务 IP 的流量：在客户端不了解 Kubernetes 或服务或 Pod 的任何信息的情况下，将 Port 代理到适当的后端。

如果要确保每次都将来自特定客户端的连接传递到同一 Pod，则可以通过将 service.spec.sessionAffinity 设置为 "ClientIP"（默认值是 "None"），来基于客户端的 IP 地址选择会话关联。你还可以通过适当设置 service.spec.sessionAffinityConfig.clientIP.timeoutSeconds 来设置最大会话停留时间。（默认值为 10800 秒，即 3 小时）。

多端口 Service

对于某些服务，你需要公开多个端口。Kubernetes 允许你在 Service 对象上配置多个端口定义。为服务使用多个端口时，必须提供所有端口名称，以使它们无歧义。例如：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: MyApp
  ports:
    - name: http
      protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
    - name: https
      protocol: TCP
      port: 443
      targetPort: 9377

说明：
与一般的Kubernetes名称一样，端口名称只能包含小写字母数字字符和 -。端口名称还必须以字母数字字符开头和结尾。
例如，名称 123-abc 和 web 有效，但是 123_abc 和 -web 无效。

选择自己的 IP 地址

在 Service 创建的请求中，可以通过设置 spec.clusterIP 字段来指定自己的集群 IP 地址。比如，希望替换一个已经已存在的 DNS 条目，或者遗留系统已经配置了一个固定的 IP 且很难重新配置。

用户选择的 IP 地址必须合法，并且这个 IP 地址在 service-cluster-ip-range CIDR 范围内，这对 API 服务器来说是通过一个标识来指定的。如果 IP 地址不合法，API 服务器会返回 HTTP 状态码 422，表示值不合法。

流量策略

外部流量策略

你可以通过设置 spec.externalTrafficPolicy 字段来控制来自于外部的流量是如何路由的。可选值有 Cluster 和 Local。字段设为 Cluster 会将外部流量路由到所有就绪的端点，设为 Local 会只路由到当前节点上就绪的端点。如果流量策略设置为 Local，而且当前节点上没有就绪的端点，kube-proxy 不会转发请求相关服务的任何流量。

说明：
FEATURE STATE: Kubernetes v1.22 [alpha]
如果你启用了 kube-proxy 的 ProxyTerminatingEndpoints 特性门控，kube-proxy 会检查节点是否有本地的端点，以及是否所有的本地端点都被标记为终止中。
如果本地有端点，而且所有端点处于终止中的状态，那么 kube-proxy 会忽略任何设为 Local 的外部流量策略。在所有本地端点处于终止中的状态的同时，kube-proxy 将请求指定服务的流量转发到位于其它节点的状态健康的端点，如同外部流量策略设为 Cluster。
针对处于正被终止状态的端点这一转发行为使得外部负载均衡器可以优雅地排出由 NodePort 服务支持的连接，就算是健康检查节点端口开始失败也是如此。否则，当节点还在负载均衡器的节点池内，在 Pod 终止过程中的流量会被丢掉，这些流量可能会丢失。

内部流量策略

FEATURE STATE: Kubernetes v1.22 [beta]

你可以设置 spec.internalTrafficPolicy 字段来控制内部来源的流量是如何转发的。可设置的值有 Cluster 和 Local。将字段设置为 Cluster 会将内部流量路由到所有就绪端点，设置为 Local 只会路由到当前节点上就绪的端点。如果流量策略是 Local，而且当前节点上没有就绪的端点，那么 kube-proxy 会丢弃流量。

服务发现

Kubernetes 支持两种基本的服务发现模式 —— 环境变量和 DNS。

环境变量

当 Pod 运行在 Node 上，kubelet 会为每个活跃的 Service 添加一组环境变量。它同时支持 Docker links兼容变量（查看 makeLinkVariables）、简单的 SVCNAME_SERVICE_HOST 和 SVCNAME_SERVICE_PORT 变量。这里 Service 的名称需大写，横线被转换成下划线。

举个例子，一个名称为 redis-master 的 Service 暴露了 TCP 端口 6379，同时给它分配了 Cluster IP 地址 10.0.0.11，这个 Service 生成了如下环境变量：

REDIS_MASTER_SERVICE_HOST=10.0.0.11
REDIS_MASTER_SERVICE_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT=tcp://10.0.0.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP=tcp://10.0.0.11:6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PROTO=tcp
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PORT=6379
REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_ADDR=10.0.0.11

说明：
当你具有需要访问服务的 Pod 时，并且你正在使用环境变量方法将端口和集群 IP 发布到客户端 Pod 时，必须在客户端 Pod 出现 之前 创建服务。否则，这些客户端 Pod 将不会设定其环境变量。
如果仅使用 DNS 查找服务的集群 IP，则无需担心此设定问题。

DNS

你可以（几乎总是应该）使用附加组件为 Kubernetes 集群设置 DNS 服务。

支持集群的 DNS 服务器（例如 CoreDNS）监视 Kubernetes API 中的新服务，并为每个服务创建一组 DNS 记录。如果在整个集群中都启用了 DNS，则所有 Pod 都应该能够通过其 DNS 名称自动解析服务。

例如，如果你在 Kubernetes 命名空间 my-ns 中有一个名为 my-service 的服务，则控制平面和 DNS 服务共同为 my-service.my-ns 创建 DNS 记录。my-ns 命名空间中的 Pod 应该能够通过按名检索 my-service 来找到服务（my-service.my-ns 也可以工作）。

其他命名空间中的 Pod 必须将名称限定为 my-service.my-ns。这些名称将解析为为服务分配的集群 IP。

Kubernetes 还支持命名端口的 DNS SRV（服务）记录。如果 my-service.my-ns 服务具有名为 http 的端口，且协议设置为 TCP，则可以对 _http._tcp.my-service.my-ns 执行 DNS SRV 查询查询以发现该端口号，"http" 以及 IP 地址。

Kubernetes DNS 服务器是唯一的一种能够访问 ExternalName 类型的 Service 的方式。更多关于 ExternalName 信息可以查看 DNS Pod 和 Service。

无头服务（Headless Services）

有时不需要或不想要负载均衡，以及单独的 Service IP。遇到这种情况，可以通过指定 Cluster IP（spec.clusterIP）的值为 "None" 来创建 Headless Service。

你可以使用无头 Service 与其他服务发现机制进行接口，而不必与 Kubernetes 的实现捆绑在一起。

对这无头 Service 并不会分配 Cluster IP，kube-proxy 不会处理它们，而且平台也不会为它们进行负载均衡和路由。DNS 如何实现自动配置，依赖于 Service 是否定义了选择算符。

带选择算符的服务

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。

无选择算符的服务

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

发布服务（服务类型)

对一些应用的某些部分（如前端），可能希望将其暴露给 Kubernetes 集群外部的 IP 地址。

Kubernetes ServiceTypes 允许指定你所需要的 Service 类型，默认是 ClusterIP。

Type 的取值以及行为如下：

  • ClusterIP：通过集群的内部 IP 暴露服务，选择该值时服务只能够在集群内部访问。这也是默认的 ServiceType。

  • NodePort：通过每个节点上的 IP 和静态端口（NodePort）暴露服务。NodePort 服务会路由到自动创建的 ClusterIP 服务。通过请求 <节点 IP>:<节点端口>，你可以从集群的外部访问一个 NodePort 服务。

  • LoadBalancer：使用云提供商的负载均衡器向外部暴露服务。外部负载均衡器可以将流量路由到自动创建的 NodePort 服务和 ClusterIP 服务上。

  • ExternalName：通过返回 CNAME 和对应值，可以将服务映射到 externalName 字段的内容（例如，foo.bar.example.com）。无需创建任何类型代理。

说明： 你需要使用 kube-dns 1.7 及以上版本或者 CoreDNS 0.0.8 及以上版本才能使用 ExternalName 类型。

你也可以使用 Ingress 来暴露自己的服务。Ingress 不是一种服务类型，但它充当集群的入口点。它可以将路由规则整合到一个资源中，因为它可以在同一IP地址下公开多个服务。

NodePort 类型

如果你将 type 字段设置为 NodePort，则 Kubernetes 控制平面将在 --service-node-port-range 标志指定的范围内分配端口（默认值：30000-32767）。每个节点将那个端口（每个节点上的相同端口号）代理到你的服务中。你的服务在其 .spec.ports[*].nodePort 字段中要求分配的端口。

如果你想指定特定的 IP 代理端口，则可以设置 kube-proxy 中的 --nodeport-addresses 参数或者将kube-proxy 配置文件中的等效 nodePortAddresses 字段设置为特定的 IP 块。该标志采用逗号分隔的 IP 块列表（例如，10.0.0.0/8、192.0.2.0/25）来指定 kube-proxy 应该认为是此节点本地的 IP 地址范围。

例如，如果你使用 --nodeport-addresses=127.0.0.0/8 标志启动 kube-proxy，则 kube-proxy 仅选择 NodePort Services 的本地回路接口。--nodeport-addresses 的默认值是一个空列表。这意味着 kube-proxy 应该考虑 NodePort 的所有可用网络接口。（这也与早期的 Kubernetes 版本兼容）。

如果需要特定的端口号，你可以在 nodePort 字段中指定一个值。控制平面将为你分配该端口或报告 API 事务失败。这意味着你需要自己注意可能发生的端口冲突。你还必须使用有效的端口号，该端口号在配置用于 NodePort 的范围内。

使用 NodePort 可以让你自由设置自己的负载均衡解决方案，配置 Kubernetes 不完全支持的环境，甚至直接暴露一个或多个节点的 IP。

需要注意的是，Service 能够通过 <NodeIP>:spec.ports[*].nodePort 和 spec.clusterIp:spec.ports[*].port 而对外可见。如果设置了 kube-proxy 的 --nodeport-addresses 参数或 kube-proxy 配置文件中的等效字段，<NodeIP> 将被过滤 NodeIP。

例如：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: MyApp
  ports:
      # 默认情况下，为了方便起见，`targetPort` 被设置为与 `port` 字段相同的值。
    - port: 80
      targetPort: 80
      # 可选字段
      # 默认情况下，为了方便起见，Kubernetes 控制平面会从某个范围内分配一个端口号（默认：30000-32767）
      nodePort: 30007

LoadBalancer 类型

在使用支持外部负载均衡器的云提供商的服务时，设置 type 的值为 "LoadBalancer"，将为 Service 提供负载均衡器。负载均衡器是异步创建的，关于被提供的负载均衡器的信息将会通过 Service 的 status.loadBalancer 字段发布出去。

实例：

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

来自外部负载均衡器的流量将直接重定向到后端 Pod 上，不过实际它们是如何工作的，这要依赖于云提供商。

某些云提供商允许设置 loadBalancerIP。在这些情况下，将根据用户设置的 loadBalancerIP 来创建负载均衡器。如果没有设置 loadBalancerIP 字段，将会给负载均衡器指派一个临时 IP。如果设置了 loadBalancerIP，但云提供商并不支持这种特性，那么设置的 loadBalancerIP 值将会被忽略掉。

说明：
在 Azure 上，如果要使用用户指定的公共类型 loadBalancerIP，则首先需要创建静态类型的公共 IP 地址资源。此公共 IP 地址资源应与集群中其他自动创建的资源位于同一资源组中。例如，MC_myResourceGroup_myAKSCluster_eastus。

将分配的 IP 地址设置为 loadBalancerIP。确保你已更新云提供程序配置文件中的 securityGroupName。有关对 CreatingLoadBalancerFailed 权限问题进行故障排除的信息，请参阅与 Azure Kubernetes 服务（AKS）负载平衡器一起使用静态 IP 地址或在 AKS 集群上使用高级联网时出现 CreatingLoadBalancerFailed。

混合协议类型的负载均衡器

FEATURE STATE: Kubernetes v1.20 [alpha]

默认情况下，对于 LoadBalancer 类型的服务，当定义了多个端口时，所有端口必须具有相同的协议，并且该协议必须是受云提供商支持的协议。

如果为 kube-apiserver 启用了 MixedProtocolLBService 特性门控，则当定义了多个端口时，允许使用不同的协议。

说明： 可用于 LoadBalancer 类型服务的协议集仍然由云提供商决定。

禁用负载均衡器节点端口分配

FEATURE STATE: Kubernetes v1.20 [alpha]

从 v1.20 版本开始，你可以通过设置 spec.allocateLoadBalancerNodePorts 为 false 对类型为 LoadBalancer 的服务禁用节点端口分配。这仅适用于直接将流量路由到 Pod 而不是使用节点端口的负载均衡器实现。默认情况下，spec.allocateLoadBalancerNodePorts 为 true， LoadBalancer 类型的服务继续分配节点端口。如果现有服务已被分配节点端口，将参数 spec.allocateLoadBalancerNodePorts 设置为 false 时，这些服务上已分配置的节点端口不会被自动释放。你必须显式地在每个服务端口中删除 nodePorts 项以释放对应端口。你必须启用 ServiceLBNodePortControl 特性门控才能使用该字段。

设置负载均衡器实现的类别

FEATURE STATE: Kubernetes v1.22 [beta]

spec.loadBalancerClass 允许你不使用云提供商的默认负载均衡器实现，转而使用指定的负载均衡器实现。这个特性从 v1.21 版本开始可以使用，你在 v1.21 版本中使用这个字段必须启用 ServiceLoadBalancerClass 特性门控，这个特性门控从 v1.22 版本及以后默认打开。默认情况下，.spec.loadBalancerClass 的取值是 nil，如果集群使用 --cloud-provider 配置了云提供商，LoadBalancer 类型服务会使用云提供商的默认负载均衡器实现。

如果设置了 .spec.loadBalancerClass，则假定存在某个与所指定的类相匹配的负载均衡器实现在监视服务变化。所有默认的负载均衡器实现（例如，由云提供商所提供的）都会忽略设置了此字段的服务。.spec.loadBalancerClass 只能设置到类型为 LoadBalancer 的 Service 之上，而且一旦设置之后不可变更。

.spec.loadBalancerClass 的值必须是一个标签风格的标识符，可以有选择地带有类似 "internal-vip" 或 "example.com/internal-vip" 这类前缀。没有前缀的名字是保留给最终用户的。

内部负载均衡器

在混合环境中，有时有必要在同一(虚拟)网络地址块内路由来自服务的流量。

在水平分割 DNS 环境中，你需要两个服务才能将内部和外部流量都路由到你的端点（Endpoints）。

如要设置内部负载均衡器，请根据你所使用的云运营商，为服务添加以下注解之一。

GCP:

[...]
metadata:
    name: my-service
    annotations:
        cloud.google.com/load-balancer-type: "Internal"
[...]

AWS:

[...]
metadata:
    name: my-service
    annotations:
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-internal: "true"
[...]

IBM Cloud:

[...]
metadata:
    name: my-service
    annotations:
        service.kubernetes.io/ibm-load-balancer-cloud-provider-ip-type: "private"
[...]

Baidu Cloud:

[...]
metadata:
    name: my-service
    annotations:
        service.beta.kubernetes.io/cce-load-balancer-internal-vpc: "true"
[...]

Tencent Cloud:

[...]
metadata:
  annotations:
    service.kubernetes.io/qcloud-loadbalancer-internal-subnetid: subnet-xxxxx
[...]

Alibaba Cloud:

[...]
metadata:
  annotations:
    service.beta.kubernetes.io/alibaba-cloud-loadbalancer-address-type: "intranet"
[...]

AWS TLS 支持

为了对在 AWS 上运行的集群提供 TLS/SSL 部分支持，你可以向 LoadBalancer 服务添加三个注解：

metadata:
  name: my-service
  annotations:
    service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-ssl-cert: arn:aws:acm:us-east-1:123456789012:certificate/12345678-1234-1234-1234-123456789012

第一个指定要使用的证书的 ARN。它可以是已上载到 IAM 的第三方颁发者的证书，也可以是在 AWS Certificate Manager 中创建的证书。

metadata:
  name: my-service
  annotations:
    service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-backend-protocol: (https|http|ssl|tcp)

第二个注解指定 Pod 使用哪种协议。对于 HTTPS 和 SSL，ELB 希望 Pod 使用证书通过加密连接对自己进行身份验证。

HTTP 和 HTTPS 选择第7层代理：ELB 终止与用户的连接，解析标头，并在转发请求时向 X-Forwarded-For 标头注入用户的 IP 地址（Pod 仅在连接的另一端看到 ELB 的 IP 地址）。

TCP 和 SSL 选择第4层代理：ELB 转发流量而不修改报头。

在某些端口处于安全状态而其他端口未加密的混合使用环境中，可以使用以下注解：

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-backend-protocol: http
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-ssl-ports: "443,8443"

在上例中，如果服务包含 80、443 和 8443 三个端口，那么 443 和 8443 将使用 SSL 证书，而 80 端口将转发 HTTP 数据包。

从 Kubernetes v1.9 起可以使用预定义的 AWS SSL 策略为你的服务使用 HTTPS 或 SSL 侦听器。要查看可以使用哪些策略，可以使用 aws 命令行工具：

aws elb describe-load-balancer-policies --query \'PolicyDescriptions[].PolicyName\'

然后，你可以使用 "service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-ssl-negotiation-policy" 注解; 例如：

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-ssl-negotiation-policy: "ELBSecurityPolicy-TLS-1-2-2017-01"

AWS 上的 PROXY 协议支持

为了支持在 AWS 上运行的集群，启用 PROXY 协议。你可以使用以下服务注解：

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-proxy-protocol: "*"

从 1.3.0 版开始，此注解的使用适用于 ELB 代理的所有端口，并且不能进行其他配置。

AWS 上的 ELB 访问日志

有几个注解可用于管理 AWS 上 ELB 服务的访问日志。

注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-enabled 控制是否启用访问日志。

注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-emit-interval 控制发布访问日志的时间间隔（以分钟为单位）。你可以指定 5 分钟或 60 分钟的间隔。

注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-s3-bucket-name 控制存储负载均衡器访问日志的 Amazon S3 存储桶的名称。

注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-s3-bucket-prefix 指定为 Amazon S3 存储桶创建的逻辑层次结构。

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-enabled: "true"
        # 指定是否为负载均衡器启用访问日志
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-emit-interval: "60"
        # 发布访问日志的时间间隔。你可以将其设置为 5 分钟或 60 分钟。
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-s3-bucket-name: "my-bucket"
        # 用来存放访问日志的 Amazon S3 Bucket 名称
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-access-log-s3-bucket-prefix: "my-bucket-prefix/prod"
        # 你为 Amazon S3 Bucket 所创建的逻辑层次结构，例如 `my-bucket-prefix/prod`

AWS 上的连接排空

可以将注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-connection-draining-enabled 设置为 "true" 来管理 ELB 的连接排空。注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-connection-draining-timeout 也可以用于设置最大时间（以秒为单位），以保持现有连接在注销实例之前保持打开状态。

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-connection-draining-enabled: "true"
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-connection-draining-timeout: "60"

其他 ELB 注解

还有其他一些注解，用于管理经典弹性负载均衡器，如下所述。

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        # 按秒计的时间，表示负载均衡器关闭连接之前连接可以保持空闲
        # （连接上无数据传输）的时间长度
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-connection-idle-timeout: "60"

        # 指定该负载均衡器上是否启用跨区的负载均衡能力
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-cross-zone-load-balancing-enabled: "true"

        # 逗号分隔列表值，每一项都是一个键-值耦对，会作为额外的标签记录于 ELB 中
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-additional-resource-tags: "environment=prod,owner=devops"

        # 将某后端视为健康、可接收请求之前需要达到的连续成功健康检查次数。
        # 默认为 2，必须介于 2 和 10 之间
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-healthcheck-healthy-threshold: ""

        # 将某后端视为不健康、不可接收请求之前需要达到的连续不成功健康检查次数。
        # 默认为 6，必须介于 2 和 10 之间
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-healthcheck-unhealthy-threshold: "3"

        # 对每个实例进行健康检查时，连续两次检查之间的大致间隔秒数
        # 默认为 10，必须介于 5 和 300 之间
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-healthcheck-interval: "20"

        # 时长秒数，在此期间没有响应意味着健康检查失败
        # 此值必须小于 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-healthcheck-interval
        # 默认值为 5，必须介于 2 和 60 之间
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-healthcheck-timeout: "5"

        # 由已有的安全组所构成的列表，可以配置到所创建的 ELB 之上。
        # 与注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-extra-security-groups 不同，
        # 这一设置会替代掉之前指定给该 ELB 的所有其他安全组，也会覆盖掉为此
        # ELB 所唯一创建的安全组。 
        # 此列表中的第一个安全组 ID 被用来作为决策源，以允许入站流量流入目标工作节点
        # (包括服务流量和健康检查）。
        # 如果多个 ELB 配置了相同的安全组 ID，为工作节点安全组添加的允许规则行只有一个，
        # 这意味着如果你删除了这些 ELB 中的任何一个，都会导致该规则记录被删除，
        # 以至于所有共享该安全组 ID 的其他 ELB 都无法访问该节点。
        # 此注解如果使用不当，会导致跨服务的不可用状况。
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-security-groups: "sg-53fae93f"

        # 额外的安全组列表，将被添加到所创建的 ELB 之上。
        # 添加时，会保留为 ELB 所专门创建的安全组。
        # 这样会确保每个 ELB 都有一个唯一的安全组 ID 和与之对应的允许规则记录，
        # 允许请求（服务流量和健康检查）发送到目标工作节点。
        # 这里顶一个安全组可以被多个服务共享。
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-extra-security-groups: "sg-53fae93f,sg-42efd82e"

        # 用逗号分隔的一个键-值偶对列表，用来为负载均衡器选择目标节点
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-target-node-labels: "ingress-gw,gw-name=public-api"

AWS 上网络负载均衡器支持

FEATURE STATE: Kubernetes v1.15 [beta]

要在 AWS 上使用网络负载均衡器，可以使用注解 service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-type，将其取值设为 nlb。

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        service.beta.kubernetes.io/aws-load-balancer-type: "nlb"

说明： NLB 仅适用于某些实例类。有关受支持的实例类型的列表，请参见 AWS文档中关于所支持的实例类型的 Elastic Load Balancing 说明。

与经典弹性负载平衡器不同，网络负载平衡器（NLB）将客户端的 IP 地址转发到该节点。如果服务的 .spec.externalTrafficPolicy 设置为 Cluster，则客户端的IP地址不会传达到最终的 Pod。

通过将 .spec.externalTrafficPolicy 设置为 Local，客户端IP地址将传播到最终的 Pod，但这可能导致流量分配不均。没有针对特定 LoadBalancer 服务的任何 Pod 的节点将无法通过自动分配的 .spec.healthCheckNodePort 进行 NLB 目标组的运行状况检查，并且不会收到任何流量。

为了获得均衡流量，请使用 DaemonSet 或指定 Pod 反亲和性使其不在同一节点上。

你还可以将 NLB 服务与内部负载平衡器注解一起使用。

为了使客户端流量能够到达 NLB 后面的实例，使用以下 IP 规则修改了节点安全组：

Rule
Protocol
Port(s)
IpRange(s)
IpRange Description
Health Check
TCP
NodePort(s) (.spec.healthCheckNodePort for .spec.externalTrafficPolicy = Local)
Subnet CIDR
kubernetes.io/rule/nlb/health=<loadBalancerName>
Client Traffic
TCP
NodePort(s)
.spec.loadBalancerSourceRanges (defaults to 0.0.0.0/0)
kubernetes.io/rule/nlb/client=<loadBalancerName>
MTU Discovery
ICMP
3,4
.spec.loadBalancerSourceRanges (defaults to 0.0.0.0/0)
kubernetes.io/rule/nlb/mtu=<loadBalancerName>

为了限制哪些客户端IP可以访问网络负载平衡器，请指定 loadBalancerSourceRanges。

spec:
  loadBalancerSourceRanges:
    - "143.231.0.0/16"

说明： 如果未设置 .spec.loadBalancerSourceRanges，则 Kubernetes 允许从 0.0.0.0/0 到节点安全组的流量。如果节点具有公共 IP 地址，请注意，非 NLB 流量也可以到达那些修改后的安全组中的所有实例。

腾讯 Kubernetes 引擎（TKE）上的 CLB 注解

以下是在 TKE 上管理云负载均衡器的注解。

    metadata:
      name: my-service
      annotations:
        # 绑定负载均衡器到指定的节点。
        service.kubernetes.io/qcloud-loadbalancer-backends-label: key in (value1, value2)

        # 为已有负载均衡器添加 ID。
        service.kubernetes.io/tke-existed-lbid：lb-6swtxxxx

        # 负载均衡器（LB）的自定义参数尚不支持修改 LB 类型。
        service.kubernetes.io/service.extensiveParameters: ""

        # 自定义负载均衡监听器。
        service.kubernetes.io/service.listenerParameters: ""

        # 指定负载均衡类型。
        # 可用参数: classic (Classic Cloud Load Balancer) 或 application (Application Cloud Load Balancer)
        service.kubernetes.io/loadbalance-type: xxxxx

        # 指定公用网络带宽计费方法。
        # 可用参数: TRAFFIC_POSTPAID_BY_HOUR(bill-by-traffic) 和 BANDWIDTH_POSTPAID_BY_HOUR (bill-by-bandwidth).
        service.kubernetes.io/qcloud-loadbalancer-internet-charge-type: xxxxxx

        # 指定带宽参数 (取值范围： [1,2000] Mbps).
        service.kubernetes.io/qcloud-loadbalancer-internet-max-bandwidth-out: "10"

        # 当设置该注解时，负载平衡器将只注册正在运行 Pod 的节点，
        # 否则所有节点将会被注册。
        service.kubernetes.io/local-svc-only-bind-node-with-pod: true

ExternalName 类型

类型为 ExternalName 的服务将服务映射到 DNS 名称，而不是典型的选择器，例如 my-service 或者 cassandra。你可以使用 spec.externalName 参数指定这些服务。

例如，以下 Service 定义将 prod 名称空间中的 my-service 服务映射到 my.database.example.com：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
  namespace: prod
spec:
  type: ExternalName
  externalName: my.database.example.com

说明： ExternalName 服务接受 IPv4 地址字符串，但作为包含数字的 DNS 名称，而不是 IP 地址。类似于 IPv4 地址的外部名称不能由 CoreDNS 或 ingress-nginx 解析，因为外部名称旨在指定规范的 DNS 名称。要对 IP 地址进行硬编码，请考虑使用 headless Services。

当查找主机 my-service.prod.svc.cluster.local 时，集群 DNS 服务返回 CNAME 记录，其值为 my.database.example.com。访问 my-service 的方式与其他服务的方式相同，但主要区别在于重定向发生在 DNS 级别，而不是通过代理或转发。如果以后你决定将数据库移到集群中，则可以启动其 Pod，添加适当的选择器或端点以及更改服务的 type。

警告：
对于一些常见的协议，包括 HTTP 和 HTTPS，你使用 ExternalName 可能会遇到问题。如果你使用 ExternalName，那么集群内客户端使用的主机名 与 ExternalName 引用的名称不同。
对于使用主机名的协议，此差异可能会导致错误或意外响应。HTTP 请求将具有源服务器无法识别的 Host: 标头；TLS 服务器将无法提供与客户端连接的主机名匹配的证书。

外部 IP

如果外部的 IP 路由到集群中一个或多个 Node 上，Kubernetes Service 会被暴露给这些 externalIPs。通过外部 IP（作为目的 IP 地址）进入到集群，打到 Service 的端口上的流量，将会被路由到 Service 的 Endpoint 上。externalIPs 不会被 Kubernetes 管理，它属于集群管理员的职责范畴。

根据 Service 的规定，externalIPs 可以同任意的 ServiceType 来一起指定。在上面的例子中，my-service 可以在 "80.11.12.10:80"(externalIP:port) 上被客户端访问。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: MyApp
  ports:
    - name: http
      protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
  externalIPs:
    - 80.11.12.10

不足之处

为 VIP 使用用户空间代理，将只适合小型到中型规模的集群，不能够扩展到上千 Service 的大型集群。

使用用户空间代理，隐藏了访问 Service 的数据包的源 IP 地址。这使得一些类型的防火墙无法起作用。iptables 代理不会隐藏 Kubernetes 集群内部的 IP 地址，但却要求客户端请求必须通过一个负载均衡器或 Node 端口。

Type 字段支持嵌套功能 —— 每一层需要添加到上一层里面。不会严格要求所有云提供商（例如，GCE 就没必要为了使一个 LoadBalancer 能工作而分配一个 NodePort，但是 AWS 需要 ），但当前 API 是强制要求的。

虚拟IP实施

对很多想使用 Service 的人来说，前面的信息应该足够了。然而，有很多内部原理性的内容，还是值去理解的。

避免冲突

Kubernetes 最主要的哲学之一，是用户不应该暴露那些能够导致他们操作失败、但又不是他们的过错的场景。对于 Service 资源的设计，这意味着如果用户的选择有可能与他人冲突，那就不要让用户自行选择端口号。这是一个隔离性的失败。

为了使用户能够为他们的 Service 选择一个端口号，我们必须确保不能有2个 Service 发生冲突。Kubernetes 通过为每个 Service 分配它们自己的 IP 地址来实现。

为了保证每个 Service 被分配到一个唯一的 IP，需要一个内部的分配器能够原子地更新 etcd 中的一个全局分配映射表，这个更新操作要先于创建每一个 Service。为了使 Service 能够获取到 IP，这个映射表对象必须在注册中心存在，否则创建 Service 将会失败，指示一个 IP 不能被分配。

在控制平面中，一个后台 Controller 的职责是创建映射表（需要支持从使用了内存锁的 Kubernetes 的旧版本迁移过来）。同时 Kubernetes 会通过控制器检查不合理的分配（如管理员干预导致的）以及清理已被分配但不再被任何 Service 使用的 IP 地址。

Service IP 地址

不像 Pod 的 IP 地址，它实际路由到一个固定的目的地，Service 的 IP 实际上不能通过单个主机来进行应答。相反，我们使用 iptables（Linux 中的数据包处理逻辑）来定义一个虚拟 IP 地址（VIP），它可以根据需要透明地进行重定向。当客户端连接到 VIP 时，它们的流量会自动地传输到一个合适的 Endpoint。环境变量和 DNS，实际上会根据 Service 的 VIP 和端口来进行填充。

kube-proxy支持三种代理模式: 用户空间，iptables和IPVS；它们各自的操作略有不同。

Userspace

作为一个例子，考虑前面提到的图片处理应用程序。当创建后端 Service 时，Kubernetes master 会给它指派一个虚拟 IP 地址，比如 10.0.0.1。假设 Service 的端口是 1234，该 Service 会被集群中所有的 kube-proxy 实例观察到。当代理看到一个新的 Service，它会打开一个新的端口，建立一个从该 VIP 重定向到新端口的 iptables，并开始接收请求连接。

当一个客户端连接到一个 VIP，iptables 规则开始起作用，它会重定向该数据包到 "服务代理" 的端口。"服务代理" 选择一个后端，并将客户端的流量代理到后端上。

这意味着 Service 的所有者能够选择任何他们想使用的端口，而不存在冲突的风险。客户端可以连接到一个 IP 和端口，而不需要知道实际访问了哪些 Pod。

iptables

再次考虑前面提到的图片处理应用程序。当创建后端 Service 时，Kubernetes 控制面板会给它指派一个虚拟 IP 地址，比如 10.0.0.1。假设 Service 的端口是 1234，该 Service 会被集群中所有的 kube-proxy 实例观察到。当代理看到一个新的 Service，它会配置一系列的 iptables 规则，从 VIP 重定向到每个 Service 规则。该特定于服务的规则连接到特定于 Endpoint 的规则，而后者会重定向（目标地址转译）到后端。

当客户端连接到一个 VIP，iptables 规则开始起作用。一个后端会被选择（或者根据会话亲和性，或者随机），数据包被重定向到这个后端。不像用户空间代理，数据包从来不拷贝到用户空间，kube-proxy 不是必须为该 VIP 工作而运行，并且客户端 IP 是不可更改的。

当流量打到 Node 的端口上，或通过负载均衡器，会执行相同的基本流程，但是在那些案例中客户端 IP 是可以更改的。

IPVS

在大规模集群（例如 10000 个服务）中，iptables 操作会显着降低速度。IPVS 专为负载平衡而设计，并基于内核内哈希表。因此，你可以通过基于 IPVS 的 kube-proxy 在大量服务中实现性能一致性。同时，基于 IPVS 的 kube-proxy 具有更复杂的负载均衡算法（最小连接、局部性、加权、持久性）。

API 对象

Service 是 Kubernetes REST API 中的顶级资源。你可以在以下位置找到有关 API 对象的更多详细信息：Service 对象 API。

受支持的协议

TCP

你可以将 TCP 用于任何类型的服务，这是默认的网络协议。

UDP

你可以将 UDP 用于大多数服务。对于 type=LoadBalancer 服务，对 UDP 的支持取决于提供此功能的云提供商。

SCTP

FEATURE STATE: Kubernetes v1.20 [stable]

一旦你使用了支持 SCTP 流量的网络插件，你就可以使用 SCTP 于更多的服务。对于 type = LoadBalancer 的服务，SCTP 的支持取决于提供此设施的云供应商（大多数不支持）。

警告

支持多宿主 SCTP 关联

警告：
支持多宿主SCTP关联要求 CNI 插件能够支持为一个 Pod 分配多个接口和IP地址。
用于多宿主 SCTP 关联的 NAT 在相应的内核模块中需要特殊的逻辑。

Windows

说明： 基于 Windows 的节点不支持 SCTP。

用户空间 kube-proxy

警告： 当 kube-proxy 处于用户空间模式时，它不支持 SCTP 关联的管理。

HTTP

如果你的云提供商支持它，则可以在 LoadBalancer 模式下使用服务来设置外部 HTTP/HTTPS 反向代理，并将其转发到该服务的 Endpoints。

说明： 你还可以使用 Ingress 代替 Service 来公开 HTTP/HTTPS 服务。

PROXY 协议

如果你的云提供商支持它，则可以在 LoadBalancer 模式下使用 Service 在 Kubernetes 本身之外配置负载均衡器，该负载均衡器将转发前缀为 PROXY 协议的连接。

负载平衡器将发送一系列初始字节，描述传入的连接，类似于此示例

PROXY TCP4 192.0.2.202 10.0.42.7 12345 7\\r\\n

上述是来自客户端的数据。

Pod 与 Service 的 DNS

Kubernetes 为服务和 Pods 创建 DNS 记录。你可以使用一致的 DNS 名称而非 IP 地址来访问服务。

介绍

Kubernetes DNS 在集群上调度 DNS Pod 和服务，并配置 kubelet 以告知各个容器使用 DNS 服务的 IP 来解析 DNS 名称。

集群中定义的每个 Service（包括 DNS 服务器自身）都被赋予一个 DNS 名称。默认情况下，客户端 Pod 的 DNS 搜索列表会包含 Pod 自身的名字空间和集群的默认域。

Service 的名字空间

DNS 查询可能因为执行查询的 Pod 所在的名字空间而返回不同的结果。不指定名字空间的 DNS 查询会被限制在 Pod 所在的名字空间内。要访问其他名字空间中的服务，需要在 DNS 查询中给出名字空间。

例如，假定名字空间 test 中存在一个 Pod，prod 名字空间中存在一个服务 data。

  • Pod 查询 data 时没有返回结果，因为使用的是 Pod 的名字空间 test。

  • Pod 查询 data.prod 时则会返回预期的结果，因为查询中指定了名字空间。

DNS 查询可以使用 Pod 中的 /etc/resolv.conf 展开。kubelet 会为每个 Pod 生成此文件。例如，对 data 的查询可能被展开为 data.test.cluster.local。search 选项的取值会被用来展开查询。要进一步了解 DNS 查询，可参阅 resolv.conf 手册页面。

nameserver 10.32.0.10
search <namespace>.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
options ndots:5

概括起来，名字空间 test 中的 Pod 可以成功地解析 data.prod 或者 data.prod.svc.cluster.local。

DNS 记录

哪些对象会获得 DNS 记录呢？

  1. Services
  2. Pods

以下各节详细介绍了被支持的 DNS 记录类型和被支持的布局。其它布局、名称或者查询即使碰巧可以工作，也应视为实现细节，将来很可能被更改而且不会因此发出警告。有关最新规范请查看 Kubernetes 基于 DNS 的服务发现。

服务

A/AAAA 记录

“普通” 服务（除了无头服务）会以 my-svc.my-namespace.svc.cluster-domain.example 这种名字的形式被分配一个 DNS A 或 AAAA 记录，取决于服务的 IP 协议族。该名称会解析成对应服务的集群 IP。

“无头（Headless）” 服务（没有集群 IP）也会以 my-svc.my-namespace.svc.cluster-domain.example 这种名字的形式被指派一个 DNS A 或 AAAA 记录，具体取决于服务的 IP 协议族。与普通服务不同，这一记录会被解析成对应服务所选择的 Pod 集合的 IP。客户端要能够使用这组 IP，或者使用标准的轮转策略从这组 IP 中进行选择。

SRV 记录

Kubernetes 会为命名端口创建 SRV 记录，这些端口是普通服务或无头服务的一部分。对每个命名端口，SRV 记录具有 _my-port-name._my-port-protocol.my-svc.my-namespace.svc.cluster-domain.example 这种形式。对普通服务，该记录会被解析成端口号和域名：my-svc.my-namespace.svc.cluster-domain.example。对无头服务，该记录会被解析成多个结果，服务对应的每个后端 Pod 各一个；其中包含 Pod 端口号和形为 auto-generated-name.my-svc.my-namespace.svc.cluster-domain.example 的域名。

Pods

A/AAAA 记录

一般而言，Pod 会对应如下 DNS 名字解析：

pod-ip-address.my-namespace.pod.cluster-domain.example

例如，对于一个位于 default 名字空间，IP 地址为 172.17.0.3 的 Pod，如果集群的域名为 cluster.local，则 Pod 会对应 DNS 名称：

172-17-0-3.default.pod.cluster.local.

Deployment 或通过 Service 暴露出来的 DaemonSet 所创建的 Pod 会有如下 DNS 解析名称可用：

pod-ip-address.deployment-name.my-namespace.svc.cluster-domain.example

Pod 的 hostname 和 subdomain 字段

当前，创建 Pod 时其主机名取自 Pod 的 metadata.name 值。

Pod 规约中包含一个可选的 hostname 字段，可以用来指定 Pod 的主机名。当这个字段被设置时，它将优先于 Pod 的名字成为该 Pod 的主机名。举个例子，给定一个 hostname 设置为 "my-host" 的 Pod，该 Pod 的主机名将被设置为 "my-host"。

Pod 规约还有一个可选的 subdomain 字段，可以用来指定 Pod 的子域名。举个例子，某 Pod 的 hostname 设置为 “foo”，subdomain 设置为 “bar”，在名字空间 “my-namespace” 中对应的完全限定域名（FQDN）为 “foo.bar.my-namespace.svc.cluster-domain.example”。

示例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: default-subdomain
spec:
  selector:
    name: busybox
  clusterIP: None
  ports:
  - name: foo # 实际上不需要指定端口号
    port: 1234
    targetPort: 1234
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox1
  labels:
    name: busybox
spec:
  hostname: busybox-1
  subdomain: default-subdomain
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    name: busybox
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox2
  labels:
    name: busybox
spec:
  hostname: busybox-2
  subdomain: default-subdomain
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    name: busybox

如果某无头服务与某 Pod 在同一个名字空间中，且它们具有相同的子域名，集群的 DNS 服务器也会为该 Pod 的全限定主机名返回 A 记录或 AAAA 记录。例如，在同一个名字空间中，给定一个主机名为 “busybox-1”、子域名设置为 “default-subdomain” 的 Pod，和一个名称为 “default-subdomain” 的无头服务，Pod 将看到自己的 FQDN 为 "busybox-1.default-subdomain.my-namespace.svc.cluster-domain.e

以上是关于[K8s]Kubernetes-服务负载均衡联网（上）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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Metallb - 贫苦 K8S 用户的负载均衡支持