kube-proxy原理

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 2021/10/03   Share

kube-proxy的作用

kube-proxy是Kubernetes的核心组件，部署在每个Node节点上，它是实现Kubernetes Service的通信与负载均衡机制的重要组件; kube-proxy负责为Pod创建代理服务，从apiserver获取所有server信息，并根据server信息创建代理服务，实现server到Pod的请求路由和转发，从而实现K8s层级的虚拟转发网络。

在k8s中，提供相同服务的一组pod可以抽象成一个service，通过service提供的统一入口对外提供服务，每个service都有一个虚拟IP地址（VIP）和端口号供客户端访问。kube-proxy存在于各个node节点上，主要用于Service功能的实现，具体来说，就是实现集群内的客户端pod访问service，或者是集群外的主机通过NodePort等方式访问service。在当前版本的k8s中，kube-proxy默认使用的是iptables模式，通过各个node节点上的iptables规则来实现service的负载均衡，但是随着service数量的增大，iptables模式由于线性查找匹配、全量更新等特点，其性能会显著下降。从k8s的1.8版本开始，kube-proxy引入了IPVS模式，IPVS模式与iptables同样基于Netfilter，但是采用的hash表，因此当service数量达到一定规模时，hash查表的速度优势就会显现出来，从而提高service的服务性能。

kube-proxy负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡，它运行在每个Node计算节点上，负责Pod网络代理, 它会定时从etcd服务获取到service信息来做相应的策略，维护网络规则和四层负载均衡工作。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。

总结

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。
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。

举个例子，比如现在有podA，podB，podC和serviceAB。serviceAB是podA，podB的服务抽象(service)。那么kube-proxy的作用就是可以将pod(不管是podA，podB或者podC)向serviceAB的请求，进行转发到service所代表的一个具体pod(podA或者podB)上。请求的分配方法一般分配是采用轮询方法进行分配。另外，kubernetes还提供了一种在node节点上暴露一个端口，从而提供从外部访问service的方式。比如这里使用这样的一个yml来创建service。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    name: mysql
    role: service
  name: mysql-service
spec:
  ports:
    - port: 3306
      targetPort: 3306
      nodePort: 30964
  type: NodePort
  selector:
    mysql-service: "true"

Service, Endpoints与Pod的关系

Kube-proxy进程获取每个Service的Endpoints,实现Service的负载均衡功能

Service的负载均衡转发规则

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。

kubernetes服务发现

Kubernetes提供了两种方式进行服务发现, 即环境变量和DNS, 简单说明如下:

环境变量：当创建一个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

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。

kubernetes发布(暴露)服务

kubernetes原生的，一个Service的ServiceType决定了其发布服务的方式。

ClusterIP：这是k8s默认的ServiceType。通过集群内的ClusterIP在内部发布服务。
NodePort：这种方式是常用的，用来对集群外暴露Service，你可以通过访问集群内的每个NodeIP:NodePort的方式，访问到对应Service后端的Endpoint。
LoadBalancer: 这也是用来对集群外暴露服务的，不同的是这需要Cloud Provider的支持，比如AWS等。
ExternalName：这个也是在集群内发布服务用的，需要借助KubeDNS(version >= 1.7)的支持，就是用KubeDNS将该service和ExternalName做一个Map，KubeDNS返回一个CNAME记录。

kube-proxy 工作原理

kube-proxy当前实现了三种代理模式：userspace, iptables, ipvs。其中userspace mode是v1.0及之前版本的默认模式，从v1.1版本中开始增加了iptables mode，在v1.2版本中正式替代userspace模式成为默认模式。也就是说kubernetes在v1.2版本之前是默认模式, v1.2版本之后默认模式是iptables。

userspace mode

userspace是在用户空间，通过kube-proxy来实现service的代理服务, 其原理如下:

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.

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:

由此分析: 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。

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. 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。

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:

由此分析: 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。

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:

由此分析：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。

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