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【作者】陳成，中國聯通軟件研究院容器云研發工程師，公共平臺與架構研發事業部云計算研發組長，長期從事大規模基礎平臺建設相關工作，先后從事Mesos、KVM、K8S等研究，專注于容器云計算框架、集群調度、虛擬化等。

故事的開始，讓我們先從一件生產故障說起。5月29日，內部某系統出現大規模訪問Service故障，發現Pod容器內無法正常訪問ServiceIP:Port，整個故障持續時間超過12h，相關運維支撐人員沒有找到根本原因和解決辦法。

經過復盤，我們發現，大家對于K8S Service的原理不夠清晰，導致對問題的定位不能做得到快速準確，如果當時能夠按照如下的思路去思考問題，排查過程不至于花費如此久的時間。

下面，我們就來細說一下Service在Kubernetes中的作用、使用方法及原理。

Service是一種暴露一組Pod網絡的抽象方式，K8S Service提供了針對于一組Pod的負載均衡的暴露。通過這樣的方式，可以避免不同的pod之間訪問時需要知曉對應pod網絡信息的痛苦。例如：前端->后端，由于前端POD IP隨時變動，后端亦如此，如何處理前端POD和后端POD的通信，就需要Service這一抽象，來保證簡單可靠。

Service的使用

1、典型服務配置方法

當配置了selector之后，Service Controller會自動查找匹配這個selector的pod，并且創建出一個同名的endpoint對象，負責具體service之后連接。

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  name: my-servicespec:  selector:    app: MyApp  ports:    - protocol: TCP      port: 80      targetPort: 9376

2、配置沒有selector的服務

沒有selector的service不會出現Endpoint的信息，需要手工創建Endpoint綁定，Endpoint可以是內部的pod，也可以是外部的服務。

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  name: my-servicespec:  ports:    - protocol: TCP      port: 80      targetPort: 9376---apiVersion: v1kind: Endpointsmetadata:  name: my-servicesubsets:  - addresses:      - ip: 192.0.2.42    ports:      - port: 9376

Service的類型

1.CluserIP

kubectl expose pod nginx --type=CluserIP --port=80 --name=ng-svc apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  name: ng-svc  namespace: defaultspec:  selector:      name: nginx  clusterIP: 11.254.0.2  ports:  - name: http    port: 80    protocol: TCP    targetPort: 1234  sessionAffinity: None  type: ClusterIP

2.LoadBalance

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  name: my-servicespec:  selector:    app: MyApp  ports:  - protocol: TCP    port: 80    targetPort: 9376  clusterIP: 10.0.171.239  type: LoadBalancerstatus:  loadBalancer:    ingress:    - ip: 192.0.2.127

3.NodePort

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:name: my-servicespec:type: NodePortselector:  app: MyAppports:  - port: 80    targetPort: 80    nodePort: 30007

4.ExternalName5.Headless

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  labels:    run: curl  name: my-headless-service  namespace: defaultspec:  clusterIP: None  ports:  - port: 80    protocol: TCP    targetPort: 80  selector:    run: curl  type: ClusterIP

對定義了選擇算符的無頭服務，Endpoint 控制器在 API 中創建了 Endpoints 記錄，并且修改 DNS 配置返回 A 記錄（IP 地址），通過這個地址直接到達 Service 的后端 Pod 上。

# ping my-headless-servicePING my-headless-service (172.200.6.207): 56 data bytes64 bytes from 172.200.6.207: seq=0 ttl=64 time=0.040 ms64bytesfrom172.200.6.207:seq=1ttl=64time=0.063ms

對沒有定義選擇算符的無頭服務，Endpoint 控制器不會創建 Endpoints 記錄。然而 DNS 系統會查找和配置，無論是：

對于 ExternalName 類型的服務，查找其 CNAME 記錄
對所有其他類型的服務，查找與 Service 名稱相同的任何 Endpoints 的記錄

Service的實現方式

1.用戶態代理訪問

即：當對于每個Service，Kube-Proxy會在本地Node上打開一個隨機選擇的端口，連接到代理端口的請求，都會被代理轉發給Pod。那么通過Iptables規則，捕獲到達Service:Port的請求都會被轉發到代理端口，代理端口重新轉為對Pod的訪問

這種方式的缺點是存在內核態轉為用戶態，再有用戶態轉發的兩次轉換，性能較差，一般不再使用

2.Iptables模式

3.Ipvs模式

Service Iptables實現原理

Iptables表和鏈及處理過程

Service的Traffic流量將會通過prerouting和output重定向到kube-service鏈

-APREROUTING-mcomment--comment"kubernetesserviceportals"-jKUBE-SERVICES-APOSTROUTING-mcomment--comment"kubernetespostroutingrules"-jKUBE-POSTROUTING-A OUTPUT -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES

KUBE-SERVICES->KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX->KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX represents a ClusterIP service
KUBE-NODEPORTS->KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX->KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX represents a NodePort service

幾種不同類型的Service在Kube-Proxy啟用Iptables模式下上的表現

ClusterIP

-A KUBE-SERVICES ! -s 172.200.0.0/16 -d 10.100.160.92/32 -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http cluster IP" -m tcp --dport 30080 -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SERVICES -d 10.100.160.92/32 -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http cluster IP" -m tcp --dport 30080 -j KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ  

-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-PVCYYXEU44D3IMGK-A KUBE-SVC-76GERFBRR2RGHNBJ -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -j KUBE-SEP-JECGZLHE32MEARRX-AKUBE-SVC-CEZPIJSAUFW5MYPQ-mcomment--comment"kubernetes-dashboard/kubernetes-dashboard"-jKUBE-SEP-QO6MV4HR5U56RP7M

-A KUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB -s 172.200.6.224/32 -m comment --comment "default/ccs-gateway-clusterip:http" -j KUBE-MARK-MASQ-AKUBE-SEP-GBVECAZBIC3ZKMXB-ptcp-mcomment--comment"default/ccs-gateway-clusterip:http"-mtcp-jDNAT--to-destination172.200.6.224:80...

NodePort

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:labels:  app: ccs-gatewayspec:clusterIP: 10.101.156.39externalTrafficPolicy: Clusterports:- name: http  nodePort: 30081  port: 30080  protocol: TCP  targetPort: 80selector:  app: ccs-gatewaysessionAffinity: Nonetype: NodePort

-AKUBE-NODEPORTS-ptcp-mcomment--comment"default/ccs-gateway-service:http"-mtcp--dport30081-jKUBE-MARK-MASQ-AKUBE-NODEPORTS-ptcp-mcomment--comment"default/ccs-gateway-service:http"-mtcp--dport30081-jKUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K############################-AKUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K-mcomment--comment"default/ccs-gateway-service:http"-mstatistic--moderandom--probability0.50000000000-jKUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL-AKUBE-SVC-QYHRFFHL5VINYT2K-mcomment--comment"default/ccs-gateway-service:http"-jKUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q##########################-AKUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL-s172.200.6.224/32-mcomment--comment"default/ccs-gateway-service:http"-jKUBE-MARK-MASQ-AKUBE-SEP-2NPKETIWKKVUXGCL-ptcp-mcomment--comment"default/ccs-gateway-service:http"-mtcp-jDNAT--to-destination172.200.6.224:80#########################-AKUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q-s172.200.6.225/32-mcomment--comment"default/ccs-gateway-service:http"-jKUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SEP-6O5FHQRN5IVNPW4Q -p tcp -m comment --comment "default/ccs-gateway-service:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.200.6.225:80

同時，可以看到Service所申請的端口38081被Kube-proxy所代理和監聽

# netstat -ntlp | grep 30081tcp       0      00.0.0.0:30081           0.0.0.0:*               LISTEN     3665705/kube-proxy

LoadBalancer

不帶有Endpoint的Service

kubectl create svc clusterip fake-endpoint --tcp=80 -A KUBE-SERVICES -d 10.101.117.0/32 -p tcp -m comment --comment "default/fake-endpoint:80 has no endpoints" -m tcp --dport 80 -j REJECT --reject-with icmp-port-unreachable

帶有外部endpoint的Service

直接通過iptable規則轉發到對應的外部ep地址

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  labels:    app: external  name: external  namespace: defaultspec:  ports:  - name: http    protocol: TCP    port: 80  sessionAffinity: None  type: ClusterIP---apiVersion: v1kind: Endpointsmetadata:  labels:    app: external  name: external  namespace: defaultsubsets:- addresses:  - ip: 10.124.142.43  ports:  - name: http    port: 80protocol: TCP

-A KUBE-SERVICES ! -s 172.200.0.0/16 -d 10.111.246.87/32 -p tcp -m comment --comment "default/external:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SERVICES -d 10.111.246.87/32 -p tcp -m comment --comment "default/external:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-LI2K5327B6J24KJ3 

-A KUBE-SEP-QTGIPNOYXN2CZGD5 -s 10.124.142.43/32 -m comment --comment "default/external:http" -j KUBE-MARK-MASQ-A KUBE-SEP-QTGIPNOYXN2CZGD5 -p tcp -m comment --comment "default/external:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.124.142.43:80

總結

ClusterIP類型，KubeProxy監聽Service和Endpoint創建規則，采用DNAT將目標地址轉換為Pod的ip和端口，當有多個ep時，按照策略進行轉發，默認RR模式時，iptables采用：比如有4個實例，四條規則的概率分別為0.25, 0.33, 0.5和 1，按照順序，一次匹配完成整個流量的分配。
NodePort類型，將會在上述ClusterIP模式之后，再加上Kube-Proxy的監聽（為了確保其他服務不會占用該端口）和KUBE-NODEPORT的iptable規則