032.核心组件-kube-proxy

一 kube-proxy原理

1.1 kube-proxy概述

kubernetes为了支持集群的水平扩展、高可用性，抽象出了service的概念。service是对一组pod的抽象，它会根据访问策略（如负载均衡策略）来访问这组pod。kubernetes在创建service时会为service分配一个虚拟的ip地址，客户端通过访问这个虚拟的ip地址来访问服务，service则负责将请求转发到后端的pod上。

service作用类似反向代理，但与普通的反向代理有一些不同：首先，它的ip地址是虚拟的，默认情况无法从外面访问；其次，它的部署和启停是由kubernetes统一自动管理的。

然而，service是一个抽象概念，而真正提供service功能的是kube-proxy服务进程。在kubernetes集群的每个node上都会运行一个kube-proxy服务进程，可以简单理解此进程是service的透明代理兼负载均衡器，其核心功能是将到某个service的访问请求转发到后端的多个pod实例上。

此外，service的clusterip与nodeport等概念是kube-proxy服务通过iptables的nat转换实现的，kube-proxy在运行过程中动态创建与service相关的iptables规则，这些规则实现了将访问服务（clusterip或nodeport）的请求负载分发到后端pod的功能。

由于iptables机制针对的是本地的kube-proxy端口，所以在每个node上都要运行kube-proxy组件。这样一来，在kubernetes集群内部，才可以在任意node上发起对service的访问请求。

综上所述，由于kube-proxy的作用，在service的调用过程中客户端无须关心后端有几个pod，中间过程的通信、负载均衡及故障恢复都是透明的。

二 kube-proxy模式

2.1 userspace模式

起初，kube-proxy进程是一个真实的tcp/udp代理，类似haproxy，负责从service到pod的访问流量的转发，这种模式被称为userspace（用户空间代理）模式。

如图所示，当某个pod以clusterip方式访问某个service的时候，这个流量会被pod所在本机的iptables转发到本机的kube-proxy进程，然后由kube-proxy建立起到后端pod的tcp/udp连接，随后将请求转发到某个后端pod上，并在这个过程中实现负载均衡功能。

clusterip与nodeport的实现原理，以及kube-proxy与apiserver的交互过程，如下图所示：

提示：如上为旧版kube-proxy与apiserver的交互过程。

2.2 iptables模式

如图所示，kubernetes从1.2版本开始，将iptables作为kube-proxy的默认模式。iptables模式下的kube-proxy不再起到proxy的作用，其核心功能：通过api server的watch接口实时跟踪service与endpoint的变更信息，并更新对应的iptables规则，client的请求流量则通过iptables的nat机制“直接路由”到目标pod。

根据kubernetes的网络模型，一个node上的pod与其他node上的pod应该能够直接建立双向的tcp/ip通信通道，所以如果直接修改iptables规则，则也可以实现kube-proxy的功能，只不过后者更加高端，因为是全自动模式的。

与第1代的userspace模式相比，iptables模式完全工作在内核态，不用再经过用户态的kube-proxy中转，因而性能更强。

iptables模式虽然实现起来简单，但存在无法避免的缺陷：在集群中的service和pod大量增加以后，iptables中的规则会急速膨胀，导致性能显著下降，在某些极端情况下甚至会出现规则丢失的情况，并且这种故障难以重现与排查，于是kubernetes从1.8版本开始引入第3代的ipvs（ipvirtualserver）模式。

kube-proxy针对service和pod创建的一些主要的iptables规则如下。

• kube-cluster-ip：在masquerade-all=true或clustercidr指定的情况下对serviceclusterip地址进行伪装，以解决数据包欺骗问题。
• kube-external-ip：将数据包伪装成service的外部ip地址。
• kube-load-balancer、kube-load-balancerlocal：伪装loadbalancer类型的service流量。
• kube-node-port-tcp、kube-node-port-localtcp、kube-node-portudp、kube-node-port-local-udp：伪装nodeport类型的service流量。

2.3 ipvs模式

如图所示。ipvs在kubernetes1.11中升级为ga稳定版。iptables与ipvs虽然都是基于netfilter实现的，但因为定位不同，二者有着本质的差别：iptables是为防火墙而设计的；ipvs则专门用于高性能负载均衡，并使用更高效的数据结构（hash表），允许几乎无限的规模扩张，因此被kube-proxy采纳为第三代模式。

与iptables相比，ipvs拥有以下明显优势：

1. 为大型集群提供了更好的可扩展性和性能；
2. 支持比iptables更复杂的复制均衡算法（最小负载、最少连接、加权等）；
3. 支持服务器健康检查和连接重试等功能；
4. 可以动态修改ipset的集合，即使iptables的规则正在使用这个集合。

由于ipvs无法提供包过滤、airpin-masqueradetricks（地址伪装）、snat等功能，因此在某些场景（如nodeport的实现）下还要与iptables搭配使用。

在ipvs模式下，kube-proxy又做了重要的升级，即使用iptables的扩展ipset，而不是直接调用iptables来生成规则链。iptables规则链是一个线性的数据结构，ipset则引入了带索引的数据结构，因此当规则很多时，也可以很高效地查找和匹配。

可以将ipset简单理解为一个ip（段）的集合，这个集合的内容可以是ip地址、ip网段、端口等，iptables可以直接添加规则对这个“可变的集合”进行操作，这样做的好处在于可以大大减少iptables规则的数量，从而减少性能损耗。假设要禁止上万个ip访问我们的服务器，则用iptables的话，就需要一条一条地添加规则，会在iptables中生成大量的规则；但是用ipset的话，只需将相关的ip地址（网段）加入ipset集合中即可，这样只需设置少量的iptables规则即可实现目标。