更新时间:2022-01-26 GMT+08:00
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Service

直接访问Pod的问题

Pod创建完成后,如何访问Pod呢?直接访问Pod会有如下几个问题:

  • Pod会随时被Deployment这样的控制器删除重建,那访问Pod的结果就会变得不可预知。
  • Pod的IP地址是在Pod启动后才被分配,在启动前并不知道Pod的IP地址。
  • 应用往往都是由多个运行相同镜像的一组Pod组成,逐个访问Pod也变得不现实。

举个例子,假设有这样一个应用程序,使用Deployment创建了前台和后台,前台会调用后台做一些计算处理,如图1所示。后台运行了3个Pod,这些Pod是相互独立且可被替换的,当Pod出现状况被重建时,新建的Pod的IP地址是新IP,前台的Pod无法直接感知。

图1 Pod间访问

使用Service解决Pod的访问问题

Kubernetes中的Service对象就是用来解决上述Pod访问问题的。Service有一个固定IP地址(在创建CCE集群时有一个服务网段的设置,这个网段专门用于给Service分配IP地址),Service将访问它的流量转发给Pod,具体转发给哪些Pod通过Label来选择,而且Service可以给这些Pod做负载均衡。

那么对于上面的例子,为后台添加一个Service,通过Service来访问Pod,这样前台Pod就无需感知后台Pod的变化,如图2所示。

图2 通过Service访问Pod

创建后台Pod

首先创建一个3副本的Deployment,即3个Pod,且Pod上带有标签“app: nginx”,具体如下所示。

apiVersion: apps/v1      
kind: Deployment         
metadata:
  name: nginx            
spec:
  replicas: 3                    
  selector:              
    matchLabels:
      app: nginx
  template:              
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - image: nginx:latest
        name: container-0
        resources:
          limits:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
      imagePullSecrets:
      - name: default-secret

创建Service

下面示例创建一个名为“nginx”的Service,通过selector选择到标签“app:nginx”的Pod,目标Pod的端口为80,Service对外暴露的端口为8080。

访问服务只需要通过“服务名称:对外暴露的端口”接口,对应本例即“nginx:8080”。这样,在其他Pod中,只需要通过“nginx:8080”就可以访问到“nginx”关联的Pod。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx        # Service的名称
spec:
  selector:          # Label Selector,选择包含app=nginx标签的Pod
    app: nginx
  ports:
  - name: service0
    targetPort: 80   # Pod的端口
    port: 8080       # Service对外暴露的端口
    protocol: TCP    # 转发协议类型,支持TCP和UDP
  type: ClusterIP    # Service的类型

将上面Service的定义保存到nginx-svc.yaml文件中,使用kubectl创建这个Service。

$ kubectl create -f nginx-svc.yaml
service/nginx created

$ kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
kubernetes   ClusterIP   10.247.0.1       <none>        443/TCP    7h19m
nginx        ClusterIP   10.247.124.252   <none>        8080/TCP   5h48m

您可以看到Service有个Cluster IP,这个IP是固定不变的,除非Service被删除,所以您也可以使用ClusterIP在集群内部访问Service。

下面创建一个Pod并进入容器,使用ClusterIP访问Pod,可以看到能直接返回内容。

$ kubectl run -i --tty --image nginx:alpine test --rm /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # curl 10.247.124.252:8080
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...

使用ServiceName访问Service

通过DNS进行域名解析后,可以使用“ServiceName:Port”访问Service,这也是Kubernetes中最常用的一种使用方式。在创建CCE集群的时候,会默认要求安装CoreDNS插件,在kube-system命名空间下可以查看到CoreDNS的Pod。

$ kubectl get po --namespace=kube-system
NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
coredns-7689f8bdf-295rk                   1/1     Running   0          9m11s
coredns-7689f8bdf-h7n68                   1/1     Running   0          11m

CoreDNS安装成功后会成为DNS服务器,当创建Service后,CoreDNS会将Service的名称与IP记录起来,这样Pod就可以通过向CoreDNS查询Service的名称获得Service的IP地址。

访问时通过nginx.<namespace>.svc.cluster.local访问,其中nginx为Service的名称,<namespace>为命名空间名称,svc.cluster.local为域名后缀,在实际使用中,在同一个命名空间下可以省略<namespace>.svc.cluster.local,直接使用ServiceName即可。

例如上面创建的名为nginx的Service,直接通过“nginx:8080”就可以访问到Service,进而访问后台Pod。

使用ServiceName的方式有个主要的优点就是可以在开发应用程序时可以将ServiceName写在程序中,这样无需感知具体Service的IP地址。

下面创建一个Pod并进入容器,查询nginx域名的地址,可以发现是解析出nginx这个Service的IP地址10.247.124.252;同时访问Pod的域名,可以看到能直接返回内容。

$ kubectl run -i --tty --image tutum/dnsutils dnsutils --restart=Never --rm /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # nslookup nginx
Server:		10.247.3.10
Address:	10.247.3.10#53

Name:	nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.247.124.252

/ # curl nginx:8080
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...

Service是如何做到服务发现的

前面说到有了Service后,无论Pod如何变化,Service都能够发现到Pod。

如果调用kubectl describe命令查看Service的信息,您会看下如下信息。

$ kubectl describe svc nginx
Name:              nginx
......
Endpoints:         172.16.2.132:80,172.16.3.6:80,172.16.3.7:80
......

可以看到一个Endpoints,Endpoints同样也是Kubernetes的一种资源对象,可以查询得到。Kubernetes正是通过Endpoints监控到Pod的IP,从而让Service能够发现Pod。

$ kubectl get endpoints
NAME         ENDPOINTS                                     AGE
nginx        172.16.2.132:80,172.16.3.6:80,172.16.3.7:80   5h48m

这里的172.16.2.132:80是Pod的IP:Port,通过如下命令可以查看到Pod的IP,与上面的IP一致。

$ kubectl get po -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP             NODE         
nginx-869759589d-dnknn   1/1     Running   0          5h40m   172.16.3.7     192.168.0.212
nginx-869759589d-fcxhh   1/1     Running   0          5h40m   172.16.3.6     192.168.0.212
nginx-869759589d-r69kh   1/1     Running   0          5h40m   172.16.2.132   192.168.0.94

如果删除一个Pod,Deployment会将Pod重建,新的Pod IP会发生变化。

$ kubectl delete po nginx-869759589d-dnknn
pod "nginx-869759589d-dnknn" deleted

$ kubectl get po -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP             NODE         
nginx-869759589d-fcxhh   1/1     Running   0          5h41m   172.16.3.6     192.168.0.212
nginx-869759589d-r69kh   1/1     Running   0          5h41m   172.16.2.132   192.168.0.94 
nginx-869759589d-w98wg   1/1     Running   0          7s      172.16.3.10    192.168.0.212

再次查看Endpoints,会发现Endpoints的内容随着Pod发生了变化。

$ kubectl get endpoints
NAME         ENDPOINTS                                      AGE
kubernetes   192.168.0.127:5444                             7h20m
nginx        172.16.2.132:80,172.16.3.10:80,172.16.3.6:80   5h49m

下面进一步了解这又是如何实现的。

Kubernetes集群架构中介绍过Node节点上的kube-proxy,实际上Service相关的事情都由节点上的kube-proxy处理。在Service创建时Kubernetes会分配IP给Service,同时通过API Server通知所有kube-proxy有新Service创建了,kube-proxy收到通知后通过iptables记录Service和IP/端口对的关系,从而让Service在节点上可以被查询到。

下图是一个实际访问Service的图示,Pod X访问Service(10.247.124.252:8080),在往外发数据包时,在节点上根据iptables规则目的IP:Port被随机替换为Pod1的IP:Port,从而通过Service访问到实际的Pod。

除了记录Service和IP/端口对的关系,kube-proxy还会监控Service和Endpoint的变化,从而保证Pod重建后仍然能通过Service访问到Pod。

图3 Pod X访问Service的过程

Service的类型与使用场景

Service的类型除了ClusterIP还有NodePort、LoadBalancer和None,这几种类型的Service有着不同的用途。

  • ClusterIP:用于在集群内部互相访问的场景,通过ClusterIP访问Service。
  • NodePort:用于从集群外部访问的场景,通过节点上的端口访问Service,详细介绍请参见NodePort类型的Service
  • LoadBalancer:用于从集群外部访问的场景,其实是NodePort的扩展,通过一个特定的LoadBalancer访问Service,这个LoadBalancer将请求转发到节点的NodePort,而外部只需要访问LoadBalancer,详细介绍请参见LoadBalancer类型的Service
  • None:用于Pod间的互相发现,这种类型的Service又叫Headless Service,详细介绍请参见Headless Service

NodePort类型的Service

NodePort类型的Service可以让Kubemetes集群每个节点上保留一个相同的端口, 外部访问连接首先访问节点IP:Port,然后将这些连接转发给服务对应的Pod。如下图所示。

图4 NodePort Service
下面是一个创建NodePort类型的Service。创建完成后,可以通过节点的IP:Port访问到后台Pod。
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nodeport-service
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 8080
    targetPort: 80
    nodePort: 30120
  selector:
    app: nginx

创建并查看,可以看到PORT这一列为8080:30120/TCP,说明Service的8080端口是映射到节点的30120端口。

$ kubectl create -f nodeport.yaml 
service/nodeport-service created

$ kubectl get svc -o wide
NAME               TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE    SELECTOR
kubernetes         ClusterIP   10.247.0.1       <none>        443/TCP          107m   <none>
nginx              ClusterIP   10.247.124.252   <none>        8080/TCP         16m    app=nginx
nodeport-service   NodePort    10.247.210.174   <none>        8080:30120/TCP   17s    app=nginx

此时,通过节点IP:端口访问Service可以访问到Pod,如下所示。

$ kubectl run -i --tty --image nginx:alpine test --rm /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # curl 192.168.0.212:30120
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
......

LoadBalancer类型的Service

LoadBalancer类型的Service其实是NodePort类型Service的扩展,通过一个特定的LoadBalancer访问Service,这个LoadBalancer将请求转发到节点的NodePort。

LoadBalancer本身不是属于Kubernetes的组件,这部分通常是由具体厂商(云服务提供商)提供,不同厂商的Kubernetes集群与LoadBalancer的对接实现各不相同,例如华为云CCE对接了ELB。这就导致了创建LoadBalancer类型的Service有不同的实现。

图5 LoadBalancer Service
下面是一个创建LoadBalancer类型的Service。创建完成后,可以通过ELB的IP:Port访问到后台Pod。
apiVersion: v1 
kind: Service 
metadata: 
  annotations:   
    kubernetes.io/elb.id: 3c7caa5a-a641-4bff-801a-feace27424b6
  labels: 
    app: nginx 
  name: nginx 
spec: 
  loadBalancerIP: 10.78.42.242     #  ELB实例的IP地址
  ports: 
  - name: service0 
    port: 80
    protocol: TCP 
    targetPort: 80
    nodePort: 30120
  selector: 
    app: nginx 
  type: LoadBalancer    # 类型为LoadBalancer 

上面metadata.annotations里的参数配置是CCE的LoadBalancer类型Service需要配置的参数,表示这个Service绑定哪个ELB实例。CCE还支持创建LoadBalancer类型Service时新建ELB实例,详细的内容请参见负载均衡(LoadBalancer)

Headless Service

前面讲的Service解决了Pod的内外部访问问题,但还有下面这些问题没解决。

  • 同时访问所有Pod
  • 一个Service内部的Pod互相访问

Headless Service正是解决这个问题的,Headless Service不会创建ClusterIP,并且查询会返回所有Pod的DNS记录,这样就可查询到所有Pod的IP地址。StatefulSet中StatefulSet正是使用Headless Service解决Pod间互相访问的问题。

apiVersion: v1
kind: Service       # 对象类型为Service
metadata:
  name: nginx-headless
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
    - name: nginx     # Pod间通信的端口名称
      port: 80        # Pod间通信的端口号
  selector:
    app: nginx        # 选择标签为app:nginx的Pod
  clusterIP: None     # 必须设置为None,表示Headless Service

执行如下命令创建Headless Service。

# kubectl create -f headless.yaml 
service/nginx-headless created

创建完成后可以查询Service。

# kubectl get svc
NAME             TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx-headless   ClusterIP   None         <none>        80/TCP    5s

创建一个Pod来查询DNS,可以看到能返回所有Pod的记录,这就解决了访问所有Pod的问题了。

$ kubectl run -i --tty --image tutum/dnsutils dnsutils --restart=Never --rm /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # nslookup nginx-0.nginx
Server:         10.247.3.10
Address:        10.247.3.10#53
Name:   nginx-0.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 172.16.0.31

/ # nslookup nginx-1.nginx
Server:         10.247.3.10
Address:        10.247.3.10#53
Name:   nginx-1.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 172.16.0.18

/ # nslookup nginx-2.nginx
Server:         10.247.3.10
Address:        10.247.3.10#53
Name:   nginx-2.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 172.16.0.19
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