kubernets kube-proxy的代理 iptables和ipvs
一、service和iptables的关系
service 的代理是 kube-proxy
kube-proxy 运行在所有节点上，它监听 apiserver 中 service 和 endpoint 的变化情况，创建路由规则以提供服务 IP 和负载均衡功能。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，而kube-proxy底层又是通过iptables和ipvs实现的。
iptables原理
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。
ipvs原理
IPVS在Kubernetes1.11中升级为GA稳定版。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采纳为最新模式。
在IPVS模式下，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。
kube-proxy ipvs和iptables的异同
iptables与IPVS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。
与iptables相比，IPVS拥有以下明显优势：
为大型集群提供了更好的可扩展性和性能；
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）；
支持服务器健康检查和连接重试等功能；
可以动态修改ipset的集合，即使iptables的规则正在使用这个集合。
二、k8s集群中分析service和kube-proxy
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。
# kubectl logs kube-proxy-5clwf -n kube-system （查看某一个节点的kube-proxy日志）
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W1014 13:25:02.120810 1 server_others.go:559] Unknown proxy mode``""``, assuming iptables proxy
I1014 13:25:02.137813 1 node.go:136] Successfully retrieved node IP: 192.168.40.133
I1014 13:25:02.137952 1 server_others.go:186] Using iptables Proxier.
I1014 13:25:02.138750 1 server.go:583] Version: v1.18.0
I1014 13:25:02.139344 1 conntrack.go:100] Set sysctl``‘net/netfilter/nf_conntrack_max‘ to 131072
# iptables -vnL 查看所有的规则
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Chain INPUT (policy ACCEPT 19577 packets, 3755K bytes)
pkts bytes target prot opt in out source destination
622K 121M cali-INPUT all -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* cali:Cz_u1IQiXIMmKD4c */
3017 162K KUBE-SERVICES all -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 ctstate NEW``/* kubernetes service portals */
3017 162K KUBE-EXTERNAL-SERVICES all -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 ctstate NEW``/* kubernetes externally-visible service portals */
652K 140M KUBE-FIREWALL all -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0
# iptables-save > iptables 保存规则，并输出到屏幕
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:cali-OUTPUT - [0:0]
:cali-PREROUTING - [0:0]
:cali-from-host-endpoint - [0:0]
:cali-to-host-endpoint - [0:0]
-A PREROUTING -m comment --comment``"cali:6gwbT8clXdHdC1b1" -j cali-PREROUTING
-A OUTPUT -m comment --comment``"cali:tVnHkvAo15HuiPy0" -j cali-OUTPUT
第一步：接收流量
NodePort访问入口规则：
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# kubectl get svc
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
kubernetes ClusterIP 10.96.0.1 <none> 443/TCP 78d
mydb ClusterIP 10.108.118.149 <none> 80/TCP 50d
nginx-dns NodePort 10.103.206.148 <none> 80:30296/TCP 49d
web-service NodePort 10.111.113.171 <none> 80:32681/TCP 49d
web1 NodePort 10.110.180.143 <none> 80:30746/TCP 12h
# iptables -S -t nat | grep 30746
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment``"default/web1:" -m tcp --dport 30746 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment``"default/web1:" -m tcp --dport 30746 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
CLUSTER-IP 访问入口规则：
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# iptables -S -t nat | grep 10.110.180.143 （cluster IP）
-A KUBE-SERVICES ! -s 10.244.0.0/16 -d 10.110.180.143/32 -p tcp -m comment --comment``"default/web1: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SERVICES -d 10.110.180.143/32 -p tcp -m comment --comment``"default/web1: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
第二步：按概率（probability）分配
（web1有3个pod副本，负载规则如下）
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# iptables -S -t nat | grep KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-N KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment``"default/web1:" -m tcp --dport 30746 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-A KUBE-SERVICES -d 10.110.180.143/32 -p tcp -m comment --comment``"default/web1: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment``"default/web1:" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-IXSCGLPBJ6ROUJNA
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment``"default/web1:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP （概论大，因为有两个pod在同一节点）
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment``"default/web1:" -j KUBE-SEP-DHYUVI6YLCFCEZBW
第三步：根据分配转发到实际pod中
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# kubectl get ep
NAME ENDPOINTS AGE
kubernetes 192.168.40.132:6443 78d
nginx-dns 10.244.166.145:80 49d
web-service 10.244.166.139:80 49d
web1 10.244.104.9:80,10.244.166.140:80,10.244.166.146:80 12h
# iptables -S -t nat | grep KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP
-N KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP
-A KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP -s 10.244.166.140/32 -m comment --comment``"default/web1:" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP -p tcp -m comment --comment``"default/web1:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.166.140:80（ep，到达某一节点的具体pod中）
-A KUBE-SVC-7YBM6NGNJ6RVLVXL -m comment --comment``"default/web1:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-5MMDFR2YQS26JCDP
三、kube-proxy 工作原理
kube-proxy当前实现了三种代理模式：userspace, iptables, ipvs
（1）userspace mode: userspace是在用户空间，通过kube-proxy来实现service的代理服务
（2）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
API Server 对内（集群中的其他组件）和对外（用户）提供统一的 REST API，其他组件均通过 API Server 进行通信
Controller Manager、Scheduler、Kube-proxy 和 Kubelet 等均通过 API Server watch API 监测资源变化情况，并对资源作相应的操作
（3）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:
k8s的service和endpoine是如何关联和相互影响的？
1、 api-server创建service对象，与service绑定的pod地址：称之为endpoints（kubectl get ep可以查看）
2、服务发现方面：kube-proxy监控service后端endpoint的动态变化，并且维护service和endpoint的映射关系
kubernetes服务注册（dns），服务发现是service
http://www.dockone.io/article/9936 有详细讲解
Kubernetes提供了两种方式进行服务发现, 即环境变量和DNS
（1）环境变量： 当你创建一个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:
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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
（2）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。
四、修改kube-proxy模式为ipvs（默认为iptables）
1、加载内核模块
# lsmod | grep ip_vs
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ip_vs_sh 12688 0
ip_vs_wrr 12697 0
ip_vs_rr 12600 0
ip_vs 145497 6 ip_vs_rr,ip_vs_sh,ip_vs_wrr
nf_conntrack 139264 7 ip_vs,nf_nat,nf_nat_ipv4,xt_conntrack,nf_nat_masquerade_ipv4,nf_conntrack_netlink,nf_conntrack_ipv4
libcrc32c 12644 4 xfs,ip_vs,nf_nat,nf_conntrack
2、升级内核模块，ipvs对内核版本有要求
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yum update -y
3、查看kube-proxy组件
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# kubectl get pod -n kube-system
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
kube-proxy-5clwf 1/1 Running 29 78d
kube-proxy-ht25x 1/1 Running 30 78d
kube-proxy-x9ml8 1/1 Running 30 78d
kube-scheduler-master 1/1 Running 49 78d
metrics-server-584b5f4754-7vlhm 1/1 Running 56 78d
4、产看kube-proxy的配置文件configmaps
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# kubectl get configmaps -n kube-system
NAME DATA AGE
calico-config 4 78d
coredns 1 78d
extension-apiserver-authentication 6 78d
kube-proxy 2 78d
kubeadm-config 2 78d
kubelet-config-1.18 1 78d
5、编辑kube-proxy的configmaps
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# kubectl edit configmaps kube-proxy -n kube-system
mode``"ipvs"
删除旧的kube-proxy,kubelet自动重新拉起，应用ipvs
# kubectl delete pod kube-proxy-x9ml8 -n kube-system
pod``"kube-proxy-x9ml8" deleted
[root@master ~]# kubectl``delete pod kube-proxy-ht25x -n kube-``system
pod``"kube-proxy-ht25x" deleted
# kubectl logs kube-proxy-4cnbn -n kube-system
I1015 14:03:08.402147 1 node.go:136] Successfully retrieved node IP: 192.168.40.132
I1015 14:03:08.402259 1 server_others.go:259] Using ipvs Proxier.
W1015 14:03:08.402618 1 proxier.go:429] IPVS scheduler not specified, use rr by``default
6、安装ipvsadm
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# yum install -y ipvsadm.x86_64
# ipvsadm -L -n
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 127.0.0.1:30564 rr （轮询规则）
-> 10.244.104.36:8080 Masq 1 0 0
-> 10.244.166.147:8080 Masq 1 0 0
TCP 127.0.0.1:32618 rr
-> 10.244.104.20:80 Masq 1 0 0
TCP 172.17.0.1:30564 rr
-> 10.244.104.36:8080 Masq 1 0 0
7、系统生成虚拟网卡kube-ipvs0
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# ip a
6: kube-ipvs0: <BROADCAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group``default
link/ether a2:09:a4:9d:fb:f8 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.110.180.143/32 brd 10.110.180.143 scope global kube-ipvs0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet 10.110.180.143/32专门用于接收svc web1的请求
8、svc的流量被ipvs分发
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# kubectl get svc
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
web1 NodePort 10.110.180.143 <none> 80:30746/TCP 23h
# curl 10.110.180.143
...
<title>Welcome to nginx!</title>
...
# kubectl get ep
NAME ENDPOINTS AGE
kubernetes 192.168.40.132:6443 78d
web1 10.244.104.15:80,10.244.166.143:80,10.244.166.148:80 23h
ipvs捕捉到svc的流量
# ipvsadm -L -n
TCP 10.110.180.143:80 rr
-> 10.244.104.15:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.166.143:80 Masq 1 0 0
-> 10.244.166.148:80 Masq 1 0 1
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