k8s-service中iptable cluster ip实现原理

本篇文章为大家展示了k8s-service中iptable cluster ip实现原理，内容简明扼要并且容易理解，绝对能使你眼前一亮，通过这篇文章的详细介绍希望你能有所收获。

在这里我们主要介绍集群内的负载均衡。对于k8s集群中的服务是需要相互访问的，一般我们都会为之创建相应的service，对于集群内部的service类型我们一般设置成cluster ip。对于一个cluster ip后面会关联多个endpoints，也就是实际的pod。对于cluster ip的访问，也就是实现了对cluster ip关联的多个endpoints访问。关于cluster ip和endpoints的流量负载均衡，一般有iptable方式和ipvs方式，在以前文章里有所介绍。这里我们主要以实际例子来介绍iptable的实现方式。另外cluster ip是虚拟ip，言外之意就是这个ip没有和任何device绑定，所以当你对这个ip进行例如ping或者traceroute命令的时候是不会得到应答的。

查看部署的nginx application的service，我们可以看到：

• 这个service为cluster ip类型

• cluster ip为10.254.226.173

• 这个cluster ip关联了2个endpoints：10.1.27.4:80和10.1.79.3:80
  

kubectl describe service service-nginx-app -n default

查看host network namespace iptable的nat表：

iptables -nvL -t nat

对于PREROUTING chain中，所有的流量都走到了KUBE-SERVICES这个target中。请注意PREROUTING chain是流量到达之后的第一个入口。试想我们在pod里运行命令curl http://10.254.226.173，根据以前文章里介绍的容器内部路由表，数据包应该是这样的流动：

• 在pod中，根据路由表发现cluster ip(10.254.226)走默认路由，选择了默认网关。

• 在pod中，默认网关的ip地址就是宿主netwok namespace的docker0的ip地址，并且默认网关为直连路由。

• 在pod中，根据路由表，使用eth0 device发送数据，根据以前文章，eth0本质是veth pair在pod network namespace的一端，另一端attach在宿主netwok namespace的docker0 bridge上。

• 根据以前文章介绍的veth pair，数据从pod network namespace的一端发出，进入到了attached到docker0 bridge上的另一端。

• docker0 bridge收到数据之后，自然就来到了host network namesapce的PREROUTING chain。

查看KUBE-SERVICES target：

iptables -nvL -t nat | grep KUBE-SVC

在KUBE-SERVICES target中我们可以看到目标地址为cluster ip10.254.226.173的匹配target为KUBE-SVC-ETZVW7ENORYJBYB4。

查看KUBE-SVC-ETZVW7ENORYJBYB4 target：

iptables -nvL -t nat

在KUBE-SVC-ETZVW7ENORYJBYB4 target中我们可以看到：

• 有2个target，分别是KUBE-SEP-L6A5J2X5SCQGCA7Z和KUBE-SEP-U7JQ3R4SRIDMQ4UH

• 在KUBE-SEP-L6A5J2X5SCQGCA7Z中有statistic mode random probability 0.5

• 对于statistic mode random probability 0.5是利用了iptable内核随机模块，随机比率为0.5，也就是50%。

• 所以对于上面的意思是有一半的随机比率进入到KUBE-SEP-L6A5J2X5SCQGCA7Z target当中，那么自然另一个target的随机比率也是一半了。

• 由此可见，是通过随机模块来均匀的实现负载均衡的。

查看KUBE-SEP-L6A5J2X5SCQGCA7Z和UBE-SEP-L6A5J2X5SCQGCA7Z target：

iptables -nvL -t nat

在这2个target中我们可以看到：

• 分别做了MASQ操作，当然这个应该是出站engress流量(限定了source ip)，不是我们的入站ingress流量。

• 做了DNAT操作，把原来的cluster ip给DANT转换成了pod的ip 10.1.27.4和10.1.79.3。把原来的port转换成了80 port

• 经过这个一系列iptable的target我们的原始请求10.254.226.173:80就变成了10.1.27.4:80或者10.1.79.3:80，而且两者转变的机率各是50%。

• 根据iptable，经过PREROUTING chain发现DNAT之后的10.1.27.4或者10.1.79.3不是本地的ip(肯定不是，因为这两个ip是pod的ip，当然不会在host的network namespace里)。所以就走到了Forwarding chain中，根据host network namespace的路由表来决定下一跳地址。

所以综合上面的例子，对于ipable方式的k8s集群内cluster-ip类型的service总结为：

• 流量从pod network namespace中走到host netwok namespace的docker0中。

• 在host netwok namespace的PREROUTING chain中会经过一系列target。

• 在这些target里根据iptable内核随机模块来实现匹配endpoint target，随机比率为均匀分配，实现均匀的负载均衡。

• 在endpoint target里实现了DNAT，也就是将目标地址cluster ip转化为实际的pod的ip。

• cluster ip是虚拟ip，不会和任何device绑定。

• 负载均衡为内核实现，使用均匀负载均衡，不可以有自定义的负载均衡算法。

• 需要host开启路由转发功能(net.ipv4.ip_forward = 1)。

• 数据包在host netwok namespace中经过转换以及DNAT之后，由host network namespace的路由表来决定下一跳地址。

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