k8s入坑之路（8）kube-proxy详解

kube-proxy

每台机器上都运行一个 kube-proxy 服务，它监听 API server 中 service 和 endpoint 的变化情况，并通过 iptables 等来为服务配置负载均衡（仅支持 TCP 和 UDP）。

kube-proxy 可以直接运行在物理机上，也可以以 static pod 或者 daemonset 的方式运行。

kube-proxy 当前支持以下几种实现

• userspace：最早的负载均衡方案，它在用户空间监听一个端口，所有服务通过 iptables 转发到这个端口，然后在其内部负载均衡到实际的 Pod。该方式最主要的问题是效率低，有明显的性能瓶颈。
• iptables：目前推荐的方案，完全以 iptables 规则的方式来实现 service 负载均衡。该方式最主要的问题是在服务多的时候产生太多的 iptables 规则，非增量式更新会引入一定的时延，大规模情况下有明显的性能问题
• ipvs：为解决 iptables 模式的性能问题，v1.11 新增了 ipvs 模式（v1.8 开始支持测试版，并在 v1.11 GA），采用增量式更新，并可以保证 service 更新期间连接保持不断开
• winuserspace：同 userspace，但仅工作在 windows 节点上

注意：使用 ipvs 模式时，需要预先在每台 Node 上加载内核模块 nf_conntrack_ipv4, ip_vs, ip_vs_rr, ip_vs_wrr, ip_vs_sh 等。

 1 # load module <module_name>
 2 modprobe -- ip_vs
 3 modprobe -- ip_vs_rr
 4 modprobe -- ip_vs_wrr
 5 modprobe -- ip_vs_sh
 6 modprobe -- nf_conntrack_ipv4
 7 # to check loaded modules, use
 8 lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4
 9 # or
10 cut -f1 -d " "  /proc/modules | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4

Iptables 示例

 1 # Masquerade
 2 -A KUBE-MARK-DROP -j MARK --set-xmark 0x8000/0x8000
 3 -A KUBE-MARK-MASQ -j MARK --set-xmark 0x4000/0x4000
 4 -A KUBE-POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes service traffic requiring SNAT" -m mark --mark 0x4000/0x4000 -j MASQUERADE
 5 # clusterIP and publicIP
 6 -A KUBE-SERVICES ! -s 10.244.0.0/16 -d 10.98.154.163/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ
 7 -A KUBE-SERVICES -d 10.98.154.163/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
 8 -A KUBE-SERVICES -d 12.12.12.12/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA
 9 # Masq for publicIP
10 -A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-MARK-MASQ
11 -A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
12 -A KUBE-FW-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: loadbalancer IP" -j KUBE-MARK-DROP
13 # Masq for nodePort
14 -A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp --dport 30938 -j KUBE-MARK-MASQ
15 -A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp --dport 30938 -j KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA
16 # load balance for each endpoints
17 -A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -m statistic --mode random --probability 0.33332999982 -j KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H
18 -A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR
19 -A KUBE-SVC-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR
20 # endpoint #1
21 -A KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR -s 10.244.3.4/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
22 -A KUBE-SEP-6QCC2MHJZP35QQAR -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.3.4:80
23 # endpoint #2
24 -A KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR -s 10.244.2.4/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
25 -A KUBE-SEP-TOYRWPNILILHH3OR -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.4:80
26 # endpoint #3
27 -A KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H -s 10.244.1.2/32 -m comment --comment "default/nginx:" -j KUBE-MARK-MASQ
28 -A KUBE-SEP-UXHBWR5XIMVGXW3H -p tcp -m comment --comment "default/nginx:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.2:80

如果服务设置了 externalTrafficPolicy: Local 并且当前 Node 上面没有任何属于该服务的 Pod，那么在 KUBE-XLB-4N57TFCL4MD7ZTDA 中会直接丢掉从公网 IP 请求的包：

-A KUBE-XLB-4N57TFCL4MD7ZTDA -m comment --comment "default/nginx: has no local endpoints" -j KUBE-MARK-DROP

ipvs 示例

 1 $ ipvsadm -ln
 2 IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
 3 Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
 4   -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
 5 TCP  10.0.0.1:443 rr persistent 10800
 6   -> 192.168.0.1:6443             Masq    1      1          0
 7 TCP  10.0.0.10:53 rr
 8   -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0
 9 UDP  10.0.0.10:53 rr
10   -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0

注意，IPVS 模式也会使用 iptables 来执行 SNAT 和 IP 伪装（MASQUERADE），并使用 ipset 来简化 iptables 规则的管理：

ipset 名	成员	用途
KUBE-CLUSTER-IP	All service IP + port	Mark-Masq for cases that masquerade-all=true or clusterCIDR specified
KUBE-LOOP-BACK	All service IP + port + IP	masquerade for solving hairpin purpose
KUBE-EXTERNAL-IP	service external IP + port	masquerade for packages to external IPs
KUBE-LOAD-BALANCER	load balancer ingress IP + port	masquerade for packages to load balancer type service
KUBE-LOAD-BALANCER-LOCAL	LB ingress IP + port with externalTrafficPolicy=local	accept packages to load balancer with externalTrafficPolicy=local
KUBE-LOAD-BALANCER-FW	load balancer ingress IP + port with loadBalancerSourceRanges	package filter for load balancer with loadBalancerSourceRanges specified
KUBE-LOAD-BALANCER-SOURCE-CIDR	load balancer ingress IP + port + source CIDR	package filter for load balancer with loadBalancerSourceRanges specified
KUBE-NODE-PORT-TCP	nodeport type service TCP port	masquerade for packets to nodePort(TCP)
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP	nodeport type service TCP port with externalTrafficPolicy=local	accept packages to nodeport service with externalTrafficPolicy=local
KUBE-NODE-PORT-UDP	nodeport type service UDP port	masquerade for packets to nodePort(UDP)
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-UDP	nodeport type service UDP port withexternalTrafficPolicy=local	accept packages to nodeport service withexternalTrafficPolicy=local

启动 kube-proxy 示例

1 kube-proxy --kubeconfig=/var/lib/kubelet/kubeconfig --cluster-cidr=10.240.0.0/12 --feature-gates=ExperimentalCriticalPodAnnotation=true --proxy-mode=iptables

kube-proxy 工作原理

kube-proxy 监听 API server 中 service 和 endpoint 的变化情况，并通过 userspace、iptables、ipvs 或 winuserspace 等 proxier 来为服务配置负载均衡（仅支持 TCP 和 UDP）。

kube-proxy 不足

kube-proxy 目前仅支持 TCP 和 UDP，不支持 HTTP 路由，并且也没有健康检查机制。这些可以通过自定义 Ingress Controller 的方法来解决。