Kubernetes Service: 服务发现与负载均衡

深入解析 Service 类型, kube-proxy 实现模式, Endpoint 管理及 Headless 服务机制.

Kubernetes Service 为一组动态变化的 Pod 提供稳定的访问入口, 实现服务发现和负载均衡.

1. Service 核心概念

1.1 为什么需要 Service

问题	Service 解决方案
Pod IP 动态变化	提供稳定的 ClusterIP
Pod 水平扩缩	自动更新 Endpoints
多副本负载均衡	kube-proxy 实现
服务发现	DNS 记录 (`svc.namespace.svc.cluster.local`)

2. Service 类型

2.1 ClusterIP (默认)

仅在集群内部可访问:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: my-app
  ports:
  - port: 80           # Service 端口
    targetPort: 8080   # Pod 端口

2.2 NodePort

在每个节点上暴露端口 (30000-32767):

spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
    nodePort: 30080    # 可选, 不指定则自动分配

2.3 LoadBalancer

请求云厂商创建负载均衡器:

spec:
  type: LoadBalancer
  loadBalancerIP: 10.0.0.1  # 可选, 指定 IP
  externalTrafficPolicy: Local  # 保留客户端 IP

字段	作用
`loadBalancerIP`	请求特定 IP (需云厂商支持)
`externalTrafficPolicy`	`Cluster` (默认) 或 `Local`
`allocateLoadBalancerNodePorts`	是否分配 NodePort

2.4 ExternalName

将 Service 映射到外部 DNS:

spec:
  type: ExternalName
  externalName: db.example.com

3. kube-proxy 实现模式

kube-proxy 运行在每个节点, 负责实现 Service 的流量转发.

3.1 iptables 模式 (默认)

iptables 规则示例:

# Service 入口链
-A KUBE-SERVICES -d 10.96.0.1/32 -p tcp -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-xxx

# 负载均衡 (随机选择)
-A KUBE-SVC-xxx -m statistic --mode random --probability 0.5 -j KUBE-SEP-aaa
-A KUBE-SVC-xxx -j KUBE-SEP-bbb

# 端点 DNAT
-A KUBE-SEP-aaa -p tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.5:8080

特点:

规则数量与 Service × Endpoints 成正比
大规模集群性能下降
不支持连接级负载均衡

3.2 IPVS 模式

使用 Linux IPVS (IP Virtual Server) 实现:

# 查看 IPVS 规则
ipvsadm -Ln

# 输出示例
TCP  10.96.0.1:80 rr
  -> 10.244.1.5:8080    Masq    1      0          0
  -> 10.244.2.3:8080    Masq    1      0          0

IPVS 负载均衡算法:

算法	描述
`rr`	轮询 (Round Robin)
`lc`	最少连接
`dh`	目标哈希
`sh`	源哈希
`sed`	最短预期延迟
`nq`	永不排队

启用 IPVS:

# kube-proxy ConfigMap
mode: ipvs
ipvs:
  scheduler: rr

优势:

O(1) 复杂度查找
更好的大规模性能
丰富的负载均衡算法

3.3 nftables 模式 (1.29+)

使用 nftables 替代 iptables, 提供更好的性能和可维护性.

4. Endpoints 与 EndpointSlices

4.1 Endpoints

apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: my-service  # 必须与 Service 同名
subsets:
- addresses:
  - ip: 10.244.1.5
  - ip: 10.244.2.3
  ports:
  - port: 8080

4.2 EndpointSlices (推荐)

解决大规模 Endpoints 的问题:

apiVersion: discovery.k8s.io/v1
kind: EndpointSlice
metadata:
  name: my-service-abc
  labels:
    kubernetes.io/service-name: my-service
addressType: IPv4
endpoints:
- addresses:
  - "10.244.1.5"
  conditions:
    ready: true
    serving: true
    terminating: false
  nodeName: node-1
ports:
- port: 8080
  protocol: TCP

优势:

单个 Slice 最多 100 个端点
增量更新, 减少 API Server 负载
支持 IPv6, 拓扑感知

5. Headless Service

不分配 ClusterIP, 直接返回 Pod IP:

spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: my-app

5.1 DNS 解析

# 普通 Service
dig my-service.default.svc.cluster.local
# 返回 ClusterIP

# Headless Service
dig my-service.default.svc.cluster.local
# 返回所有 Pod IP

5.2 StatefulSet 配合

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql  # 关联 Headless Service

DNS 记录:

mysql-0.mysql.default.svc.cluster.local
mysql-1.mysql.default.svc.cluster.local

6. 会话亲和性 (Session Affinity)

spec:
  sessionAffinity: ClientIP
  sessionAffinityConfig:
    clientIP:
      timeoutSeconds: 10800  # 3 小时

模式	行为
`None`	默认, 无亲和性
`ClientIP`	同一客户端 IP 路由到同一 Pod

7. 外部流量策略

7.1 externalTrafficPolicy

spec:
  type: LoadBalancer
  externalTrafficPolicy: Local

策略	行为	客户端 IP
`Cluster`	跨节点负载均衡	SNAT 丢失
`Local`	仅本节点 Pod	保留

7.2 internalTrafficPolicy

spec:
  internalTrafficPolicy: Local

优先使用本节点的 Pod 处理请求, 减少跨节点流量.

8. 多端口 Service

spec:
  ports:
  - name: http
    port: 80
    targetPort: 8080
  - name: https
    port: 443
    targetPort: 8443
  - name: grpc
    port: 9090
    targetPort: 9090
    appProtocol: grpc  # 应用协议提示

9. Service 拓扑感知

9.1 Topology Aware Hints

spec:
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
  internalTrafficPolicy: Local

启用后, kube-proxy 优先路由到同可用区的 Pod.

9.2 Topology Keys (已废弃)

被 Topology Aware Hints 替代.

10. 调试与排查

# 查看 Service
kubectl get svc my-service -o wide

# 查看 Endpoints
kubectl get endpoints my-service
kubectl get endpointslices -l kubernetes.io/service-name=my-service

# 查看 iptables 规则
iptables-save | grep my-service

# 查看 IPVS 规则
ipvsadm -Ln | grep <ClusterIP>

# DNS 测试
kubectl run -it --rm debug --image=busybox -- nslookup my-service

Service 是 Kubernetes 网络模型的核心抽象. 理解 kube-proxy 的实现机制, 有助于在复杂网络环境中排查连接问题.

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