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37 | 找到容器不容易：Service、DNS与服务发现
你好，我是张磊。今天我和你分享的主题是：找到容器不容易之Service、DNS与服务发现。
在前面的文章中，我们已经多次使用到了Service这个Kubernetes里重要的服务对象。而Kubernetes之所以需要Service，一方面是因为Pod的IP不是固定的，另一方面则是因为一组Pod实例之间总会有负载均衡的需求。
一个最典型的Service定义，如下所示：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: hostnames
spec:
selector:
app: hostnames
ports:
- name: default
protocol: TCP
port: 80
targetPort: 9376
这个Service的例子，相信你不会陌生。其中，我使用了selector字段来声明这个Service只代理携带了app=hostnames标签的Pod。并且，这个Service的80端口，代理的是Pod的9376端口。
然后，我们的应用的Deployment，如下所示：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: hostnames
spec:
selector:
matchLabels:
app: hostnames
replicas: 3
template:
metadata:
labels:
app: hostnames
spec:
containers:
- name: hostnames
image: k8s.gcr.io/serve_hostname
ports:
- containerPort: 9376
protocol: TCP
这个应用的作用，就是每次访问9376端口时，返回它自己的hostname。
而被selector选中的Pod，就称为Service的Endpoints，你可以使用kubectl get ep命令看到它们，如下所示：
$ kubectl get endpoints hostnames
NAME ENDPOINTS
hostnames 10.244.0.5:9376,10.244.0.6:9376,10.244.0.7:9376
需要注意的是，只有处于Running状态，且readinessProbe检查通过的Pod，才会出现在Service的Endpoints列表里。并且，当某一个Pod出现问题时，Kubernetes会自动把它从Service里摘除掉。
而此时，通过该Service的VIP地址10.0.1.175，你就可以访问到它所代理的Pod了：
$ kubectl get svc hostnames
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
hostnames ClusterIP 10.0.1.175 <none> 80/TCP 5s
$ curl 10.0.1.175:80
hostnames-0uton
$ curl 10.0.1.175:80
hostnames-yp2kp
$ curl 10.0.1.175:80
hostnames-bvc05
这个VIP地址是Kubernetes自动为Service分配的。而像上面这样，通过三次连续不断地访问Service的VIP地址和代理端口80，它就为我们依次返回了三个Pod的hostname。这也正印证了Service提供的是Round Robin方式的负载均衡。对于这种方式，我们称为：ClusterIP模式的Service。
你可能一直比较好奇，Kubernetes里的Service究竟是如何工作的呢？
实际上，Service是由kube-proxy组件，加上iptables来共同实现的。
举个例子，对于我们前面创建的名叫hostnames的Service来说，一旦它被提交给Kubernetes，那么kube-proxy就可以通过Service的Informer感知到这样一个Service对象的添加。而作为对这个事件的响应，它就会在宿主机上创建这样一条iptables规则（你可以通过iptables-save看到它），如下所示：
-A KUBE-SERVICES -d 10.0.1.175/32 -p tcp -m comment --comment "default/hostnames: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3
可以看到，这条iptables规则的含义是：凡是目的地址是10.0.1.175、目的端口是80的IP包，都应该跳转到另外一条名叫KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3的iptables链进行处理。
而我们前面已经看到，10.0.1.175正是这个Service的VIP。所以这一条规则，就为这个Service设置了一个固定的入口地址。并且，由于10.0.1.175只是一条iptables规则上的配置，并没有真正的网络设备，所以你ping这个地址，是不会有任何响应的。
那么，我们即将跳转到的KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3规则，又有什么作用呢？
实际上，它是一组规则的集合，如下所示：
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -m statistic --mode random --probability 0.33332999982 -j KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -j KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR
可以看到，这一组规则，实际上是一组随机模式（–mode random）的iptables链。
而随机转发的目的地，分别是KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ、KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3和KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR。
而这三条链指向的最终目的地，其实就是这个Service代理的三个Pod。所以这一组规则，就是Service实现负载均衡的位置。
需要注意的是，iptables规则的匹配是从上到下逐条进行的，所以为了保证上述三条规则每条被选中的概率都相同，我们应该将它们的probability字段的值分别设置为1/3（0.333…）、1/2和1。
这么设置的原理很简单：第一条规则被选中的概率就是1/3；而如果第一条规则没有被选中，那么这时候就只剩下两条规则了，所以第二条规则的probability就必须设置为1/2；类似地，最后一条就必须设置为1。
你可以想一下，如果把这三条规则的probability字段的值都设置成1/3，最终每条规则被选中的概率会变成多少。
通过查看上述三条链的明细，我们就很容易理解Service进行转发的具体原理了，如下所示：
-A KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR -s 10.244.3.6/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.3.6:9376
-A KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ -s 10.244.1.7/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.7:9376
-A KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 -s 10.244.2.3/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.3:9376
可以看到，这三条链，其实是三条DNAT规则。但在DNAT规则之前，iptables对流入的IP包还设置了一个“标志”（–set-xmark）。这个“标志”的作用，我会在下一篇文章再为你讲解。
而DNAT规则的作用，就是在PREROUTING检查点之前，也就是在路由之前，将流入IP包的目的地址和端口，改成–to-destination所指定的新的目的地址和端口。可以看到，这个目的地址和端口，正是被代理Pod的IP地址和端口。
这样，访问Service VIP的IP包经过上述iptables处理之后，就已经变成了访问具体某一个后端Pod的IP包了。不难理解，这些Endpoints对应的iptables规则，正是kube-proxy通过监听Pod的变化事件，在宿主机上生成并维护的。
以上，就是Service最基本的工作原理。
此外，你可能已经听说过，Kubernetes的kube-proxy还支持一种叫作IPVS的模式。这又是怎么一回事儿呢？
其实，通过上面的讲解，你可以看到，kube-proxy通过iptables处理Service的过程，其实需要在宿主机上设置相当多的iptables规则。而且，kube-proxy还需要在控制循环里不断地刷新这些规则来确保它们始终是正确的。
不难想到，当你的宿主机上有大量Pod的时候，成百上千条iptables规则不断地被刷新，会大量占用该宿主机的CPU资源，甚至会让宿主机“卡”在这个过程中。所以说，一直以来，基于iptables的Service实现，都是制约Kubernetes项目承载更多量级的Pod的主要障碍。
而IPVS模式的Service，就是解决这个问题的一个行之有效的方法。
IPVS模式的工作原理，其实跟iptables模式类似。当我们创建了前面的Service之后，kube-proxy首先会在宿主机上创建一个虚拟网卡（叫作：kube-ipvs0），并为它分配Service VIP作为IP地址，如下所示：
# ip addr
...
73：kube-ipvs0：<BROADCAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 1000
link/ether 1a:ce:f5:5f:c1:4d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.0.1.175/32 scope global kube-ipvs0
valid_lft forever preferred_lft forever
而接下来，kube-proxy就会通过Linux的IPVS模块，为这个IP地址设置三个IPVS虚拟主机，并设置这三个虚拟主机之间使用轮询模式(rr)来作为负载均衡策略。我们可以通过ipvsadm查看到这个设置，如下所示：
# ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 10.102.128.4:80 rr
-> 10.244.3.6:9376 Masq 1 0 0
-> 10.244.1.7:9376 Masq 1 0 0
-> 10.244.2.3:9376 Masq 1 0 0
可以看到，这三个IPVS虚拟主机的IP地址和端口，对应的正是三个被代理的Pod。
这时候，任何发往10.102.128.4:80的请求，就都会被IPVS模块转发到某一个后端Pod上了。
而相比于iptables，IPVS在内核中的实现其实也是基于Netfilter的NAT模式，所以在转发这一层上，理论上IPVS并没有显著的性能提升。但是，IPVS并不需要在宿主机上为每个Pod设置iptables规则，而是把对这些“规则”的处理放到了内核态，从而极大地降低了维护这些规则的代价。这也正印证了我在前面提到过的，“将重要操作放入内核态”是提高性能的重要手段。
备注：这里你可以再回顾下第33篇文章《深入解析容器跨主机网络》中的相关内容。
不过需要注意的是，IPVS模块只负责上述的负载均衡和代理功能。而一个完整的Service流程正常工作所需要的包过滤、SNAT等操作，还是要靠iptables来实现。只不过，这些辅助性的iptables规则数量有限，也不会随着Pod数量的增加而增加。
所以，在大规模集群里，我非常建议你为kube-proxy设置–proxy-mode=ipvs来开启这个功能。它为Kubernetes集群规模带来的提升，还是非常巨大的。
此外，我在前面的文章中还介绍过Service与DNS的关系。
在Kubernetes中，Service和Pod都会被分配对应的DNS A记录（从域名解析IP的记录）。
对于ClusterIP模式的Service来说（比如我们上面的例子），它的A记录的格式是：..svc.cluster.local。当你访问这条A记录的时候，它解析到的就是该Service的VIP地址。
而对于指定了clusterIP=None的Headless Service来说，它的A记录的格式也是：..svc.cluster.local。但是，当你访问这条A记录的时候，它返回的是所有被代理的Pod的IP地址的集合。当然，如果你的客户端没办法解析这个集合的话，它可能会只会拿到第一个Pod的IP地址。
此外，对于ClusterIP模式的Service来说，它代理的Pod被自动分配的A记录的格式是：..pod.cluster.local。这条记录指向Pod的IP地址。
而对Headless Service来说，它代理的Pod被自动分配的A记录的格式是：...svc.cluster.local。这条记录也指向Pod的IP地址。
但如果你为Pod指定了Headless Service，并且Pod本身声明了hostname和subdomain字段，那么这时候Pod的A记录就会变成：<pod的hostname>...svc.cluster.local，比如：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: default-subdomain
spec:
selector:
name: busybox
clusterIP: None
ports:
- name: foo
port: 1234
targetPort: 1234
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: busybox1
labels:
name: busybox
spec:
hostname: busybox-1
subdomain: default-subdomain
containers:
- image: busybox
command:
- sleep
- "3600"
name: busybox
在上面这个Service和Pod被创建之后，你就可以通过busybox-1.default-subdomain.default.svc.cluster.local解析到这个Pod的IP地址了。
需要注意的是，在Kubernetes里，/etc/hosts文件是单独挂载的，这也是为什么kubelet能够对hostname进行修改并且Pod重建后依然有效的原因。这跟Docker的Init层是一个原理。
总结
在这篇文章里，我为你详细讲解了Service的工作原理。实际上，Service机制，以及Kubernetes里的DNS插件，都是在帮助你解决同样一个问题，即：如何找到我的某一个容器？
这个问题在平台级项目中，往往就被称作服务发现，即：当我的一个服务（Pod）的IP地址是不固定的且没办法提前获知时，我该如何通过一个固定的方式访问到这个Pod呢？
而我在这里讲解的、ClusterIP模式的Service为你提供的，就是一个Pod的稳定的IP地址，即VIP。并且，这里Pod和Service的关系是可以通过Label确定的。
而Headless Service为你提供的，则是一个Pod的稳定的DNS名字，并且，这个名字是可以通过Pod名字和Service名字拼接出来的。
在实际的场景里，你应该根据自己的具体需求进行合理选择。
思考题
请问，Kubernetes的Service的负载均衡策略，在iptables和ipvs模式下，都有哪几种？具体工作模式是怎样的？
感谢你的收听，欢迎你给我留言，也欢迎分享给更多的朋友一起阅读。