Kubernetes kube-proxy 详解
前言
在kubernets集群的每个节点上都运行着kube-proxy进程，负责实现Kubernetes中service组件的虚拟IP服务。目前kube-proxy有如下三种工作模式：
- User space 模式
- iptables 模式
- IPVS 模式
User space模式
在这种模式下，kube-proxy通过观察Kubernetes中service和endpoint对象的变化，当有新的service创建时，所有节点的kube-proxy在node节点上随机选择一个端口，在iptables中追加一条把访问service的请求重定向到这个端口的记录，并开始监听这个端口的连接请求。
比如说创建一个service,对应的IP：1.2.3.4,port:8888，kube-proxy随机选择的端口是32890，则会在iptables中追加
-A PREROUTING -j KUBE-PORTALS-CONTAINER -A KUBE-PORTALS-CONTAINER -d 1.2.3.4/32 -p tcp --dport 8888 -j REDIRECT --to-ports 32890
KUBE-PORTALS-CONTAINER 是kube-proxy在iptable中创建的规则链，在PREROUTING阶段执行
执行过程：
- 当有请求访问service时，在PREROUTING阶段，将请求jumpKUBE-PORTALS-CONTAINER
- KUBE-PORTALS-CONTAINER中的这条记录起作用,把请求重定向到kube-proxy刚监听的端口32890上，数据包进入kube-proxy进程内，
- 然后kube-proxy会从这个service对应的endpoint中根据SessionAffinity来选择一个作为真实服务响应请求。
这种模式的缺点就是，请求数据需要到kube-proxy中，就是用户空间中，才能决定真正要转发的实际服务地址，性能会有损耗。并且在应用执行过程中，kube-proxy的可用性也会影响系统的稳定
iptables 模式（目前kube-proxy默认的工作模式）
在这种模式下，kube-proxy通过观察Kubernetes中service和endpoint对象的变化，当有servcie创建时，kube-proxy在iptables中追加新的规则。对于service的每一个endpoint，会在iptables中追加一条规则，设定动作为DNAT，将目的地址设置成真正提供服务的pod地址；再为servcie追加规则，设定动作为跳转到对应的endpoint的规则上，
默认情况下，kube-proxy随机选择一个后端的服务，可以通过iptables中的 -m recent 模块实现session affinity功能，通过 -m statistic 模块实现负载均衡时的权重功能
比如说创建了一个service，对应的IP：1.2.3.4,port:8888，对应一个后端地址：10.1.0.8:8080，则会在iptables中追加（主要规则）：
-A PREROUTING -j KUBE-SERVICES -A KUBE-SERVICES -d 1.2.3.4/32 -p tcp –dport 8888 -j KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX -A KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX -j KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX -A KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX -p tcp -j DNAT –to-destination 10.1.0.8:8080
执行过程：KUBE-SERVICES 是kube-proxy在iptable中创建的规则链，在PREROUTING阶段执行
- 当请求访问service时，iptables在prerouting阶段，将讲求jump到KUBE-SERVICES，
- 在KUBE-SERVICES 中匹配到上面的第一条准则，继续jump到KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX，
- 根据这条准则jump到KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX，
- 在KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX规则中经过DNAT动做，访问真正的pod地址10.1.0.8:8080。
在这种逻辑下，数据转发都在系统内核层面做，提升了性能，并且即便kube-proxy不工作了，已经创建好的服务还能正常工作 。但是在这种模式下，如果选中的第一个pod不能响应，请求就会失败，不能像userspace模式，请求失败后kube-proxy还能对其他endpoint进行重试。
这就要求我们的应用(pod)要提供readiness probes功能，来验证后端服务是否能正常提供服务，kube-proxy只会将readiness probes测试通过的pod写入到iptables规则中，以此来避免将请求转发到不正常的后端服务中。
- IPVS 模式
介绍
由于在iptables模式中，kube-proxy需要为每一个服务，每一个endpoint都生成相应的iptables规则，当服务规模很大时，性能也将显著下降，因此kubernetes在1.8引入了IPVS模式，1.9版本中变成beta，在1.11版本中成为GA。在IPVS模式下，kube-proxy观察Kubernetes中service和endpoint对象的变化，通过调用netlink接口创建相应的IPVS规则，并周期性的对Kubernetes的service、endpoint和IPVS规则进行同步，当访问一个service时，IPVS负责选择一个真实的后端提供服务。
IPVS模式也是基于netfilter的hook功能(INPUT阶段)，这点和iptables模式是一样的，但是用的是内核工作空间的hash表作为存储的数据结构，在这种模式下，iptables可通过ipset来验证具体请求是否满足某条规则。在service变成时，只用更新ipset中的记录，不用改变iptables的规则链，因此可以保证iptables中的规则不会随着服务的增加变多，在超大规模服务集群的情况下提供一致的性能效果。
在对规则进行同步时的性能也要高于iptables（只用对特定的一个hash表进行更新，而不是像iptables模式下对整个规则表进行操作），所以能提供更高的网络流量。
IPVS在对后端服务的选择上也提供了更多灵活的算法：- rr: round-robin
- lc: least connection (最少连接数算法)
- dh: destination hashing（目的hash算法）
- sh: source hashing（原地址hash算法）
- sed: shortest expected delay（最短延迟算法）
- nq: never queue
kube-proxy启用IPVS
由于IPVS的优势，所以尽可能的采用IPVS作为kube-proxy的工作模式，通过以下步骤在创建集群时启用IPVS
安装依赖工具包
apt install -y ipvsadm ipset
- ipset是IPVS工作时会用刀的工具包
- ipvsadm 是一个客户端工具，可以让我们和ipvs表的数据进行交互
kube-proxy启用IPVS时依赖模块：
ip_vs ip_vs_rr ip_vs_wrr ip_vs_sh nf_conntrack
可通过如下命令检查系统是否启用了这些模块
$ lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack
如果没有启用，通过如下命令启用
$ modprobe -- ip_vs $ modprobe -- ip_vs_rr $ modprobe -- ip_vs_wrr $ modprobe -- ip_vs_sh $ modprobe -- nf_conntrack
kube-proxy配置文件中追加IPVS相关配置
proxy-mode: "ipvs" ipvs-min-sync-period: ipvs 规则刷新的最小时间间隔 ipvs-scheduler: ipvs的负载算法（rr、lc等） ipvs-sync-period: ipvs规则刷新的最大时间间隔（30s）
采用用IPVS模式时，在启动kube-proxy前必须要确保IPVS模块在服务上存在，如果kube-proxy启动时，经过验证发现IPVS模块不可用，kube-proxy自动采用iptables模式工作，参考代码：server_others.go
在介绍kube-proxy如何使用IPVS实现对service的请求前，先看下IPVS的简单介绍及工作原理
IPVS
介绍
IPVS是Linux服务器中用来实现LVS（Linux virtual service）的一个模块，工作在内核空间是一种基于虚拟IP的负载均衡技术，通过用户空间的ipvsadm来执行规则制定，常见术语名称 解释 RS Real Server 后端请求处理服务器 CIP Client IP,客户端IP VIP Director Virtual IP,负载均衡器虚拟IP DIP Director IP,负载均衡器IP RIP Real Server IP,后端处理请求的真实服务器IP 工作原理
因为IPVS是hook到netfilter的input链中执行的，所以需要先了解下数据在netfilter中的流转过程
正常流程：
- 数据进入内核空间，到达PreRouting
- 进行路由决策
- 请求是发往本机的进入input
- 进入用户空间处理
- 处理完进入output
- 进入postrouting
- 发送出去
- 请求不是本机的，进入forward
- 进入postrouting
- 发送出去
加入IPVS后的简化逻辑图
- 请求到达负载均衡器的内核空间时，到达PREROUTING链
- 当内核根据路由决策发现地址是本机时，将数据包送往INPUT链
- 数据包到达INPUT链时，首先会被IPVS检查，如果请求的目的地址、端口信息不在自己的hash表中时，数据正常发往用户空间处理
- 如果hash表中的规则匹配到请求记录，依据IPVS的工作模式，对请求头中的信息进行修改，之后直接交由POSTROUTING链执行
- POSTROUTING根据IPVS修改后的请求头信息（此时目的地址是真实的服务地址），通过路由表，用正确的设备将请求转发出去
可以看到，当IPVS模块工作后，在input链上会再次对请求做匹配，匹配到的直接做postrouting，不再进入用户空间处理，而是把请求发送到IPVS选中的提供真实服务的服务器
IPVS有三种工作模式NAT（Masq）、DR、TUN，因为kube-proxy采用的是NAT模式，所以下面只对NAT模式进行分析
NAT：Network Address Transition（网络地址转换），工作在此模式下的IPVS，首先根据scheduler策略选择一个真实的后端服务，接着将请求头中的目的地址IP、端口转换成真实服务的IP和端口，之后进入POSTROUTING，向真实的服务器发起请求。当响应数据返回时，再通过masqreade，将返回数据的源地址修改成虚拟服务器的地址，具有有如下特性：
Real Server应该使用私有ip地址，和client IP不在一个网段中(如果在一个网段中，real Server可以将数据直接返回客户端，不会再经过Director Server返回）
一般Real Server的网关应该指向DIP，不然的话无法保证响应报文经过Director Server（IP 协议，数据发送给不在同一个网段的服务器时，会把数据发送给网关）
RIP要和DIP应该在同一网段内
进出的报文，无论请求还是响应都要经过Directory server（满足上面三点，这个是自然而然的）
支持端口映射
Real Server可以使用任意系统，只要端口对应即可
其流程如下:
当用户请求到达DirectorServer，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。
PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP ，在这个过程完成了目标IP的转换。
POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server。
- Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP 。
因为Real Server的网关指向DIP，并且通常情况下CIP和RIP不在同一个网段内，在这种情况下，Real Server会先将数据发送给Director Server（网关），这样数据就可以沿原路返回。
Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP。
在此过程中CIP一直是不发生变化的
kube-proxy如何使用IPVS
从IPVS的工作原理上可以知道，kube-proxy想使用IPVS，需要完成以下几个工作
- 需要路由决策判断要访问的service的VIP属于本机，否则，数据不经过input，直接forward出去，IPVS就没有机会工作了
- iptables中的规则需要允许对service请求通过，否则数据被过滤掉也不会经过IPVS
- IPVS要能够判断出访问的service服务是属于集群服务
- IPVS要能够根据service服务对应的VIP，找到真实的服务，之后修改请求头，向真实的服务发送请求
- 由于在kubernetes下工作的IPVS，不一定满足经典的NAT模式的特性，所以数据返回路径不一定和请求路径一致,会出现Real Server直接返回数据给客户端的情况
为了让node节点识别对应的VIP，kube-proxy启动时创建了一个虚拟网络设备kube-ipvs0,类型是dummy,并把service的VIP都设置到这个设备下面。创建这个设备，以及向设备中追加VIP的逻辑都在代码proxier.go中
$ ip addr 27: kube-ipvs0: <BROADCAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default link/ether ba:6b:cb:b9:61:89 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 10.254.0.1/32 brd 10.254.0.1 scope global kube-ipvs0 valid_lft forever preferred_lft forever inet 10.254.0.2/32 brd 10.254.0.2 scope global kube-ipvs0 valid_lft forever preferred_lft forever inet 10.254.199.160/32 brd 10.254.199.160 scope global kube-ipvs0 valid_lft forever preferred_lft forever
对应的service
$ kubectl get svc -A NAMESPACE NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE default clientip ClusterIP 10.254.199.160 <none> 8080/TCP 23h default kubernetes ClusterIP 10.254.0.1 <none> 443/TCP 25d kube-system kube-dns ClusterIP 10.254.0.2 <none> 53/UDP,53/TCP,9153/TCP 23d kube-system kubelet ClusterIP None <none> 10250/TCP 18d
可以看到所有的VIP都在kube-ipvs0这个设备下面
为了让iptables中的规则允许对Servcie的请求通过，kube-proxy在iptables中追加了如下几条主要规则（iptables.masqueradeAll=false;clusterCIDR=172.30.0.0/16，clusterCIDR就是集群中的pod能分配的IP地址段)：
NAT表中：
$ iptables -t nat -nL Chain PREROUTING (policy ACCEPT) target prot opt source destination KUBE-SERVICES all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* kubernetes service portals */ Chain OUTPUT (policy ACCEPT) target prot opt source destination KUBE-SERVICES all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* kubernetes service portals */ Chain POSTROUTING (policy ACCEPT) target prot opt source destination KUBE-POSTROUTING all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* kubernetes postrouting rules */ Chain KUBE-MARK-MASQ (3 references) target prot opt source destination MARK all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 MARK or 0x4000 Chain KUBE-POSTROUTING (1 references) target prot opt source destination MASQUERADE all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* kubernetes service traffic requiring SNAT */ mark match 0x4000/0x4000 MASQUERADE all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src Chain KUBE-SERVICES (2 references) target prot opt source destination KUBE-MARK-MASQ all -- !172.30.0.0/16 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst ACCEPT all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
有两点需要解释下
关于规则
KUBE-MARK-MASQ all -- !172.30.0.0/16 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
意思是对于非集群内的pod访问集群的cluster IP时会执行masquerade，这是因为在kube-proxy的启动条件设置成了iptables.masqueradeAll=false;clusterCIDR=172.30.0.0/16才这样
如果设置成iptables.masqueradeAll=false;clusterCIDR=，即不设置CIDR规则会变成
KUBE-MARK-MASQ all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP src,dst
效果应该是对自己访问自己的请求做masquerade，其他请求都不做
如果iptables.masqueradeAll=true，规则变成
KUBE-MARK-MASQ all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
效果对所有请求都做masquerade关于匹配语法 -m set --match-set 。。。 代表用set模块的对请求进行匹配
语法如下：
-m set --match-set name flags
具体传入的flags要依据 name指定的set的类型来传入，具体ipset的用法可通过如下命令查看
ipset --help
这里以KUBE-CLUSTER-IP为例
$ ipset --list KUBE-CLUSTER-IP Name: KUBE-CLUSTER-IP Type: hash:ip,port Revision: 5 Header: family inet hashsize 1024 maxelem 65536 Size in memory: 408 References: 2 Number of entries: 5 Members: 10.254.0.2,udp:53 10.254.0.1,tcp:443 10.254.0.2,tcp:9153 10.254.199.160,tcp:8080 10.254.0.2,tcp:53
- 对应的类型信息：Type: hash:ip,port
结合前面的规则
ACCEPT all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
表述的意思是请求的目的地址IP、目的端口和KUBE-CLUSTER-IP中的Members有匹配时，就接收请求
filter表中
$ iptables -nL -t filter Chain FORWARD (policy ACCEPT) target prot opt source destination KUBE-FORWARD all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* kubernetes forwarding rules */ Chain OUTPUT (policy ACCEPT) target prot opt source destination KUBE-FIREWALL all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 Chain KUBE-FIREWALL (2 references) target prot opt source destination DROP all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* kubernetes firewall for dropping marked packets */ mark match 0x8000/0x8000 Chain KUBE-FORWARD (1 references) target prot opt source destination ACCEPT all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* kubernetes forwarding rules */ mark match 0x4000/0x4000 ACCEPT all -- 172.30.0.0/16 0.0.0.0/0 /* kubernetes forwarding conntrack pod source rule */ ctstate RELATED,ESTABLISHED ACCEPT all -- 0.0.0.0/0 172.30.0.0/16 /* kubernetes forwarding conntrack pod destination rule */ ctstate RELATED,ESTABLISHED
通过分析kube-proxy追加的这些规则，可以看到访问service提供的服务时，iptables中的规则最终都会允许请求通过，并且通过 -m set --match-set 的规则匹配机制，kube-proxy不用随着servcie的创建和销毁来修改iptables中的规则，只用修改对应的ipset中相应的Members就能够达到效果，保证iptables的规则表固定大小，实现大规模服务集群中保持性能的稳定
请求通过了iptables中的规则后，在INPUT阶段，需要IPVS来对请求进行判断，看请求的服务是否属于集群服务，是的话还要能找出正确的真实服务地址，这个kube-proxy如何实现呢
kube-proxy通过监听API server，当有service创建时，通过调用系统的netlink 接口，将service和对应的endpoint插入到IPVS对应的hash表中，对应代码在proxier.go中，用户可以通过ipvsadm工具查看ipvs hash表中的数据
$ ipvsadm --list IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn TCP promote.cache-dns.local:http rr -> master:6443 Masq 1 1 0 TCP promote.cache-dns.local:doma rr -> 172.30.78.2:domain Masq 1 0 0 TCP promote.cache-dns.local:9153 rr -> 172.30.78.2:9153 Masq 1 0 0 TCP promote.cache-dns.local:http rr -> 172.30.22.4:http-alt Masq 1 0 0 -> 172.30.78.4:http-alt Masq 1 0 0 UDP promote.cache-dns.local:doma rr -> 172.30.78.2:domain Masq 1 0 0
因为启用了DNS的cache功能，所以这个地方看到的service信息是DNS缓存信息
通过上述几个步骤后，kube-proxy就把需要使用IPVS的依赖条件都实现，就可以在请求到来时利用IPVS机制对请求进行转发了。