深入 K8s 网络原理（二）- Service iptables 模式分析

胡涛 | Daniel Hu 收录于云原生 | Cloud Native

2023-12-20 约 2459 字预计阅读 5 分钟

1. 概述

接上一篇《深入 K8s 网络原理（一）- Flannel VXLAN 模式分析》，今天我们继续来分析 Kubernetes Service 的实现原理。

2. 准备 Service 和 Pods 资源

镜像和上一篇一样；

Deployment 的 YAML 如下：

nginx-deploy.yaml

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apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:test1
        ports:
        - containerPort: 80

对应的 Service YAML 如下：

nginx-service.yaml

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    nodePort: 30007

3. K8s 里 Service 的实现原理

Kubernetes 提供了几种不同类型的 Service，包括：

ClusterIP：这是最常见的 Service 类型，为 Service 提供一个集群内部的 IP 地址，使得 Service 只能在集群内部访问。
NodePort：这种类型的 Service 在每个节点上开放一个端口（NodePort），从而允许从集群外部通过 <NodeIP>:<NodePort> 访问 Service。
LoadBalancer：这种类型的 Service 通常由云提供商支持，它会在集群外部创建一个负载均衡器，将外部流量分发到集群内的 Pods。
ExternalName：通过返回一个名字（而非 IP 地址）来指向外部服务。

接着具体来看 Service 的实现。

3.1 kube-proxy 组件

Kubernetes 集群中每个节点上会运行一个关键组件 kube-proxy，它负责为 Service 对象实现网络代理，使得网络流量可以透明地定向到后端 Pods。kube-proxy 支持几种不同的代理模式，最常见的是 iptables 模式和 IPVS 模式。

iptables 模式

在这种模式下，kube-proxy 使用 iptables 规则来捕获到达 Service 的流量，并将其重定向到后端 Pods。每当 Service 或 Pod 发生变化时，kube-proxy 都会更新 iptables 规则。
iptables 模式是最简单且广泛使用的，但在大规模集群中可能会面临性能问题，因为每个网络包都需要通过不短的规则链进行处理。

IPVS (IP Virtual Server) 模式

IPVS 模式使用内核的 IPVS 功能，该功能提供了内置的负载均衡功能。与 iptables 相比，IPVS 可以处理更大规模的流量，拥有更好的性能和更复杂的负载均衡算法（最少连接等）。
在这种模式下，kube-proxy 会创建一个虚拟服务器，为每个 Service 分配一个虚拟 IP（VIP），并将流量负载均衡到后端 Pods。

以 kube-proxy 的 iptables 模式为例，我们具体来看下 Service 创建后，iptables 是如何将 Service 流量转到 pods 上的。

3.2 iptables 简介

简单介绍下 iptables：

iptables 是一种在 Linux 系统中广泛使用的工具，它允许管理员配置内核的 netfilter 模块，以控制网络数据包的流入流出。这个工具提供了一个框架，用于定义规则，这些规则决定了如何处理经过网络接口的数据包。

iptables 的核心功能主要包括：

数据包过滤：iptables 最常用于过滤数据包，即决定哪些数据包可以通过网络接口，哪些应该被阻止。

网络地址转换 (NAT)：它可以用于修改数据包的源或目的地址，常用于路由和隐藏内部网络结构。

端口转发：iptables 可以重定向到特定端口的数据流，用于设置端口转发。

刚从铺灰的硬盘里发现一张三年前画的 iptables 相关的图（我都忘记这个图应该叫啥名字了）：

3.3 iptables 规则

下面具体看下 Service 对应的 iptables 规则。

3.3.1 Service，Pod 和 Host 信息

前面创建了 Service 和 Deployment，对应的 Service 和 Pod 资源如下：

kgsvc

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NAME            TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
nginx-service   NodePort    10.107.33.105   <none>        80:30007/TCP   152m

kgpoowide

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NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP           NODE
nginx-deployment-7fbb8f4b4c-89bds   1/1     Running   0          155m   10.244.2.4   minikube-m03
nginx-deployment-7fbb8f4b4c-d29zm   1/1     Running   0          155m   10.244.1.5   minikube-m02

此外，我的 K8s 集群包括3个节点，nodes 的 ip/hostname 信息如下：

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192.168.49.2	minikube
192.168.49.3	minikube-m02
192.168.49.4	minikube-m03

3.3.2 从 NodePort 入手寻找 iptables 规则

现在进到 minikube 节点，也就是 K8s 主节点，查看下 nat 表的链信息，过滤下 NodePort 端口 30007：

sudo iptables -t nat -L | grep 30007

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KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG  tcp  --  anywhere anywhere /* default/nginx-service */ tcp dpt:30007

可以看到一条链：KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG，具体看下这条链的信息：

sudo iptables -t nat -L KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG -v

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Chain KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG  all  --  any    any     anywhere             anywhere

从这里可以看到 KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG 有一条子链 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG。继续看 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG 链：

sudo iptables -t nat -L KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG -v

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Chain KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG (2 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F  all  --  any    any     anywhere             anywhere             /* default/nginx-service -> 10.244.1.5:80 */ statistic mode random probability 0.50000000000
    0     0 KUBE-SEP-A4R5AW5RLMEQF7RP  all  --  any    any     anywhere             anywhere             /* default/nginx-service -> 10.244.2.4:80 */

进一步可以找到两条 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG 的子链 KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F 和 KUBE-SEP-A4R5AW5RLMEQF7RP，这里对应2个 pods。以 KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F 为例继续跟：

sudo iptables -t nat -L KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F -v

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Chain KUBE-SEP-J2DHXTF62PN2AN4F (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 DNAT       tcp  --  any    any     anywhere             anywhere             /* default/nginx-service */ tcp to:10.244.1.5:80

到这里 target 不再是其他链，而是 DNAT，也就是请求 Service 的 NodePort 最终流量被 DNAT 到了 10.244.1.5:80 和 10.244.2.4:80 这两个 Endpoints，它们分别对应2个 pods。

3.3.3 从 PREROUTING 和 OUTPUT 链寻找 K8s 相关子链

先看 PREROUTING：

sudo iptables -t nat -L PREROUTING -v

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Chain PREROUTING (policy ACCEPT 5 packets, 300 bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
   99  5965 KUBE-SERVICES  all  --  any    any     anywhere             anywhere             /* kubernetes service portals */

可以看到入向流量全部都会经过 KUBE-SERVICES 链处理。继续看 OUTPUT：

sudo iptables -t nat -L OUTPUT -v

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Chain OUTPUT (policy ACCEPT 3355 packets, 202K bytes)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
29961 1801K KUBE-SERVICES  all  --  any    any     anywhere             anywhere             /* kubernetes service portals */

同样全部出向流量也被 KUBE-SERVICES 链处理。继续看下 KUBE-SERVICES 链：

sudo iptables -t nat -L KUBE-SERVICES -v

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Chain KUBE-SERVICES (2 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG  tcp  --  any    any     anywhere             10.107.33.105        /* default/nginx-service cluster IP */ tcp dpt:http
 3391  203K KUBE-NODEPORTS  all  --  any    any     anywhere             anywhere             /* kubernetes service nodeports; NOTE: this must be the last rule in this chain */ ADDRTYPE match dst-type LOCAL

可以看到2条子链，一个是表示 Nginx Service 的 Cluster IP 的子链 KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG，另外一个是表示集群 NodePort 的 KUBE-NODEPORTS 子链。KUBE-SVC-V2OKYYMBY3REGZOG 在前面已经具体看过了，那么 KUBE-NODEPORTS 子链具体又包含啥信息呢：

sudo iptables -t nat -L KUBE-NODEPORTS -v

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Chain KUBE-NODEPORTS (1 references)
 pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
    0     0 KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG  tcp  --  any    any     anywhere             anywhere             /* default/nginx-service */ tcp dpt:30007

可以看到当 TCP 流量的目的端口是 30007 的时候，就会匹配到 KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG 子链，KUBE-EXT-V2OKYYMBY3REGZOG 子链的内容前面已经具体看过了。换言之，每多创建一个 NodePort 类型的 Service，kube-proxy 就会在 KUBE-NODEPORTS 子链下新挂一条 KUBE-EXT-XXX 子链。

3.3.4 总结下

IP 包进出主机都会经过 KUBE-SERVICES 链，进而根据 destination 地址匹配到不同的子链：

如果目的地址是某个 Service 的 Cluster IP，那么就匹配到具体的 KUBE-SVC-XXX 处理；
否则，就匹配到 KUBE-NODEPORTS 处理；流量匹配到 KUBE-NODEPORTS 后，会进一步根据 tcp 目的端口来匹配具体的子链 KUBE-EXT-XXX；

如果流量匹配到 KUBE-EXT-XXX 子链，端口命中，那么下一条依旧是表示 Cluster IP 的 KUBE-SVC-XXX，所以两条子链在这里汇合。而 KUBE-SVC-XXX 链上的规则会进一步将 IP 包匹配到 KUBE-SEP-XXX 子链上，这些子链表达的是“Service Endpoints”。默认情况下 KUBE-SVC-XXX 会根据 Pod 数量按照相等的概率将流量分流到多个 KUBE-SEP-XXX 上进一步匹配。而 KUBE-SEP-XXX 链会执行类似“DNAT to:10.244.1.5:80”过程，最终将一开始请求 Service 的流量就丢给了 Pod。

所以，当你通过 NodePort/ClusterIP 方式访问 pods 的时候，以两副本为例，整体流量匹配过程大致如下图：

4. 总结

不总结。明天见。

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