Kubernetes 服務發布基礎學習

一、Service 概述

（一）Service 的定義

Service 是 Kubernetes 中的一種抽象概念，用于定義一組 Pod 以及訪問這組 Pod 的策略。其核心作用是將一組 Pod 封裝為一個虛擬服務，并為客戶端提供統一的入口，從而實現服務的負載均衡、服務發現與暴露等功能。

具體而言，Service 為提供服務的 Pod 抽象出一個穩定的網絡訪問地址（通常是 DNS 域名格式的服務名稱），客戶端應用可通過該地址訪問服務，且網絡訪問方式與傳統方式一致。同時，Service 具備負載均衡器的功能，能將客戶端請求分發到后端各個 Pod 上。

（二）Service 的重要性

在 Kubernetes 實現微服務架構的過程中，Service 是核心資源。它不僅為客戶端提供了穩定的訪問地址（域名或 IP 地址）和負載均衡功能，還能屏蔽后端 Endpoint 的變化，使得構建高可用和可擴展的應用程序成為可能。

二、Service 工作原理

（一）基本原理

由于 Pod 的 IP 地址是動態變化的，無法直接通過 Pod 的 IP 地址進行訪問，Service 應運而生。它為一組 Pod 創建一個虛擬的 IP 地址，客戶端通過該 IP 地址訪問時，請求會被負載均衡到其中一個 Pod 上。

Service 的實現依賴于 kube-proxy 和 CoreDNS 組件：

kube-proxy：在每個節點上監聽 Service 的變化，一旦 Service 發生變化，便更新本地的 iptables 規則，實現流量的轉發和負載均衡。

CoreDNS：作為 Kubernetes 集群中的 DNS 解析服務，將 Service 的虛擬 IP 地址注冊其中，使客戶端可通過 Service 名稱訪問虛擬 IP 地址。

通過在 Service 定義中使用 spec.selector 字段指定屬于該 Service 的 Pod 標簽，可將請求負載均衡到這些 Pod 上。

（二）負載均衡機制

當 Service 對象在 Kubernetes 集群中定義后，集群內的客戶端應用可通過服務 IP 訪問 Pod 提供的服務，而從服務 IP 到后端 Pod 的負載均衡由每個節點上的 kube-proxy 代理實現。kube-proxy 的代理模式主要有以下幾種：

  1. userspace 模式
    • 初期的 kube-proxy 是一個真實的 TCP/UDP 代理。當 Pod 以 ClusterIP 方式訪問 Service 時，流量會被本機的 iptables 轉發到 kube-proxy 進程，再由其轉發到后端 Pod。
    • 具體過程為：kube-proxy 為每個 Service 在節點上打開一個隨機代理端口，建立 iptables 規則將 ClusterIP 的請求重定向到該端口，然后由 kube-proxy 轉發到后端 Pod。
    • 由于存在內核態到用戶態的切換，開銷較大，該模式已被廢棄。
  2. iptables 模式
    • 從 Kubernetes 1.2 版本開始，iptables 模式成為默認模式。此時 kube-proxy 不再負責轉發數據包，而是通過 API Server 的 Watch 接口實時跟蹤 Service 和 Endpoint 的變更信息，并更新對應的 iptables 規則。客戶端的請求流量通過 iptables 的 NAT 機制直接路由到目標 Pod。
    • 該模式下不存在內核態到用戶態的切換，效率顯著提高。但隨著 Service 數量的增加，iptables 規則不斷增多，會導致內核負擔加重。
  3. ipvs 模式
    • 從 Kubernetes 1.8 版本開始引入 ipvs 模式，它基于 netfilter 實現，專門用于高性能負載均衡，使用高效的 Hash 表數據結構，允許幾乎無限的規模擴張。
    • ipvs 提供了多種負載均衡算法，如 rr（輪訓）、lc（最小連接數）、df（目標哈希）、sh（源哈希）、sed（預計延遲最短）、nq（從不排隊）等。
    • ipvs 使用 ipset 存儲 iptables 規則，查找時類似 Hash 表查找，時間復雜度為 O (1)，而 iptables 的時間復雜度為 O (n)，因此 ipvs 模式性能更優。若操作系統未啟用 IPVS 內核模塊，kube-proxy 會自動切換為 iptables 模式；若啟用了，則運行在 ipvs 模式。可通過命令lsmod | grep ip_vs查看系統是否開啟了 ipvs 模塊。
  4. kernelspace 模式
    • 這是 Windows Server 上的代理模式，文檔中未作詳細介紹。

三、Service 的四種類型

Kubernetes 支持四種 Service 類型，分別適用于不同的應用場景：

（一）ClusterIP

  • 特點：這是最常用的 Service 類型，為 Pod 提供一個虛擬的 IP 地址，其他 Pod 可通過該虛擬 IP 地址訪問該 Service，Kubernetes 會自動將請求路由到相應的 Pod。
  • 使用場景：適用于集群內部的服務通信，例如連接前端服務和后端服務，供內部其他服務使用。
  • 示例：通過kubectl expose deployment webapp命令或 YAML 文件可創建 ClusterIP 類型的 Service。創建后，系統會分配一個虛擬 IP 地址，客戶端可通過該 IP 地址和端口號訪問 Service，請求會被自動負載分發到后端的 Pod。

（二）NodePort

  • 特點：將 Pod 公開為集群中所有節點上的某個端口，當外部請求到達任何一個節點上的該端口時，Kubernetes 會將請求路由到相應的 Pod。它會創建一個 ClusterIP，并將指定的端口映射到每個節點上的相同端口。
  • 使用場景：當需要從外部訪問集群中的服務時，可通過節點的 IP 地址和映射的端口進行訪問，適用于開發和測試環境。
  • 示例：在 YAML 文件中設置type: NodePort和nodePort: 30008等參數可創建 NodePort 類型的 Service。創建后，可在 Windows 宿主機上通過瀏覽器訪問http://節點IP:30008來測試服務。

（三）LoadBalancer

  • 特點：使用云提供商的負載均衡器將請求路由到后端 Pod，Kubernetes 會自動創建和配置負載均衡器，并將其綁定到 Service 上。
  • 使用場景：適用于需要將流量從外部負載均衡器分發到集群內部的服務，例如在生產環境中暴露 Web 應用程序。
  • 示例：在 YAML 文件中設置type: LoadBalancer等參數可創建 LoadBalancer 類型的 Service。創建后，云服務商會在 Service 定義中補充 LoadBalancer 的 IP 地址，客戶端可通過該 IP 地址和端口號訪問服務。

（四）ExternalName

  • 特點：允許 Service 通過返回 CNAME 記錄來引用集群外部的服務，它沒有 ClusterIP、NodePort 或 LoadBalancer。
  • 使用場景：適用于需要將 Kubernetes 內部的服務與集群外的現有服務進行關聯，例如連接到外部的數據庫或其他資源。此外，還可用于實現兩個不同命名空間中的 Pod 通過 Service 名稱進行通信。
  • 示例：通過在 YAML 文件中設置type: ExternalName和externalName字段指定外部服務的地址（如域名或 IP）可創建 ExternalName 類型的 Service。創建后，集群內客戶端應用可通過訪問該 Service 來訪問外部服務。

四、生成用于測試 Service 的 Deployment

在應用 Service 概念之前，需先創建一個提供 Web 服務的 Pod 集合，以方便對各種 Service 進行驗證。以下是創建過程：

（一）編輯 Deployment YAML 文件

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: webapp
spec:replicas: 2  # Pod的副本數selector:  # 目標Pod的標簽選擇器matchLabels:  # 需要匹配的標簽app: webapp  # 對應目標Pod的標簽名稱template:  # 自動創建新Pod副本的模板metadata:labels:  # 定義Pod的標簽app: webapp  # 標簽值為app:webappspec:containers:- name: webappimage: kubeguide/tomcat-app:v1ports:- name: httpcontainerPort: 8080protocol: TCP

（二）創建 Deployment

使用命令kubectl create -f webapp-deployment.yaml創建 Deployment。

（三）查看 Pod 創建情況

通過kubectl get pod命令可查看 Pod 的創建狀態，確保 Pod 處于 Running 狀態。

（四）查看 Pod 的 IP 地址

使用kubectl get pods -l app=webapp -o wide命令可查看各個 Pod 的 IP 地址。

（五）訪問 Pod 地址

通過curl Pod IP:8080命令可訪問 Pod 提供的服務，驗證 Pod 是否正常工作。

五、Service 的創建

（一）創建 ClusterIP 類型 Service

  1. 通過 expose 命令創建
    • 執行kubectl expose deployment webapp命令暴露端口。
    • 查看創建的 Service：kubectl get svc，系統會分配一個虛擬 IP 地址。
    • 訪問測試：curl 虛擬IP:8080，請求會被負載分發到后端 Pod。
    • 刪除 Service：kubectl delete service webapp。
  2. 使用 YAML 文件創建編輯 YAML 文件：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: webapp
spec:ports:- protocol: TCPport: 8080targetPort: 8080selector:app: webapp

創建服務：kubectl create -f webapp-service.yaml。

查看并訪問測試：kubectl get svc獲取虛擬 IP，然后curl 虛擬IP:8080。

查看 EndPoint 列表：kubectl describe svc webapp可查看后端的 EndPoint（Pod 的 IP 和端口）。

查看 EndPoint 資源對象：kubectl get endpoints。

刪除 Service：kubectl delete -f webapp-service.yaml或kubectl delete service webapp。

（二）創建 NodePort 類型的 Service

  1. 創建 Service 文件
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: webapp
spec:type: NodePortports:- port: 8080targetPort: 8080nodePort: 30008selector:app: webapp

創建 Service：kubectl create -f webapp-svc-nodeport.yaml。

查看創建的 Service：kubectl get svc，可見 NodePort 類型及端口映射信息。

測試訪問：在 Windows 宿主機上通過瀏覽器訪問http://節點IP:30008。

刪除 Service：kubectl delete -f webapp-svc-nodeport.yaml。

（三）創建 LoadBalancer 類型的 Service

  1. 編寫 YAML 文件
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: webappnamespace: defaultlabels:app: webapp
spec:type: LoadBalancerports:- port: 8080targetPort: httpprotocol: TCPname: httpnodePort: 31771  # 可選，系統會自動指定selector:app: webapp

創建 Service：kubectl create -f webapp-svc-loadbalancer.yaml。

查看創建結果：kubectl get svc，External-IP 初始為<pending>，待云提供商分配后會顯示具體 IP。

訪問測試：通過負載均衡器的 IP 和端口訪問服務。

刪除 Service：kubectl delete -f webapp-svc-loadbalancer.yaml。

（四）創建 ExternalName 類型的 Service

以兩個不同命名空間中的 Pod 通信為例：

創建兩個命名空間：kubectl create namespace test01和kubectl create namespace test02。

  1. 在 test01 命名空間創建 Pod 和相關 Service
    • 創建 Pod 的 Deployment：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: myapp01namespace: test01
spec:replicas: 1selector:matchLabels:app: myapp01release: canarytemplate:metadata:labels:app: myapp01release: canaryspec:containers:- name: myappimage: ikubernetes/myapp:v1ports:- name: http01containerPort: 80

創建無頭 Service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: myapp-svc01namespace: test01
spec:selector:app: myapp01release: canaryclusterIP: None  # 無頭Serviceports:- port: 39320targetPort: 80

創建 ExternalName Service：

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:name: myapp-svcname02namespace: test01
spec:type: ExternalNameexternalName: myapp-svc02.test02.svc.cluster.local
  1. 在 test02 命名空間創建 Pod 和相關 Service
    • 類似地，創建 myapp02 的 Deployment、無頭 Service 和 ExternalName Service，注意命名空間和引用的服務名稱。
  2. 驗證 Pod 間的通信
    • 通過kubectl exec進入 Pod，使用nslookup和ping命令驗證是否可通過 Service 名稱解析到對方 Pod 的 IP 地址，實現跨命名空間通信。

六、Service 的其他應用

（一）Service 的多端口設置

當容器應用提供多個端口服務時，可在 Service 定義中設置多個端口號：

創建 Service 文件

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: webapp
spec:ports:- port: 8080targetPort: 8080name: webprotocol: TCP- port: 8005targetPort: 8005name: managementprotocol: TCPselector:app: webapp

  1. 創建 Service：kubectl create -f service-multiple-ports.yaml。
  2. 查看 EndPoint 列表和 Service 信息：kubectl describe svc webapp和kubectl get svc webapp。
  3. 刪除 Service：kubectl delete -f webapp-service.yaml或kubectl delete service webapp。

（二）Kubernetes 服務發現

服務發現機制用于客戶端獲知后端服務的訪問地址，主要有以下兩種方式：

  1. 基于環境變量的服務發現
    • 當 Pod 部署到節點后，節點上的 kubelet 會在 Pod 內部設置一組基于活躍 Service 生成的環境變量。
    • 使用該方式時，需先創建 Service，再創建 Pod。Pod 運行時，系統會自動為其容器注入所有有效 Service 的信息，包括服務 IP、端口號、協議等。
    • 客戶端應用可根據 Service 相關環境變量的命名規則，從環境變量中獲取目標服務的地址。例如，通過kubectl exec -it Pod名稱 -- env命令可查看 Pod 中的環境變量。
  2. 基于 DNS 的服務發現
    • Kubernetes 新版默認使用 CoreDNS 作為集群內部 DNS，一般 CoreDNS 的 Service 地址為 Service 網段的低 10 個地址（如 10.96.0.10），端口為 53。
    • DNS 服務器監聽 Kubernetes 創建的 Service，并為每個 Service 添加一組 DNS 記錄，集群中的 Pod 可通過內部 DNS 解析到 Service 的 ClusterIP。
    • 例如，創建一個含 nslookup 命令的容器，通過kubectl exec -it 容器名稱 -- nslookup Service名稱可測試 DNS 解析。

七、案例練習

（一）案例一：創建 LoadBalancer 類型的 Nginx 服務

  1. YAML 文件
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: mynginxnamespace: defaultlabels:app: mynginx
spec:type: LoadBalancerports:- port: 80targetPort: httpprotocol: TCPname: httpselector:app: mynginxapiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: mynginx-deploymentnamespace: defaultlabels:app: mynginx
spec:replicas: 2selector:matchLabels:app: mynginxtemplate:metadata:labels:app: mynginxspec:containers:- name: mynginximage: nginx:1.7.9ports:- name: httpcontainerPort: 80protocol: TCP

  1. 創建服務和 Deployment：kubectl create -f nginx-service.yaml。

（二）案例二：創建 NodePort 類型的 Tomcat 服務

  1. YAML 文件
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: webapp
spec:type: NodePortports:- port: 8080targetPort: 8080nodePort: 30008selector:app: webappapiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:

name: webapp
spec:replicas: 2selector:matchLabels:app: webapptemplate:metadata:labels:app: webappspec:containers:- name: webappimage: kubeguide/tomcat-app:v1ports:- name: httpcontainerPort: 8080protocol: TCP

  1. 創建服務和 Deployment：kubectl create -f tomcat-service.yaml。

八、本章總結

本章全面介紹了 Kubernetes 中 Service 的核心知識，包括概念、工作原理、類型、創建方法及相關應用：

  1. Service 的核心作用：作為 Pod 的抽象，為其提供穩定的訪問入口，實現負載均衡、服務發現與暴露，是 Kubernetes 微服務架構的核心。
  2. 工作原理關鍵組件：kube-proxy 負責流量轉發和負載均衡規則更新，CoreDNS 實現 Service 的 DNS 解析。
  3. 四種 Service 類型特點與場景：
    • ClusterIP：集群內部通信。
    • NodePort：外部通過節點端口訪問。
    • LoadBalancer：結合云服務商負載均衡器。
    • ExternalName：關聯集群外部服務。
  4. 服務發現機制：基于環境變量和 DNS，使客戶端能便捷獲取服務地址。
  5. 實踐應用：通過 Deployment 配合不同類型 Service 的創建與配置案例，掌握了 Service 在實際場景中的運用

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