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。

精选留言（15）

纳爱斯 👍（41） 💬（3）
老师，是每个 node 上都会有 iptables 的全部规则吗
2019-04-11

甘陵笑笑生 👍（7） 💬（2）
请教一下 service的VIP设置后会变吗如果变什么时候会变
2019-05-14

AmyHuang 👍（2） 💬（2）
老师现在有个问题请教：service 三副本把一个副本所在节点驱逐，pod迁移到新的节点有一段时间可以telnet podip +port，但是直接curl service +port 会有数据中断，这个可能是我们设置什么导致呢？
2020-03-10

追寻云的痕迹 👍（88） 💬（2）
iptables是万恶之源，在复杂系统中，网络处理越简单越好。现在k8s这套玩法，给实际工作中的运维排错带来极大的麻烦。
2018-11-16

qingbo 👍（37） 💬（2）
看到也有同学问pod DNS，希望能讲得更详细些。我查阅官方文档及自己实践后的了解是这两种pod有DNS记录： 1. statefulset的pod。有人问之前讲DNS的是在哪，就是“20 | 深入理解StatefulSet（三）：有状态应用实践”这一篇。 2. pod显式指定了hostname和subdomain，并且有个headless service的名字和subdomain一样。在“27 | 聪明的微创新：Operator工作原理解读”一篇中讲到的etcd operator就是这样让pod拥有了DNS记录。Deployment的pod template也可以指定hostname和subdomain，但是却没办法给每个pod分配不同的hostname。指定hostname和subdomain之后，hostname.subdomain.default.svc.cluster.local这样的域名确实可以解析，但是因为多个pod都是这个FQDN，所以解析出来的效果和headless service一样，多个A记录，也就失去意义了。github上有个issue想让deployment管理的pod也有独立的DNS，好像没得到支持。
2019-04-30

DJH 👍（30） 💬（1）
老师，..svc.cluster.local这些点前面的东西能写全吗？录音听了N次也没记下来。文字不行的话能不能弄个图片？
2018-11-16

勤劳的小胖子-libo 👍（29） 💬（0）
示例终于都可以工作了，深化理解。一种是通过<serviceName>.<namespace>.svc.cluster.local访问。对应于clusterIP 另一种是通过<podName>.<serviceName>.<namesapce>.svc.cluster.local访问,对应于headless service. / # nslookup *.default.svc.cluster.local Server: 10.96.0.10 Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local Name: *.default.svc.cluster.local Address 1: 10.244.1.7 busybox-3.default-subdomain.default.svc.cluster.local Address 2: 10.96.0.1 kubernetes.default.svc.cluster.local Address 3: 10.97.103.223 hostnames.default.svc.cluster.local
2019-01-04

djfhchdh 👍（17） 💬（0）
ipvs负载均衡：round robin least connection destination hashing source hashing shortest expected delay never queue overflow-connection
2019-11-25

双叶 👍（13） 💬（1）
不太赞同 ipvs 比 iptables 快是因为把更多的操作放到了内核里面，不管 ipvs 还是 iptables，他的所有逻辑都是在内核里面跑的，只是 iptables 需要遍历规则，而规则数量会跟随 pod 数量增长，导致时间复杂度是 O(n)，而 ipvs 是专门做负载均衡的，时间复杂度是 O(1)。这篇文章里面有比较细致的说明：https://www.tigera.io/blog/comparing-kube-proxy-modes-iptables-or-ipvs/ 基本来说，就是 iptables 不能放太多规则
2022-07-11

runner 👍（11） 💬（2）
请问老师，每个节点会有全部的iptables规则么，还是只有自己所属服务的规则？如果服务是nodePort类型，它会在所有节点上占用端口？还是容器所在的几个节点占用端口？
2018-11-16

李康 👍（9） 💬（1）
-A KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR -s 10.244.3.6/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000 -A KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ -s 10.244.1.7/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000 -A KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 -s 10.244.2.3/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000 问下为啥源地址是这个啊？现在数据包源地址不应该是客户端的地址吗？
2020-02-23

mcc 👍（8） 💬（9）
描述一个实际使用中遇到kube-proxy的一个问题。我使用service的nodeport模式对外发布服务，前端使用openresty做代理的，upstream就配置node ip+nodeport。在使用过程中发现openresty经常不定期报104:connection reset by peer when read response head这个错误，从错误看出openstry从nodeport读取数据的时候tcp连接被重置了，使用同一openresty的后端是普通虚拟机的节点的服务却没有这个问题，问题还有个特点就是某个服务长时间没有被访问，第一次点击的时候就会出现，然后后面就好了。nodeport是被kube-proxy监听的，问题就出在openresty与kube-proxy的tcp连接上，能否帮忙分析kube-proxy为何会重置连接？
2018-11-16

grep 👍（4） 💬（2）
示例里这里打出来的 endpoints ip： kubectl get endpoints hostnames NAME ENDPOINTS hostnames 10.244.0.5:9376,10.244.0.6:9376,10.244.0.7:9376 与下面的 iptables 规则里的 endpoint ip 对不上 -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 是不是中间重新部署过？
2019-09-27

艾斯Z艾穆 👍（4） 💬（1）
您好，我使用coreDNS插件版本是1.2.6 配置文件的内容： Corefile: | .:53 { errors health kubernetes cluster.local. in-addr.arpa ip6.arpa { pods insecure upstream fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa } prometheus :9153 proxy . 100.64.255.100 223.5.5.5 11.125.1.12 cache 30 loop reload loadbalance } 在解析公网的域名的时候会有小概率随机出现unknown host，请问会是什么问题
2018-12-03

独孤九剑 👍（3） 💬（0）
“服务”本质是一种“反向代理”机制
2021-07-01