前言
在kubernets集群的每個節點上都運行着kube-proxy進程，負責實現Kubernetes中service組件的虛擬IP服務。目前kube-proxy有如下三種工作模式：
- User space 模式
- iptables 模式
- IPVS 模式
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User space模式
在這種模式下，kube-proxy通過觀察Kubernetes中service和endpoint對象的變化，當有新的service創建時，所有節點的kube-proxy在node節點上隨機選擇一個端口，在iptables中追加一條把訪問service的請求重定向到這個端口的記錄，並開始監聽這個端口的連接請求。
比如說創建一個service,對應的IP：1.2.3.4,port:8888，kube-proxy隨機選擇的端口是32890，則會在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 32890KUBE-PORTALS-CONTAINER 是kube-proxy在iptable中創建的規則鏈，在PREROUTING階段執行
執行過程：
- 當有請求訪問service時，在PREROUTING階段，將請求jumpKUBE-PORTALS-CONTAINER
- KUBE-PORTALS-CONTAINER中的這條記錄起作用,把請求重定向到kube-proxy剛監聽的端口32890上，數據包進入kube-proxy進程內，
- 然后kube-proxy會從這個service對應的endpoint中根據SessionAffinity來選擇一個作為真實服務響應請求。
這種模式的缺點就是，請求數據需要到kube-proxy中，就是用戶空間中，才能決定真正要轉發的實際服務地址，性能會有損耗。並且在應用執行過程中，kube-proxy的可用性也會影響系統的穩定
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iptables 模式（目前kube-proxy默認的工作模式）
在這種模式下，kube-proxy通過觀察Kubernetes中service和endpoint對象的變化，當有servcie創建時，kube-proxy在iptables中追加新的規則。對於service的每一個endpoint，會在iptables中追加一條規則，設定動作為DNAT，將目的地址設置成真正提供服務的pod地址；再為servcie追加規則，設定動作為跳轉到對應的endpoint的規則上，
默認情況下，kube-proxy隨機選擇一個后端的服務，可以通過iptables中的 -m recent 模塊實現session affinity功能，通過 -m statistic 模塊實現負載均衡時的權重功能
比如說創建了一個service，對應的IP：1.2.3.4,port:8888，對應一個后端地址：10.1.0.8:8080，則會在iptables中追加（主要規則）：
-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 10.1.0.8:8080KUBE-SERVICES 是kube-proxy在iptable中創建的規則鏈，在PREROUTING階段執行
執行過程：
- 當請求訪問service時，iptables在prerouting階段，將講求jump到KUBE-SERVICES，
- 在KUBE-SERVICES 中匹配到上面的第一條准則，繼續jump到KUBE-SVC-XXXXXXXXXXXXXXXX，
- 根據這條准則jump到KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX，
- 在KUBE-SEP-XXXXXXXXXXXXXXXX規則中經過DNAT動做，訪問真正的pod地址10.1.0.8:8080。
在這種邏輯下，數據轉發都在系統內核層面做，提升了性能，並且即便kube-proxy不工作了，已經創建好的服務還能正常工作 。但是在這種模式下，如果選中的第一個pod不能響應，請求就會失敗，不能像userspace模式，請求失敗后kube-proxy還能對其他endpoint進行重試。
這就要求我們的應用(pod)要提供readiness probes功能，來驗證后端服務是否能正常提供服務，kube-proxy只會將readiness probes測試通過的pod寫入到iptables規則中，以此來避免將請求轉發到不正常的后端服務中。
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IPVS 模式
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介紹
由於在iptables模式中，kube-proxy需要為每一個服務，每一個endpoint都生成相應的iptables規則，當服務規模很大時，性能也將顯著下降，因此kubernetes在1.8引入了IPVS模式，1.9版本中變成beta，在1.11版本中成為GA。在IPVS模式下，kube-proxy觀察Kubernetes中service和endpoint對象的變化，通過調用netlink接口創建相應的IPVS規則，並周期性的對Kubernetes的service、endpoint和IPVS規則進行同步，當訪問一個service時，IPVS負責選擇一個真實的后端提供服務。
IPVS模式也是基於netfilter的hook功能(INPUT階段)，這點和iptables模式是一樣的，但是用的是內核工作空間的hash表作為存儲的數據結構，在這種模式下，iptables可通過ipset來驗證具體請求是否滿足某條規則。在service變成時，只用更新ipset中的記錄，不用改變iptables的規則鏈，因此可以保證iptables中的規則不會隨着服務的增加變多，在超大規模服務集群的情況下提供一致的性能效果。
在對規則進行同步時的性能也要高於iptables（只用對特定的一個hash表進行更新，而不是像iptables模式下對整個規則表進行操作），所以能提供更高的網絡流量。
IPVS在對后端服務的選擇上也提供了更多靈活的算法：
- rr: round-robin
- lc: least connection (最少連接數算法)
- dh: destination hashing（目的hash算法）
- sh: source hashing（原地址hash算法）
- sed: shortest expected delay（最短延遲算法）
- nq: never queue
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kube-proxy啟用IPVS
由於IPVS的優勢，所以盡可能的采用IPVS作為kube-proxy的工作模式，通過以下步驟在創建集群時啟用IPVS
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安裝依賴工具包
apt install -y ipvsadm ipset- ipset是IPVS工作時會用刀的工具包
- ipvsadm 是一個客戶端工具，可以讓我們和ipvs表的數據進行交互
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kube-proxy啟用IPVS時依賴模塊：
ip_vs ip_vs_rr ip_vs_wrr ip_vs_sh nf_conntrack可通過如下命令檢查系統是否啟用了這些模塊
$ lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack如果沒有啟用，通過如下命令啟用
$ 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相關配置
proxy-mode: "ipvs" ipvs-min-sync-period: ipvs 規則刷新的最小時間間隔 ipvs-scheduler: ipvs的負載算法（rr、lc等） ipvs-sync-period: ipvs規則刷新的最大時間間隔（30s）
采用用IPVS模式時，在啟動kube-proxy前必須要確保IPVS模塊在服務上存在，如果kube-proxy啟動時，經過驗證發現IPVS模塊不可用，kube-proxy自動采用iptables模式工作，參考代碼：server_others.go
在介紹kube-proxy如何使用IPVS實現對service的請求前，先看下IPVS的簡單介紹及工作原理
IPVS
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介紹
IPVS是Linux服務器中用來實現LVS（Linux virtual service）的一個模塊，工作在內核空間是一種基於虛擬IP的負載均衡技術，通過用戶空間的ipvsadm來執行規則制定，常見術語稱 解釋 Real Server 后端請求處理服務器 P Client IP,客戶端IP P Director Virtual IP,負載均衡器虛擬IP P Director IP,負載均衡器IP P Real Server IP,后端處理請求的真實服務器IP -
工作原理
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因為IPVS是hook到netfilter的input鏈中執行的，所以需要先了解下數據在netfilter中的流轉過程
正常流程：
- 數據進入內核空間，到達PreRouting
- 進行路由決策
- 請求是發往本機的進入input
- 進入用戶空間處理
- 處理完進入output
- 進入postrouting
- 發送出去
- 請求不是本機的，進入forward
- 進入postrouting
- 發送出去
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加入IPVS后的簡化邏輯圖
- 請求到達負載均衡器的內核空間時，到達PREROUTING鏈
- 當內核根據路由決策發現地址是本機時，將數據包送往INPUT鏈
- 數據包到達INPUT鏈時，首先會被IPVS檢查，如果請求的目的地址、端口信息不在自己的hash表中時，數據正常發往用戶空間處理
- 如果hash表中的規則匹配到請求記錄，依據IPVS的工作模式，對請求頭中的信息進行修改，之后直接交由POSTROUTING鏈執行
- POSTROUTING根據IPVS修改后的請求頭信息（此時目的地址是真實的服務地址），通過路由表，用正確的設備將請求轉發出去
可以看到，當IPVS模塊工作后，在input鏈上會再次對請求做匹配，匹配到的直接做postrouting，不再進入用戶空間處理，而是把請求發送到IPVS選中的提供真實服務的服務器
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IPVS有三種工作模式NAT（Masq）、DR、TUN，因為kube-proxy采用的是NAT模式，所以下面只對NAT模式進行分析
NAT：Network Address Transition（網絡地址轉換），工作在此模式下的IPVS，首先根據scheduler策略選擇一個真實的后端服務，接着將請求頭中的目的地址IP、端口轉換成真實服務的IP和端口，之后進入POSTROUTING，向真實的服務器發起請求。當響應數據返回時，再通過masqreade，將返回數據的源地址修改成虛擬服務器的地址，具有有如下特性：
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Real Server應該使用私有ip地址，和client IP不在一個網段中(如果在一個網段中，real Server可以將數據直接返回客戶端，不會再經過Director Server返回）
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一般Real Server的網關應該指向DIP，不然的話無法保證響應報文經過Director Server（IP 協議，數據發送給不在同一個網段的服務器時，會把數據發送給網關）
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RIP要和DIP應該在同一網段內
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進出的報文，無論請求還是響應都要經過Directory server（滿足上面三點，這個是自然而然的）
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支持端口映射
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Real Server可以使用任意系統，只要端口對應即可
其流程如下:
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當用戶請求到達DirectorServer，此時請求的數據報文會先到內核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為VIP 。
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PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈。
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IPVS比對數據包請求的服務是否為集群服務，若是，修改數據包的目標IP地址為后端服務器IP，然后將數據包發至POSTROUTING鏈。 此時報文的源IP為CIP，目標IP為RIP ，在這個過程完成了目標IP的轉換。
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POSTROUTING鏈通過選路，將數據包發送給Real Server。
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Real Server比對發現目標為自己的IP，開始構建響應報文。 此時報文的源IP為RIP，目標IP為CIP 。
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因為Real Server的網關指向DIP，並且通常情況下CIP和RIP不在同一個網段內，在這種情況下，Real Server會先將數據發送給Director Server（網關），這樣數據就可以沿原路返回。
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Director Server在響應客戶端前，此時會將源IP地址修改為自己的VIP地址，然后響應給客戶端。 此時報文的源IP為VIP，目標IP為CIP。
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在此過程中CIP一直是不發生變化的
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kube-proxy如何使用IPVS
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從IPVS的工作原理上可以知道，kube-proxy想使用IPVS，需要完成以下幾個工作
- 需要路由決策判斷要訪問的service的VIP屬於本機，否則，數據不經過input，直接forward出去，IPVS就沒有機會工作了
- iptables中的規則需要允許對service請求通過，否則數據被過濾掉也不會經過IPVS
- IPVS要能夠判斷出訪問的service服務是屬於集群服務
- IPVS要能夠根據service服務對應的VIP，找到真實的服務，之后修改請求頭，向真實的服務發送請求
- 由於在kubernetes下工作的IPVS，不一定滿足經典的NAT模式的特性，所以數據返回路徑不一定和請求路徑一致,會出現Real Server直接返回數據給客戶端的情況
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為了讓node節點識別對應的VIP，kube-proxy啟動時創建了一個虛擬網絡設備kube-ipvs0,類型是dummy,並把service的VIP都設置到這個設備下面。創建這個設備，以及向設備中追加VIP的邏輯都在代碼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對應的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這個設備下面
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為了讓iptables中的規則允許對Servcie的請求通過，kube-proxy在iptables中追加了如下幾條主要規則（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)：
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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有兩點需要解釋下
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關於規則
KUBE-MARK-MASQ all -- !172.30.0.0/16 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst意思是對於非集群內的pod訪問集群的cluster IP時會執行masquerade，這是因為在kube-proxy的啟動條件設置成了iptables.masqueradeAll=false;clusterCIDR=172.30.0.0/16才這樣
如果設置成iptables.masqueradeAll=false;clusterCIDR=，即不設置CIDR規則會變成
KUBE-MARK-MASQ all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP src,dst效果應該是對自己訪問自己的請求做masquerade，其他請求都不做
如果iptables.masqueradeAll=true，規則變成
KUBE-MARK-MASQ all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst效果對所有請求都做masquerade
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關於匹配語法 -m set --match-set 。。。 代表用set模塊的對請求進行匹配
語法如下：
-m set --match-set name flags具體傳入的flags要依據 name指定的set的類型來傳入，具體ipset的用法可通過如下命令查看
ipset --help這里以KUBE-CLUSTER-IP為例
$ 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-
對應的類型信息：Type: hash:ip,port
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結合前面的規則
ACCEPT all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst表述的意思是請求的目的地址IP、目的端口和KUBE-CLUSTER-IP中的Members有匹配時，就接收請求
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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
通過分析kube-proxy追加的這些規則，可以看到訪問service提供的服務時，iptables中的規則最終都會允許請求通過，並且通過 -m set --match-set 的規則匹配機制，kube-proxy不用隨着servcie的創建和銷毀來修改iptables中的規則，只用修改對應的ipset中相應的Members就能夠達到效果，保證iptables的規則表固定大小，實現大規模服務集群中保持性能的穩定
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請求通過了iptables中的規則后，在INPUT階段，需要IPVS來對請求進行判斷，看請求的服務是否屬於集群服務，是的話還要能找出正確的真實服務地址，這個kube-proxy如何實現呢
kube-proxy通過監聽API server，當有service創建時，通過調用系統的netlink 接口，將service和對應的endpoint插入到IPVS對應的hash表中，對應代碼在proxier.go中，用戶可以通過ipvsadm工具查看ipvs hash表中的數據
$ 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因為啟用了DNS的cache功能，所以這個地方看到的service信息是DNS緩存信息
通過上述幾個步驟后，kube-proxy就把需要使用IPVS的依賴條件都實現，就可以在請求到來時利用IPVS機制對請求進行轉發了。