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Service

1 - 使用 Service 连接到应用

Kubernetes 连接容器的模型

既然有了一个持续运行、可复制的应用，我们就能够将它暴露到网络上。

Kubernetes 假设 Pod 可与其它 Pod 通信，不管它们在哪个主机上。 Kubernetes 给每一个 Pod 分配一个集群私有 IP 地址，所以没必要在 Pod 与 Pod 之间创建连接或将容器的端口映射到主机端口。 这意味着同一个 Pod 内的所有容器能通过 localhost 上的端口互相连通，集群中的所有 Pod 也不需要通过 NAT 转换就能够互相看到。 本文档的剩余部分详述如何在上述网络模型之上运行可靠的服务。

本教程使用一个简单的 Nginx 服务器来演示概念验证原型。

在集群中暴露 Pod

我们在之前的示例中已经做过，然而让我们以网络连接的视角再重做一遍。 创建一个 Nginx Pod，注意其中包含一个容器端口的规约：

service/networking/run-my-nginx.yaml 
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: my-nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        run: my-nginx
    spec:
      containers:
      - name: my-nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80

这使得可以从集群中任何一个节点来访问它。检查节点，该 Pod 正在运行：

kubectl apply -f ./run-my-nginx.yaml
kubectl get pods -l run=my-nginx -o wide

NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP            NODE
my-nginx-3800858182-jr4a2   1/1       Running   0          13s       10.244.3.4    kubernetes-minion-905m
my-nginx-3800858182-kna2y   1/1       Running   0          13s       10.244.2.5    kubernetes-minion-ljyd

检查 Pod 的 IP 地址：

kubectl get pods -l run=my-nginx -o custom-columns=POD_IP:.status.podIPs
    POD_IP
    [map[ip:10.244.3.4]]
    [map[ip:10.244.2.5]]

你应该能够通过 ssh 登录到集群中的任何一个节点上，并使用诸如 curl 之类的工具向这两个 IP 地址发出查询请求。 需要注意的是，容器 不会 使用该节点上的 80 端口，也不会使用任何特定的 NAT 规则去路由流量到 Pod 上。 这意味着你可以使用相同的 containerPort 在同一个节点上运行多个 Nginx Pod， 并且可以从集群中任何其他的 Pod 或节点上使用为 Pod 分配的 IP 地址访问到它们。 如果你想的话，你依然可以将宿主节点的某个端口的流量转发到 Pod 中，但是出于网络模型的原因，你不必这么做。

如果对此好奇，请参考 Kubernetes 网络模型。

创建 Service

我们有一组在一个扁平的、集群范围的地址空间中运行 Nginx 服务的 Pod。 理论上，你可以直接连接到这些 Pod，但如果某个节点宕机会发生什么呢？ Pod 会终止，Deployment 内的 ReplicaSet 将创建新的 Pod，且使用不同的 IP。这正是 Service 要解决的问题。

Kubernetes Service 是集群中提供相同功能的一组 Pod 的抽象表达。 当每个 Service 创建时，会被分配一个唯一的 IP 地址（也称为 clusterIP）。 这个 IP 地址与 Service 的生命周期绑定在一起，只要 Service 存在，它就不会改变。 可以配置 Pod 使它与 Service 进行通信，Pod 知道与 Service 通信将被自动地负载均衡到该 Service 中的某些 Pod 上。

可以使用 kubectl expose 命令为 2 个 Nginx 副本创建一个 Service：

kubectl expose deployment/my-nginx

service/my-nginx exposed

这等价于使用 kubectl create -f 命令及如下的 yaml 文件创建：

service/networking/nginx-svc.yaml 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nginx
  labels:
    run: my-nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
  selector:
    run: my-nginx

上述规约将创建一个 Service，该 Service 会将所有具有标签 run: my-nginx 的 Pod 的 TCP 80 端口暴露到一个抽象的 Service 端口上（targetPort：容器接收流量的端口；port： 可任意取值的抽象的 Service 端口，其他 Pod 通过该端口访问 Service）。 查看 Service API 对象以了解 Service 所能接受的字段列表。 查看你的 Service 资源:

kubectl get svc my-nginx

NAME       TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
my-nginx   ClusterIP   10.0.162.149   <none>        80/TCP    21s

正如前面所提到的，一个 Service 由一组 Pod 提供支撑。这些 Pod 通过 EndpointSlices 暴露出来。 Service Selector 将持续评估，结果被 POST 到使用标签与该 Service 连接的一个 EndpointSlice。 当 Pod 终止后，它会自动从包含该 Pod 的 EndpointSlices 中移除。 新的能够匹配上 Service Selector 的 Pod 将被自动地为该 Service 添加到 EndpointSlice 中。 检查 Endpoint，注意到 IP 地址与在第一步创建的 Pod 是相同的。

kubectl describe svc my-nginx

Name:                my-nginx
Namespace:           default
Labels:              run=my-nginx
Annotations:         <none>
Selector:            run=my-nginx
Type:                ClusterIP
IP Family Policy:    SingleStack
IP Families:         IPv4
IP:                  10.0.162.149
IPs:                 10.0.162.149
Port:                <unset> 80/TCP
TargetPort:          80/TCP
Endpoints:           10.244.2.5:80,10.244.3.4:80
Session Affinity:    None
Events:              <none>

kubectl get endpointslices -l kubernetes.io/service-name=my-nginx

NAME             ADDRESSTYPE   PORTS   ENDPOINTS               AGE
my-nginx-7vzhx   IPv4          80      10.244.2.5,10.244.3.4   21s

现在，你应该能够从集群中任意节点上使用 curl 命令向 <CLUSTER-IP>:<PORT> 发送请求以访问 Nginx Service。 注意 Service IP 完全是虚拟的，它从来没有走过网络，如果对它如何工作的原理感到好奇， 可以进一步阅读服务代理的内容。

访问 Service

Kubernetes 支持两种查找服务的主要模式：环境变量和 DNS。前者开箱即用，而后者则需要 CoreDNS 集群插件。

环境变量

当 Pod 在节点上运行时，kubelet 会针对每个活跃的 Service 为 Pod 添加一组环境变量。 这就引入了一个顺序的问题。为解释这个问题，让我们先检查正在运行的 Nginx Pod 的环境变量（你的环境中的 Pod 名称将会与下面示例命令中的不同）：

kubectl exec my-nginx-3800858182-jr4a2 -- printenv | grep SERVICE

KUBERNETES_SERVICE_HOST=10.0.0.1
KUBERNETES_SERVICE_PORT=443
KUBERNETES_SERVICE_PORT_HTTPS=443

能看到环境变量中并没有你创建的 Service 相关的值。这是因为副本的创建先于 Service。 这样做的另一个缺点是，调度器可能会将所有 Pod 部署到同一台机器上，如果该机器宕机则整个 Service 都会离线。 要改正的话，我们可以先终止这 2 个 Pod，然后等待 Deployment 去重新创建它们。 这次 Service 会 先于 副本存在。这将实现调度器级别的 Pod 按 Service 分布（假定所有的节点都具有同样的容量），并提供正确的环境变量：

kubectl scale deployment my-nginx --replicas=0; kubectl scale deployment my-nginx --replicas=2;
kubectl get pods -l run=my-nginx -o wide

NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE
my-nginx-3800858182-e9ihh   1/1       Running   0          5s      10.244.2.7    kubernetes-minion-ljyd
my-nginx-3800858182-j4rm4   1/1       Running   0          5s      10.244.3.8    kubernetes-minion-905m

你可能注意到，Pod 具有不同的名称，这是因为它们是被重新创建的。

kubectl exec my-nginx-3800858182-e9ihh -- printenv | grep SERVICE

KUBERNETES_SERVICE_PORT=443
MY_NGINX_SERVICE_HOST=10.0.162.149
KUBERNETES_SERVICE_HOST=10.0.0.1
MY_NGINX_SERVICE_PORT=80
KUBERNETES_SERVICE_PORT_HTTPS=443

DNS

Kubernetes 提供了一个自动为其它 Service 分配 DNS 名字的 DNS 插件 Service。 你可以通过如下命令检查它是否在工作：

kubectl get services kube-dns --namespace=kube-system

NAME       TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)         AGE
kube-dns   ClusterIP   10.0.0.10    <none>        53/UDP,53/TCP   8m

本段剩余的内容假设你已经有一个拥有持久 IP 地址的 Service（my-nginx），以及一个为其 IP 分配名称的 DNS 服务器。 这里我们使用 CoreDNS 集群插件（应用名为 kube-dns）， 所以在集群中的任何 Pod 中，你都可以使用标准方法（例如：gethostbyname()）与该 Service 通信。 如果 CoreDNS 没有在运行，你可以参照 CoreDNS README 或者安装 CoreDNS 来启用它。 让我们运行另一个 curl 应用来进行测试：

kubectl run curl --image=radial/busyboxplus:curl -i --tty --rm

Waiting for pod default/curl-131556218-9fnch to be running, status is Pending, pod ready: false
Hit enter for command prompt

然后，按回车并执行命令 nslookup my-nginx：

[ root@curl-131556218-9fnch:/ ]$ nslookup my-nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10

Name:      my-nginx
Address 1: 10.0.162.149

保护 Service

到现在为止，我们只在集群内部访问了 Nginx 服务器。在将 Service 暴露到因特网之前，我们希望确保通信信道是安全的。 为实现这一目的，需要：

  • 用于 HTTPS 的自签名证书（除非已经有了一个身份证书）
  • 使用证书配置的 Nginx 服务器
  • 使 Pod 可以访问证书的 Secret

你可以从 Nginx https 示例获取所有上述内容。 你需要安装 go 和 make 工具。如果你不想安装这些软件，可以按照后文所述的手动执行步骤执行操作。简要过程如下：

make keys KEY=/tmp/nginx.key CERT=/tmp/nginx.crt
kubectl create secret tls nginxsecret --key /tmp/nginx.key --cert /tmp/nginx.crt

secret/nginxsecret created

kubectl get secrets

NAME                  TYPE                                  DATA      AGE
nginxsecret           kubernetes.io/tls                     2         1m

以下是 configmap：

kubectl create configmap nginxconfigmap --from-file=default.conf

你可以在 Kubernetes examples 项目代码仓库中找到 default.conf 示例。

configmap/nginxconfigmap created

kubectl get configmaps

NAME             DATA   AGE
nginxconfigmap   1      114s

你可以使用以下命令来查看 nginxconfigmap ConfigMap 的细节：

kubectl describe configmap  nginxconfigmap

输出类似于：

Name:         nginxconfigmap
Namespace:    default
Labels:       <none>
Annotations:  <none>

Data
====
default.conf:
----
server {
        listen 80 default_server;
        listen [::]:80 default_server ipv6only=on;

        listen 443 ssl;

        root /usr/share/nginx/html;
        index index.html;

        server_name localhost;
        ssl_certificate /etc/nginx/ssl/tls.crt;
        ssl_certificate_key /etc/nginx/ssl/tls.key;

        location / {
                try_files $uri $uri/ =404;
        }
}

BinaryData
====

Events:  <none>

以下是你在运行 make 时遇到问题时要遵循的手动步骤（例如，在 Windows 上）：

# 创建公钥和相对应的私钥
openssl req -x509 -nodes -days 365 -newkey rsa:2048 -keyout /d/tmp/nginx.key -out /d/tmp/nginx.crt -subj "/CN=my-nginx/O=my-nginx"
# 对密钥实施 base64 编码
cat /d/tmp/nginx.crt | base64
cat /d/tmp/nginx.key | base64

如下所示，使用上述命令的输出来创建 yaml 文件。base64 编码的值应全部放在一行上。

apiVersion: "v1"
kind: "Secret"
metadata:
  name: "nginxsecret"
  namespace: "default"
type: kubernetes.io/tls
data:
  tls.crt: "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"
  tls.key: "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"

现在使用文件创建 Secret：

kubectl apply -f nginxsecrets.yaml
kubectl get secrets

NAME                  TYPE                                  DATA      AGE
nginxsecret           kubernetes.io/tls                     2         1m

现在修改 Nginx 副本以启动一个使用 Secret 中的证书的 HTTPS 服务器以及相应的用于暴露其端口（80 和 443）的 Service：

service/networking/nginx-secure-app.yaml 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nginx
  labels:
    run: my-nginx
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 8080
    targetPort: 80
    protocol: TCP
    name: http
  - port: 443
    protocol: TCP
    name: https
  selector:
    run: my-nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: my-nginx
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        run: my-nginx
    spec:
      volumes:
      - name: secret-volume
        secret:
          secretName: nginxsecret
      - name: configmap-volume
        configMap:
          name: nginxconfigmap
      containers:
      - name: nginxhttps
        image: bprashanth/nginxhttps:1.0
        ports:
        - containerPort: 443
        - containerPort: 80
        volumeMounts:
        - mountPath: /etc/nginx/ssl
          name: secret-volume
        - mountPath: /etc/nginx/conf.d
          name: configmap-volume

关于 nginx-secure-app 清单，值得注意的几点如下：

  • 它将 Deployment 和 Service 的规约放在了同一个文件中。
  • Nginx 服务器通过 80 端口处理 HTTP 流量，通过 443 端口处理 HTTPS 流量，而 Nginx Service 则暴露了这两个端口。
  • 每个容器能通过挂载在 /etc/nginx/ssl 的卷访问密钥。卷和密钥需要在 Nginx 服务器启动 之前 配置好。
kubectl delete deployments,svc my-nginx; kubectl create -f ./nginx-secure-app.yaml

这时，你可以从任何节点访问到 Nginx 服务器。

kubectl get pods -l run=my-nginx -o custom-columns=POD_IP:.status.podIPs
    POD_IP
    [map[ip:10.244.3.5]]

node $ curl -k https://10.244.3.5
...
<h1>Welcome to nginx!</h1>

注意最后一步我们是如何提供 -k 参数执行 curl 命令的，这是因为在证书生成时， 我们不知道任何关于运行 nginx 的 Pod 的信息，所以不得不在执行 curl 命令时忽略 CName 不匹配的情况。 通过创建 Service，我们连接了在证书中的 CName 与在 Service 查询时被 Pod 使用的实际 DNS 名字。 让我们从一个 Pod 来测试（为了方便，这里使用同一个 Secret，Pod 仅需要使用 nginx.crt 去访问 Service）：

service/networking/curlpod.yaml 
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: curl-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: curlpod
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: curlpod
    spec:
      volumes:
      - name: secret-volume
        secret:
          secretName: nginxsecret
      containers:
      - name: curlpod
        command:
        - sh
        - -c
        - while true; do sleep 1; done
        image: radial/busyboxplus:curl
        volumeMounts:
        - mountPath: /etc/nginx/ssl
          name: secret-volume

kubectl apply -f ./curlpod.yaml
kubectl get pods -l app=curlpod

NAME                               READY     STATUS    RESTARTS   AGE
curl-deployment-1515033274-1410r   1/1       Running   0          1m

kubectl exec curl-deployment-1515033274-1410r -- curl https://my-nginx --cacert /etc/nginx/ssl/tls.crt
...
<title>Welcome to nginx!</title>
...

暴露 Service

对应用的某些部分，你可能希望将 Service 暴露在一个外部 IP 地址上。 Kubernetes 支持两种实现方式：NodePort 和 LoadBalancer。 在上一段创建的 Service 使用了 NodePort，因此，如果你的节点有一个公网 IP，那么 Nginx HTTPS 副本已经能够处理因特网上的流量。

kubectl get svc my-nginx -o yaml | grep nodePort -C 5

  uid: 07191fb3-f61a-11e5-8ae5-42010af00002
spec:
  clusterIP: 10.0.162.149
  ports:
  - name: http
    nodePort: 31704
    port: 8080
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  - name: https
    nodePort: 32453
    port: 443
    protocol: TCP
    targetPort: 443
  selector:
    run: my-nginx

kubectl get nodes -o yaml | grep ExternalIP -C 1

    - address: 104.197.41.11
      type: ExternalIP
    allocatable:
--
    - address: 23.251.152.56
      type: ExternalIP
    allocatable:
...

$ curl https://<EXTERNAL-IP>:<NODE-PORT> -k
...
<h1>Welcome to nginx!</h1>

让我们重新创建一个 Service 以使用云负载均衡器。 将 my-nginx Service 的 Type 由 NodePort 改成 LoadBalancer：

kubectl edit svc my-nginx
kubectl get svc my-nginx

NAME       TYPE           CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP        PORT(S)               AGE
my-nginx   LoadBalancer   10.0.162.149   xx.xxx.xxx.xxx     8080:30163/TCP        21s

curl https://<EXTERNAL-IP> -k
...
<title>Welcome to nginx!</title>

在 EXTERNAL-IP 列中的 IP 地址能在公网上被访问到。CLUSTER-IP 只能从集群/私有云网络中访问。

注意，在 AWS 上，类型 LoadBalancer 的服务会创建一个 ELB，且 ELB 使用主机名（比较长），而不是 IP。 ELB 的主机名太长以至于不能适配标准 kubectl get svc 的输出，所以需要通过执行 kubectl describe service my-nginx 命令来查看它。 可以看到类似如下内容：

kubectl describe service my-nginx
...
LoadBalancer Ingress:   a320587ffd19711e5a37606cf4a74574-1142138393.us-east-1.elb.amazonaws.com
...

接下来

2 - 使用源 IP

运行在 Kubernetes 集群中的应用程序通过 Service 抽象发现彼此并相互通信，它们也用 Service 与外部世界通信。 本文解释了发送到不同类型 Service 的数据包的源 IP 会发生什么情况，以及如何根据需要切换此行为。

准备开始

术语表

本文使用了下列术语：

NAT
网络地址转换
Source NAT
替换数据包上的源 IP；在本页面中，这通常意味着替换为节点的 IP 地址
Destination NAT
替换数据包上的目标 IP；在本页面中，这通常意味着替换为 Pod 的 IP 地址
VIP
一个虚拟 IP 地址，例如分配给 Kubernetes 中每个 Service 的 IP 地址
Kube-proxy
一个网络守护程序，在每个节点上协调 Service VIP 管理

先决条件

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，同时你必须配置 kubectl 命令行工具与你的集群通信。 建议在至少有两个不作为控制平面主机的节点的集群上运行本教程。 如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一个你自己的集群，或者你可以使用下面的 Kubernetes 练习环境之一：

示例使用一个小型 nginx Web 服务器，服务器通过 HTTP 标头返回它接收到的请求的源 IP。 你可以按如下方式创建它：

kubectl create deployment source-ip-app --image=registry.k8s.io/echoserver:1.4

输出为：

deployment.apps/source-ip-app created

教程目标

  • 通过多种类型的 Service 暴露一个简单应用
  • 了解每种 Service 类型如何处理源 IP NAT
  • 了解保留源 IP 所涉及的权衡

Type=ClusterIP 类型 Service 的源 IP

如果你在 iptables 模式（默认）下运行 kube-proxy，则从集群内发送到 ClusterIP 的数据包永远不会进行源 NAT。 你可以通过在运行 kube-proxy 的节点上获取 http://localhost:10249/proxyMode 来查询 kube-proxy 模式。

kubectl get nodes

输出类似于：

NAME                           STATUS     ROLES    AGE     VERSION
kubernetes-node-6jst   Ready      <none>   2h      v1.13.0
kubernetes-node-cx31   Ready      <none>   2h      v1.13.0
kubernetes-node-jj1t   Ready      <none>   2h      v1.13.0

在其中一个节点上获取代理模式（kube-proxy 监听 10249 端口）：

# 在要查询的节点上的 Shell 中运行
curl http://localhost:10249/proxyMode

输出为：

iptables

你可以通过在源 IP 应用程序上创建 Service 来测试源 IP 保留：

kubectl expose deployment source-ip-app --name=clusterip --port=80 --target-port=8080

输出为：

service/clusterip exposed

kubectl get svc clusterip

输出类似于：

NAME         TYPE        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
clusterip    ClusterIP   10.0.170.92   <none>        80/TCP    51s

并从同一集群中的 Pod 中访问 ClusterIP：

kubectl run busybox -it --image=busybox:1.28 --restart=Never --rm

输出类似于：

Waiting for pod default/busybox to be running, status is Pending, pod ready: false
If you don't see a command prompt, try pressing enter.

然后，你可以在该 Pod 中运行命令：

# 从 “kubectl run” 的终端中运行
ip addr

1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1460 qdisc noqueue
    link/ether 0a:58:0a:f4:03:08 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.244.3.8/24 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::188a:84ff:feb0:26a5/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

然后使用 wget 查询本地 Web 服务器：

# 将 “10.0.170.92” 替换为 Service 中名为 “clusterip” 的 IPv4 地址
wget -qO - 10.0.170.92

CLIENT VALUES:
client_address=10.244.3.8
command=GET
...

不管客户端 Pod 和服务器 Pod 位于同一节点还是不同节点，client_address 始终是客户端 Pod 的 IP 地址。

Type=NodePort 类型 Service 的源 IP

默认情况下，发送到 Type=NodePort 的 Service 的数据包会经过源 NAT 处理。你可以通过创建一个 NodePort 的 Service 来测试这点：

kubectl expose deployment source-ip-app --name=nodeport --port=80 --target-port=8080 --type=NodePort

输出为：

service/nodeport exposed

NODEPORT=$(kubectl get -o jsonpath="{.spec.ports[0].nodePort}" services nodeport)
NODES=$(kubectl get nodes -o jsonpath='{ $.items[*].status.addresses[?(@.type=="InternalIP")].address }')

如果你在云供应商上运行，你可能需要为上面报告的 nodes:nodeport 打开防火墙规则。 现在你可以尝试通过上面分配的节点端口从集群外部访问 Service。

for node in $NODES; do curl -s $node:$NODEPORT | grep -i client_address; done

输出类似于：

client_address=10.180.1.1
client_address=10.240.0.5
client_address=10.240.0.3

请注意，这些并不是正确的客户端 IP，它们是集群的内部 IP。这是所发生的事情：

  • 客户端发送数据包到 node2:nodePort
  • node2 使用它自己的 IP 地址替换数据包的源 IP 地址（SNAT）
  • node2 将数据包上的目标 IP 替换为 Pod IP
  • 数据包被路由到 node1，然后到端点
  • Pod 的回复被路由回 node2
  • Pod 的回复被发送回给客户端

用图表示：

图 1：源 IP NodePort

如图。使用 SNAT 的源 IP（Type=NodePort）

为避免这种情况，Kubernetes 有一个特性可以保留客户端源 IP。 如果将 service.spec.externalTrafficPolicy 设置为 Local， kube-proxy 只会将代理请求代理到本地端点，而不会将流量转发到其他节点。 这种方法保留了原始源 IP 地址。如果没有本地端点，则发送到该节点的数据包将被丢弃， 因此你可以在任何数据包处理规则中依赖正确的源 IP，你可能会应用一个数据包使其通过该端点。

设置 service.spec.externalTrafficPolicy 字段如下：

kubectl patch svc nodeport -p '{"spec":{"externalTrafficPolicy":"Local"}}'

输出为：

service/nodeport patched

现在，重新运行测试：

for node in $NODES; do curl --connect-timeout 1 -s $node:$NODEPORT | grep -i client_address; done

输出类似于：

client_address=198.51.100.79

请注意，你只从运行端点 Pod 的节点得到了回复，这个回复有正确的客户端 IP。

这是发生的事情：

  • 客户端将数据包发送到没有任何端点的 node2:nodePort
  • 数据包被丢弃
  • 客户端发送数据包到必有端点的 node1:nodePort
  • node1 使用正确的源 IP 地址将数据包路由到端点

用图表示：

图 2：源 IP NodePort

如图。源 IP（Type=NodePort）保存客户端源 IP 地址

Type=LoadBalancer 类型 Service 的源 IP

默认情况下，发送到 Type=LoadBalancer 的 Service 的数据包经过源 NAT处理，因为所有处于 Ready 状态的可调度 Kubernetes 节点对于负载均衡的流量都是符合条件的。 因此，如果数据包到达一个没有端点的节点，系统会将其代理到一个带有端点的节点，用该节点的 IP 替换数据包上的源 IP（如上一节所述）。

你可以通过负载均衡器上暴露 source-ip-app 进行测试：

kubectl expose deployment source-ip-app --name=loadbalancer --port=80 --target-port=8080 --type=LoadBalancer

输出为：

service/loadbalancer exposed

打印 Service 的 IP 地址：

kubectl get svc loadbalancer

输出类似于：

NAME           TYPE           CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP       PORT(S)   AGE
loadbalancer   LoadBalancer   10.0.65.118   203.0.113.140     80/TCP    5m

接下来，发送请求到 Service 的 的外部 IP（External-IP）：

curl 203.0.113.140

输出类似于：

CLIENT VALUES:
client_address=10.240.0.5
...

然而，如果你在 Google Kubernetes Engine/GCE 上运行， 将相同的 service.spec.externalTrafficPolicy 字段设置为 Local， 故意导致健康检查失败，从而强制没有端点的节点把自己从负载均衡流量的可选节点列表中删除。

用图表示：

具有 externalTrafficPolicy 的源 IP

你可以通过设置注解进行测试：

kubectl patch svc loadbalancer -p '{"spec":{"externalTrafficPolicy":"Local"}}'

你应该能够立即看到 Kubernetes 分配的 service.spec.healthCheckNodePort 字段：

kubectl get svc loadbalancer -o yaml | grep -i healthCheckNodePort

输出类似于：

  healthCheckNodePort: 32122

service.spec.healthCheckNodePort 字段指向每个在 /healthz 路径上提供健康检查的节点的端口。你可以这样测试：

kubectl get pod -o wide -l app=source-ip-app

输出类似于：

NAME                            READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
source-ip-app-826191075-qehz4   1/1       Running   0          20h       10.180.1.136   kubernetes-node-6jst

使用 curl 获取各个节点上的 /healthz 端点：

# 在你选择的节点上本地运行
curl localhost:32122/healthz

1 Service Endpoints found

在不同的节点上，你可能会得到不同的结果：

# 在你选择的节点上本地运行
curl localhost:32122/healthz

No Service Endpoints Found

在控制平面上运行的控制器负责分配云负载均衡器。 同一个控制器还在每个节点上分配指向此端口/路径的 HTTP 健康检查。 等待大约 10 秒，让 2 个没有端点的节点健康检查失败，然后使用 curl 查询负载均衡器的 IPv4 地址：

curl 203.0.113.140

输出类似于：

CLIENT VALUES:
client_address=198.51.100.79
...

跨平台支持

只有部分云提供商为 Type=LoadBalancer 的 Service 提供保存源 IP 的支持。 你正在运行的云提供商可能会以几种不同的方式满足对负载均衡器的请求：

  1. 使用终止客户端连接并打开到你的节点/端点的新连接的代理。 在这种情况下，源 IP 将始终是云 LB 的源 IP，而不是客户端的源 IP。

  2. 使用数据包转发器，这样客户端发送到负载均衡器 VIP 的请求最终会到达具有客户端源 IP 的节点，而不是中间代理。

第一类负载均衡器必须使用负载均衡器和后端之间商定的协议来传达真实的客户端 IP， 例如 HTTP 转发或 X-FORWARDED-FOR 标头，或代理协议。 第二类负载均衡器可以通过创建指向存储在 Service 上的 service.spec.healthCheckNodePort 字段中的端口的 HTTP 健康检查来利用上述功能。

清理现场

删除 Service：

kubectl delete svc -l app=source-ip-app

删除 Deployment、ReplicaSet 和 Pod：

kubectl delete deployment source-ip-app

接下来

3 - 探索 Pod 及其端点的终止行为

一旦你参照使用 Service 连接到应用中概述的那些步骤使用 Service 连接到了你的应用，你就有了一个持续运行的多副本应用暴露在了网络上。 本教程帮助你了解 Pod 的终止流程，探索实现连接排空的几种方式。

Pod 及其端点的终止过程

你经常会遇到需要终止 Pod 的场景，例如为了升级或缩容。 为了改良应用的可用性，实现一种合适的活跃连接排空机制变得重要。

本教程将通过使用一个简单的 nginx Web 服务器演示此概念， 解释 Pod 终止的流程及其与相应端点状态和移除的联系。

端点终止的示例流程

以下是 Pod 终止文档中所述的流程示例。

假设你有包含单个 nginx 副本（仅用于演示目的）的一个 Deployment 和一个 Service：

service/pod-with-graceful-termination.yaml 
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 120 # 超长优雅期
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80
        lifecycle:
          preStop:
            exec:
              # 实际生产环境中的 Pod 终止可能需要执行任何时长，但不会超过 terminationGracePeriodSeconds。
              # 在本例中，只需挂起至少 terminationGracePeriodSeconds 所指定的持续时间，
              # 在 120 秒时容器将被强制终止。
              # 请注意，在所有这些时间点 nginx 都将继续处理请求。
              command: [
                "/bin/sh", "-c", "sleep 180"
              ]
service/explore-graceful-termination-nginx.yaml 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80

现在使用以上文件创建 Deployment Pod 和 Service：

kubectl apply -f pod-with-graceful-termination.yaml
kubectl apply -f explore-graceful-termination-nginx.yaml

一旦 Pod 和 Service 开始运行，你就可以获取对应的所有 EndpointSlices 的名称：

kubectl get endpointslice

输出类似于：

NAME                  ADDRESSTYPE   PORTS   ENDPOINTS                 AGE
nginx-service-6tjbr   IPv4          80      10.12.1.199,10.12.1.201   22m

你可以查看其 status 并验证已经有一个端点被注册：

kubectl get endpointslices -o json -l kubernetes.io/service-name=nginx-service

输出类似于：

{
    "addressType": "IPv4",
    "apiVersion": "discovery.k8s.io/v1",
    "endpoints": [
        {
            "addresses": [
                "10.12.1.201"
            ],
            "conditions": {
                "ready": true,
                "serving": true,
                "terminating": false
                          }
        }
    ]
}

现在让我们终止这个 Pod 并验证该 Pod 正在遵从体面终止期限的配置进行终止：

kubectl delete pod nginx-deployment-7768647bf9-b4b9s

查看所有 Pod：

kubectl get pods

输出类似于：

NAME                                READY   STATUS        RESTARTS      AGE
nginx-deployment-7768647bf9-b4b9s   1/1     Terminating   0             4m1s
nginx-deployment-7768647bf9-rkxlw   1/1     Running       0             8s

你可以看到新的 Pod 已被调度。

当系统在为新的 Pod 创建新的端点时，旧的端点仍处于 Terminating 状态：

kubectl get endpointslice -o json nginx-service-6tjbr

输出类似于：

{
    "addressType": "IPv4",
    "apiVersion": "discovery.k8s.io/v1",
    "endpoints": [
        {
            "addresses": [
                "10.12.1.201"
            ],
            "conditions": {
                "ready": false,
                "serving": true,
                "terminating": true
            },
            "nodeName": "gke-main-default-pool-dca1511c-d17b",
            "targetRef": {
                "kind": "Pod",
                "name": "nginx-deployment-7768647bf9-b4b9s",
                "namespace": "default",
                "uid": "66fa831c-7eb2-407f-bd2c-f96dfe841478"
            },
            "zone": "us-central1-c"
        },
    ]
        {
            "addresses": [
                "10.12.1.202"
            ],
            "conditions": {
                "ready": true,
                "serving": true,
                "terminating": false
            },
            "nodeName": "gke-main-default-pool-dca1511c-d17b",
            "targetRef": {
                "kind": "Pod",
                "name": "nginx-deployment-7768647bf9-rkxlw",
                "namespace": "default",
                "uid": "722b1cbe-dcd7-4ed4-8928-4a4d0e2bbe35"
            },
            "zone": "us-central1-c"
        }
}

这种设计使得应用可以在终止期间公布自己的状态，而客户端（如负载均衡器）则可以实现连接排空功能。 这些客户端可以检测到正在终止的端点，并为这些端点实现特殊的逻辑。

在 Kubernetes 中，正在终止的端点始终将其 ready 状态设置为 false。 这是为了满足向后兼容的需求，确保现有的负载均衡器不会将 Pod 用于常规流量。 如果需要排空正被终止的 Pod 上的流量，可以将 serving 状况作为实际的就绪状态。

当 Pod 被删除时，旧的端点也会被删除。

接下来