kube-proxy的ipvs模式解读

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iyacontrol
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    9

    IPVS

    这篇文章主要讲述：

    • 什么是IPVS？
    • IPVS 和 IPTABLES 区别
    • 如何设置kube-proxy按照ipvs模式运行和故障排查

    什么是IPVS

    IPVS（IP虚拟服务器）实现传输层负载平衡，通常称为第4层LAN交换，是Linux内核的一部分。

    IPVS在主机上运行，​​在真实服务器集群前充当负载均衡器。 IPVS可以将对基于TCP和UDP的服务的请求定向到真实服务器，并使真实服务器的服务在单个IP地址上显示为虚拟服务。

    IPVS vs. IPTABLES

    IPVS模式在Kubernetes v1.8中引入，并在v1.9中进入了beta。 IPTABLES模式在v1.1中添加，并成为自v1.2以来的默认操作模式。 IPVS和IPTABLES都基于netfilter。 IPVS模式和IPTABLES模式之间的差异如下：

    • IPVS为大型集群提供了更好的可扩展性和性能。
    • IPVS支持比iptables更复杂的负载平衡算法（最小负载，最少连接，位置，加权等）。
    • IPVS支持服务器健康检查和连接重试等。

    什么时候ipvs会降级到iptables

    IPVS proxier将使用iptables，在数据包过滤，SNAT和支持NodePort类型的服务这几个场景中。具体来说，ipvs proxier将在以下4个场景中回归iptables。

    kube-proxy 启动项设置了 –masquerade-all=true

    如果kube-proxy以--masquerade-all = true开头，则ipvs proxier将伪装访问服务群集IP的所有流量，其行为与iptables proxier相同。假设有一个群集IP 10.244.5.1和端口8080的服务，那么ipvs proxier安装的iptables应该如下所示。

    # 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-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

Chain KUBE-MARK-DROP (0 references)
target     prot opt source               destination         
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x8000

Chain KUBE-MARK-MASQ (6 references)
target     prot opt source               destination         
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination         
KUBE-MARK-MASQ  tcp  -- 0.0.0.0/0        10.244.5.1            /* default/foo:http cluster IP */ tcp dpt:8080
    在kube-proxy启动中指定集群CIDR

    如果kube-proxy以--cluster-cidr = <cidr>开头，则ipvs proxier将伪装访问服务群集IP的群集外流量，其行为与iptables proxier相同。假设kube-proxy随集群cidr 10.244.16.0/24提供，服务集群IP为10.244.5.1，端口为8080，则ipvs proxier安装的iptables应如下所示。

    # 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-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

Chain KUBE-MARK-DROP (0 references)
target     prot opt source               destination         
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x8000

Chain KUBE-MARK-MASQ (6 references)
target     prot opt source               destination         
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination         
KUBE-MARK-MASQ  tcp  -- !10.244.16.0/24        10.244.5.1            /* default/foo:http cluster IP */ tcp dpt:8080
    为LB类型服务指定Load Balancer Source Ranges

    当服务的LoadBalancerStatus.ingress.IP不为空并且指定了服务的LoadBalancerSourceRanges时，ipvs proxier将安装iptables，如下所示。
    假设服务的LoadBalancerStatus.ingress.IP为10.96.1.2，服务的LoadBalancerSourceRanges为10.120.2.0/24。

    # 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-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

Chain KUBE-MARK-DROP (0 references)
target     prot opt source               destination         
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x8000

Chain KUBE-MARK-MASQ (6 references)
target     prot opt source               destination         
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source       destination         
ACCEPT  tcp  -- 10.120.2.0/24    10.96.1.2       /* default/foo:http loadbalancer IP */ tcp dpt:8080
DROP    tcp  -- 0.0.0.0/0        10.96.1.2       /* default/foo:http loadbalancer IP */ tcp dpt:8080
    支持 NodePort type service

    为了支持NodePort类型的服务，ipvs将在iptables proxier中继续现有的实现。例如，

    # kubectl describe svc nginx-service
Name:           nginx-service
...
Type:           NodePort
IP:             10.101.28.148
Port:           http    3080/TCP
NodePort:       http    31604/TCP
Endpoints:      172.17.0.2:80
Session Affinity:   None

# iptables -t nat -nL

[root@100-106-179-225 ~]# 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 KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination         
KUBE-MARK-MASQ  tcp  -- !172.16.0.0/16        10.101.28.148        /* default/nginx-service:http cluster IP */ tcp dpt:3080
KUBE-SVC-6IM33IEVEEV7U3GP  tcp  --  0.0.0.0/0            10.101.28.148        /* default/nginx-service:http cluster IP */ tcp dpt:3080
KUBE-NODEPORTS  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service nodeports; NOTE: this must be the last rule in this chain */ ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain KUBE-NODEPORTS (1 references)
target     prot opt source               destination         
KUBE-MARK-MASQ  tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/nginx-service:http */ tcp dpt:31604
KUBE-SVC-6IM33IEVEEV7U3GP  tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/nginx-service:http */ tcp dpt:31604

Chain KUBE-SVC-6IM33IEVEEV7U3GP (2 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-SEP-Q3UCPZ54E6Q2R4UT  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/nginx-service:http */
Chain KUBE-SEP-Q3UCPZ54E6Q2R4UT (1 references)
target     prot opt source               destination         
KUBE-MARK-MASQ  all  --  172.17.0.2           0.0.0.0/0            /* default/nginx-service:http */
DNAT       tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* default/nginx-service:http */ tcp to:172.17.0.2:80

    以 ipvs 模式 运行kube-proxy

    前提条件

    确保IPVS需要内核模块

    ip_vs
ip_vs_rr
ip_vs_wrr
ip_vs_sh
nf_conntrack_ipv4
    • 检查上诉已编译到节点内核中。使用
    grep -e ipvs -e nf_conntrack_ipv4 /lib/modules/$(uname -r)/modules.builtin

    如果编译成内核，则得到如下结果。

    kernel/net/ipv4/netfilter/nf_conntrack_ipv4.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_rr.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_wrr.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_lc.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_wlc.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_fo.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_ovf.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_lblc.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_lblcr.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_dh.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_sh.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_sed.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_nq.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_ftp.ko
    • 是否被加载
    # load module <module_name>
modprobe -- ip_vs
modprobe -- ip_vs_rr
modprobe -- ip_vs_wrr
modprobe -- ip_vs_sh
modprobe -- nf_conntrack_ipv4

# to check loaded modules, use
lsmod | grep -e ipvs -e nf_conntrack_ipv4
# or
cut -f1 -d " "  /proc/modules | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4

    在使用IPVS模式之前，还应在节点上安装ipset等软件包。

    如果不满足这些要求，Kube-proxy将回退到IPTABLES模式。

    kubeadm 安装的集群

    默认情况下，Kube-proxy将在kubeadm部署的集群中以iptables模式运行。

    如果您将kubeadm与配置文件一起使用，则可以在kubeProxy字段下指定ipvs模式，添加SupportIPVSProxyMode：true。

    kind: MasterConfiguration
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1alpha1
...
kubeProxy:
  config:
    featureGates: SupportIPVSProxyMode=true
    mode: ipvs
...

    如果您使用的是Kubernetes v1.8，您还可以在kubeadm init命令中添加标志--feature-gates = SupportIPVSProxyMode = true（自v1.9起不推荐使用）

    kubeadm init --feature-gates=SupportIPVSProxyMode=true

    PS

    如果成功启用了ipvs模式，你应该看到ipvs代理规则（使用ipvsadm）例如：

    # ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.0.0.1:443 rr persistent 10800
  -> 192.168.0.1:6443             Masq    1      1          0

    当本地群集运行时，kube-proxy日志中会出现类似的日志（例如，本地群集的/tmp/kube-proxy.log）：

    Using ipvs Proxier.

    然而没有ipvs代理规则或有以下日志则表明kube-proxy无法使用ipvs模式：

    Can't use ipvs proxier, trying iptables proxier
Using iptables Proxier.

    调试和排查

    检查ipvs 代理规则

    用户可以使用ipvsadm工具检查kube-proxy是否正确维护IPVS规则。例如，我们在集群中有以下服务：

    # kubectl get svc --all-namespaces
NAMESPACE     NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)         AGE
default       kubernetes   ClusterIP   10.0.0.1     <none>        443/TCP         1d
kube-system   kube-dns     ClusterIP   10.0.0.10    <none>        53/UDP,53/TCP   1d

    我们应该能看到如下的规则：

     # ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.0.0.1:443 rr persistent 10800
  -> 192.168.0.1:6443             Masq    1      1          0
TCP  10.0.0.10:53 rr
  -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0
UDP  10.0.0.10:53 rr
  -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0

    为什么kube-proxy不能以ipvs模式启动

    • Enable IPVS feature gateway

    对于Kubernetes v1.10及更高版本，功能门SupportIPVSProxyMode默认设置为true。但是，您需要在v1.10之前为Kubernetes明确启用--feature-gates = SupportIPVSProxyMode = true。

    • 指定proxy-mode=ipvs

    检查kube-proxy模式是否已设置为ipvs

    • 安装所需的内核模块和包

    检查是否已将ipvs所需的内核模块编译到内核和软件包中。 （见前提条件）

    kubernetesipvsadm
    iyacontrol
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    专注kubernetes,devops,aiops,service mesh。

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