service的概念

在k8s集群中，service是一个抽象概念，它通过一个虚拟的IP映射指定的端口，将代理客户端发来的请求转到后端一组pod中的一个上。这是个神马意思呢？pod中的容器经常在不停地销毁和重建，因此pod的IP会不停的改变，这时候客户端就没法访问到pod了，现在有了service作为客户端和pod的中间层，它在这里抽象出一个虚拟IP，然后集群内部都可以通过这个虚拟IP访问到具体的pod。
其实service在kubernetes版本迭代中，有过几次变更。在kubernetes v1.0 中开始使用userspace proxy mode（用户空间代理态代理模式），kubernetes v1.1增加了iptables代理模式，kubernetes v1.2 默认把iptables当成kube-proxy的代理模式。在kubernetes v1.8 增加了性能更强劲的ipvs proxy mode。

kube-proxy的作用

在k8s中，service的集群IP能够实现数据报文请求的转发，需要在node节点上部署的一个组件kube-proxy，具体来说kube-proxy实现的主要有几点：

• 实时监控API，获取service和pod的信息，来保持pod和虚拟IP的映射关系
• 维护本地Netfilter 、iptables、IPVS等内核组件，实现数据报文的转发规则
• 实现每个node节点上虚拟IP的发布和路由维护
• 构建路由信息，通过转发规则转发报文到虚拟IP对应的pod

kube-proxy的三种模式

在k8s中，kube-proxy有三种模式可以实现虚拟IP、路由信息和报文转发。

Userspace Proxy Mode

在userspace代理模式下，kube-proxy起到一个反向代理的功能，对userspace的报文封装往kernelspace转发，主要是处理路由规则下发，数据包转发和负载均衡，所以kube-proxy会在网络流量和数据报文传输频率较高时频繁地在userspace和kernelspace之间进行上下文切换。

在这个模式下，kube-proxy主要进行这么几步：

• 监控k8s集群的API，获取新建或删除service和pod的指令
• 当获取到新建service的指令后，kube-proxy在node上开放随机端口，然后转发到pod上
• kube-proxy会安装iptables规则，将访问service的虚拟IP和端口的流量拦截并重定向到上面开发的端口
• 当重定向的流量获取到node端口时，kube-proxy作为一个负载均衡器，把流量分发给后端的pod

简单来说就是从虚拟IP转发流量并重定向到node上的随机端口，进行netfiller包过滤，再回到userspace进行负载均衡转发。在这个模式下，kube-proxy会多次进行userspace和kernelspace的切换，因此性能损耗较大。

Iptables Proxy Mode

userspace代理模式由于性能原因，在kubernetes v1.2以后就不再怎么使用了，取而代之的是iptables代理模式。在iptables模式中，kube-proxy不再作为反向代理而在虚拟IP和pod之间进行转发，而是将这个工作交给四层的iptables来做，iptables和netfiller紧密合作在kernelspace里就实现了数据包的转发。

在这个模式下，kube-proxy主要进行这么几步：

• 监控k8s集群的API，获取新建或删除service和pod的指令
• kube-proxy在node上设置iptables规则，当有请求发送到service的虚拟IP上时，会立即被捕获并重定向到此service对应的一个pod上
• kube-proxy会在node上为每一个service对应的pod设置iptables规则

在iptables模式中，kube-proxy把流量转发和负载均衡完全委托给iptables和netfiller来做，因此全部工作都在kernelspace完成了，比userspace模式性能提升很多。
当然这个模式也有缺点。在userspace模式下，负载均衡带有健康检测机制，如果选择的pod没有响应，kube-proxy会重新选择；但在iptables模式下则没有健康检测机制，如果pod无法响应，且没有被k8s集群摘除，就会导致转发到此pod的请求超时。

IPVS proxy mode

IPVS是lvs的一个组件，提供高性能、高可靠的基于四层的负载均衡器，IPVS是IP Virtual Server的简写。IPVS构建在netfiller上，作为Linux内核的一部分，在四层实现了负载均衡。IPVS能直接转发基于service的TCP/UDP到真实机上；还能直接构建一个虚拟IP并通过负载均衡算法，把请求转发到pod上。这里的IPVS的功能就类似kube-proxy在userspace代理模式下做的工作。
而在iptables代理模式中，一个k8s集群会有大量service，也就意味着会有极大量的iptables规则，IPVS在这方面也做了改进，它将网络转发规则用hash tabels来存储而且主要工作在kernelspace，减少了上下文切换影响的性能。

在这个模式下，kube-proxy主要进行这么几步：

• 监控k8s集群的API，获取新建或删除service和pod的指令
• 当有新的service建立，kube-proxy回调网络接口，构建IPVS规则
• kube-proxy会定期同步service和pod的转发规则，确保失效的转发及时更新
• 有请求转发到后端时，IPVS的负载均衡直接将其转发给pod