背景介绍

从k8s的1.8版本开始，kube-proxy引入了IPVS模式，IPVS模式与iptables同样基于Netfilter，但是ipvs采用的hash表，iptables采用一条条的规则列表。iptables又是为了防火墙设计的，集群数量越多iptables规则就越多，而iptables规则是从上到下匹配，所以效率就越是低下。因此当service数量达到一定规模时，hash查表的速度优势就会显现出来，从而提高service的服务性能

每个节点的kube-proxy负责监听API server中service和endpoint的变化情况。将变化信息写入本地userspace、iptables、ipvs来实现service负载均衡，使用NAT将vip流量转至endpoint中。由于userspace模式因为可靠性和性能（频繁切换内核/用户空间）早已经淘汰，所有的客户端请求svc，先经过iptables，然后再经过kube-proxy到pod，所以性能很差。

ipvs和iptables都是基于netfilter的，两者差别如下：
ipvs 为大型集群提供了更好的可扩展性和性能
ipvs 支持比 iptables 更复杂的负载均衡算法（最小负载、最少连接、加权等等）
ipvs 支持服务器健康检查和连接重试等功能

一、Iptables模式

在这种模式下，kube-proxy监视API Server中service和endpoint的变化情况。对于每个service，它都生成相应的iptables规则，这些规则捕获到service的clusterIP和port的流量，并将这些流量随机重定向到service后端Pod。对于每个endpoint对象，它生成选择后端Pod的iptables规则。

如果选择的第一个Pod没有响应，kube-proxy将检测到到第一个Pod的连接失败，并将自动重试另一个后端Pod。

缺点：

iptables 因为它纯粹是为防火墙而设计的，并且基于内核规则列表，集群数量越多性能越差。

一个例子是，在5000节点集群中使用 NodePort 服务，如果我们有2000个服务并且每个服务有10个 pod，这将在每个工作节点上至少产生20000个 iptable 记录，这可能使内核非常繁忙。

二、IPVS模式（NAT模式）

在这种模式下，kube-proxy监听API Server中service和endpoint的变化情况，调用netlink接口创建相应的ipvs规则，并定期将ipvs规则与Kubernetes服 Services和Endpoints同步。保证IPVS状态。当访问Services时，IPVS将流量定向到后端pod之一。
IPVS代理模式基于netfilter hook函数，该函数类似于iptables模式，但使用hash表作为底层数据结构，在内核空间中工作。这意味着IPVS模式下的kube-proxy使用更低的重定向流量。其同步规则的效率和网络吞吐量也更高。

ipvs依赖iptables进行包过滤、SNAT、masquared(伪装)。 使用 ipset 来存储需要 DROP 或 masquared 的流量的源或目标地址，以确保 iptables 规则的数量是恒定的，这样我们就不需要关心我们有多少服务了

如果没有加载并启用ipvs模块，或者没有配置ipvs相关配置，则会被降级成iptables模式。

三、内部原理理解

Iptables

以k8s中的nginx这个service举例，这是一个nodePort类型的service

用命令
iptables-save |grep nginx
可以看到这个service中的iptables规则

找到他对外暴露的端口30601
-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp --dport 30601 -j KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M
找到他CLUSTER-IP的这一条规则，即139的规则
-A KUBE-SERVICES -d 10.102.19.139/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M
由这条规则看出，如果访问的是10.102.19.139的80端口。则会将访问转发到 KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M
在搜索 KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M的规则
iptables-save |grep KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M

主要是最后三条规则

-A KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M -m comment --comment "default/nginx" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-LNPQQIWGFNOA5PA2
-A KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M -m comment --comment "default/nginx" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-5YYPNSSTAPIDIORU
-A KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M -m comment --comment "default/nginx" -j KUBE-SEP-245ABZALMPSVYEFI

继续查找第一条规则所转发的路径
iptables-save |grep KUBE-SEP-LNPQQIWGFNOA5PA2

主要是这条规则

-A KUBE-SEP-LNPQQIWGFNOA5PA2 -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.169.147:80

查找第二条转发的路径
iptables-save |grep KUBE-SEP-5YYPNSSTAPIDIORU

主要为这条规则

-A KUBE-SEP-5YYPNSSTAPIDIORU -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.36.124:80

查看第三条转发的规则
iptables-save |grep KUBE-SEP-245ABZALMPSVYEFI

主要是这条规则

-A KUBE-SEP-245ABZALMPSVYEFI -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.36.125:80

所以，现在理清整个iptables的规则
第一步，流量的入口.请求进入他nodePort的30601端口或者service的ip加80端口

-A KUBE-NODEPORTS -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp --dport 30601 -j KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M
-A KUBE-SERVICES -d 10.102.19.139/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M

第二步:负载均衡，他是采用random和权重值的方式进行负载均衡，因为iptables是从上到下匹配的，但因为权重值的原因，例如此service有三个pod访问路径。他在访问第一条的时候概率为0.3333，访问第二条概率为0.5，第三条为1，而他又是由上向下按顺序匹配，使得访问三条规则的概率一样，这样实现负载均衡

-A KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M -m comment --comment "default/nginx" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-LNPQQIWGFNOA5PA2
-A KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M -m comment --comment "default/nginx" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-5YYPNSSTAPIDIORU
-A KUBE-SVC-2CMXP7HKUVJN7L6M -m comment --comment "default/nginx" -j KUBE-SEP-245ABZALMPSVYEFI

第三步：将访问转发到实际的容器中

-A KUBE-SEP-LNPQQIWGFNOA5PA2 -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.169.147:80
-A KUBE-SEP-5YYPNSSTAPIDIORU -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.36.124:80
-A KUBE-SEP-245ABZALMPSVYEFI -p tcp -m comment --comment "default/nginx" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.36.125:80

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ipvs

我们查看kube-proxy的日志，能发现service默认是采用iptables为网络模式

所以，如果要使用IPVS，我们首先需要将默认的iptables切换为IPVS

service切换IPVS
使用那种网络模式是有kube-proxy决定的，所以修改网络模式就是修改kube-proxy容器内容
kubeadm方式修改ipvs模式
第一步：
kubectl edit configmap kube-proxy -n kube-system

第二步：找到mode字段，可以看到mode是空的，因为iptables是默认的网络模式，所以当mode为空时kube-proxy会选用iptables模式

第三步：给mode赋值ipvs并保存退出

最后一步，删除节点原kube-proxy的pod，让k8s自己重建，则网络模式会被修改为ipvs

可以看到网络模式已经被修改为ipvs

二进制方式修改ipvs模式
配置文件路径根据实际安装目录为准

# vi kube-proxy-config.yml
mode: ipvs
ipvs:
  scheduler: "rr“
# systemctl restart kube-proxy

ipvs规则
查看ipvs的规则
先安装ipvsadm
yum install ipvsadm -y
查看ipvs规则
ipvsadm -L -n

区别

Iptables VS IPVS
Iptables：
• 灵活，功能强大
• 规则遍历匹配和更新，呈线性时延
IPVS：
• 工作在内核态，有更好的性能
• 调度算法丰富：rr，wrr，lc，wlc，ip hash…

补充：CoreDNS

Service DNS名称
CoreDNS：是一个DNS服务器，Kubernetes默认采用，以Pod部署在集群中， CoreDNS服务监视Kubernetes API，为每一个Service创建DNS记录用于域名解析。

参考文章：
k8s-service底层之 Iptables与 IPVS：https://blog.csdn.net/huahua1999/article/details/124237065
K8S中iptables和ipvs区别：https://blog.csdn.net/qq_36807862/article/details/106068871