12、Kubernetes中KubeProxy实现之iptables和ipvs

目录

一、概述

二、iptables 代理模式

三、iptables案例分析

四、ipvs案例分析

一、概述

iptables和ipvs其实都是依赖的一个共同的Linux内核模块：Netfilter。Netfilter是Linux 2.4.x引入的一个子系统，它作为一个通用的、抽象的框架，提供一整套的hook函数的管理机制，使得诸如数据包过滤、网络地址转换(NAT)和基于协议类型的连接跟踪成为了可能。

Netfilter的架构就是在整个网络流程的若干位置放置了一些检测点（HOOK），而在每个检测点上登记了一些处理函数进行处理。

在一个网络包进入Linux网卡后，有可能经过这上面五个Hook点，我们可以自己写Hook函数，注册到任意一个点上，而iptables和ipvs都是在这个基础上实现的。

二、iptables 代理模式

iptables模式下 kube-proxy 为每一个pod创建相对应的 iptables 规则，发送给 ClusterIP 的请求会被直接发送给后端pod之上。

在该模式下 kube-proxy 不承担负载均衡器的角色，其只会负责创建相应的转发策略，该模式的优点在于效率较高，但是不能提供灵活的LB策略，当后端Pod不可用的时候无法进行重试。

iptables是把一些特定规则以“链”的形式挂载到每个Hook点，这些链的规则是固定的，而是是比较通用的，可以通过iptables命令在用户层动态的增删，这些链必须串行的执行。执行到某条规则，如果不匹配，则继续执行下一条，如果匹配，根据规则，可能继续向下执行，也可能跳到某条规则上，也可能下面的规则都跳过。

三、iptables案例分析

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: nginx-deployment
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- name: nginximage: nginx---apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: nginx-basic
spec:type: ClusterIPports:- port: 80protocol: TCPname: httpselector:app: nginx

我们这里创建一个副本数量为3的nginx pod，并创建一个对应的service对外暴露服务，service类型为ClusterIP。

创建完成后，资源如下：

$ kubectl get pod -o wide
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-deployment-748c667d99-dtr82   1/1     Running   0          38m   192.168.1.3   node01         <none>           <none>
nginx-deployment-748c667d99-jzpqf   1/1     Running   0          38m   192.168.0.7   controlplane   <none>           <none>
nginx-deployment-748c667d99-whgr5   1/1     Running   0          38m   192.168.1.4   node01         <none>           <none>$ kubectl get svc nginx-basic -o wide
NAME          TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE   SELECTOR
nginx-basic   ClusterIP   10.105.250.129   <none>        80/TCP    39m   app=nginx

可以看到，三个pod的IP分别为192.168.1.3、192.168.0.7、192.168.1.4。service的ClusterIP地址为10.105.250.129。

下面我们通过【iptables-save -t nat】命令输出iptables中nat表的信息，说明iptables如何实现转发。

$ iptables-save -t nat
# Generated by iptables-save v1.8.4 on Mon Feb 20 01:52:41 2023
*nat
:PREROUTING ACCEPT [11:660]
:INPUT ACCEPT [11:660]
:OUTPUT ACCEPT [4706:282406]
:POSTROUTING ACCEPT [4706:282406]
:DOCKER - [0:0]
:KUBE-KUBELET-CANARY - [0:0]
:KUBE-MARK-DROP - [0:0]
:KUBE-MARK-MASQ - [0:0]
:KUBE-NODEPORTS - [0:0]
:KUBE-POSTROUTING - [0:0]
:KUBE-PROXY-CANARY - [0:0]
:KUBE-SEP-ABG426TTTCGMOND7 - [0:0]
:KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL - [0:0]
:KUBE-SEP-D23ODROEH5R4FSGE - [0:0]
:KUBE-SEP-G44RJ25JKAEOKO42 - [0:0]
:KUBE-SEP-GHNVWKROTCCBFQKZ - [0:0]
:KUBE-SEP-NGZXZA7GIJDM26Z3 - [0:0]
:KUBE-SEP-NH2YM7NDCNPLOCTP - [0:0]
:KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O - [0:0]
:KUBE-SEP-UG4OSZR4VSWZ27C5 - [0:0]
:KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4 - [0:0]
:KUBE-SERVICES - [0:0]
:KUBE-SVC-ERIFXISQEP7F7OF4 - [0:0]
:KUBE-SVC-JD5MR3NA4I4DYORP - [0:0]
:KUBE-SVC-NPX46M4PTMTKRN6Y - [0:0]
:KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU - [0:0]
:KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW - [0:0]
:cali-OUTPUT - [0:0]
:cali-POSTROUTING - [0:0]
:cali-PREROUTING - [0:0]
:cali-fip-dnat - [0:0]
:cali-fip-snat - [0:0]
:cali-nat-outgoing - [0:0]
-A PREROUTING -m comment --comment "cali:6gwbT8clXdHdC1b1" -j cali-PREROUTING
-A PREROUTING -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES
-A PREROUTING -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER
-A OUTPUT -m comment --comment "cali:tVnHkvAo15HuiPy0" -j cali-OUTPUT
-A OUTPUT -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES
-A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER
-A POSTROUTING -m comment --comment "cali:O3lYWMrLQYEMJtB5" -j cali-POSTROUTING
-A POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes postrouting rules" -j KUBE-POSTROUTING
-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE
-A POSTROUTING -s 192.168.0.0/16 -d 192.168.0.0/16 -j RETURN
-A POSTROUTING -s 192.168.0.0/16 ! -d 224.0.0.0/4 -j MASQUERADE --random-fully
-A POSTROUTING ! -s 192.168.0.0/16 -d 192.168.0.0/24 -j RETURN
-A POSTROUTING ! -s 192.168.0.0/16 -d 192.168.0.0/16 -j MASQUERADE --random-fully
-A DOCKER -i docker0 -j RETURN
-A KUBE-MARK-DROP -j MARK --set-xmark 0x8000/0x8000
-A KUBE-MARK-MASQ -j MARK --set-xmark 0x4000/0x4000
-A KUBE-POSTROUTING -m mark ! --mark 0x4000/0x4000 -j RETURN
-A KUBE-POSTROUTING -j MARK --set-xmark 0x4000/0x0
-A KUBE-POSTROUTING -m comment --comment "kubernetes service traffic requiring SNAT" -j MASQUERADE --random-fully
-A KUBE-SEP-ABG426TTTCGMOND7 -s 192.168.1.2/32 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-ABG426TTTCGMOND7 -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.1.2:53
-A KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL -s 192.168.0.7/32 -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.0.7:80
-A KUBE-SEP-D23ODROEH5R4FSGE -s 172.30.1.2/32 -m comment --comment "default/kubernetes:https" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-D23ODROEH5R4FSGE -p tcp -m comment --comment "default/kubernetes:https" -m tcp -j DNAT --to-destination 172.30.1.2:6443
-A KUBE-SEP-G44RJ25JKAEOKO42 -s 192.168.0.6/32 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-G44RJ25JKAEOKO42 -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.0.6:53
-A KUBE-SEP-GHNVWKROTCCBFQKZ -s 192.168.1.2/32 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-GHNVWKROTCCBFQKZ -p udp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns" -m udp -j DNAT --to-destination 192.168.1.2:53
-A KUBE-SEP-NGZXZA7GIJDM26Z3 -s 192.168.0.6/32 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-NGZXZA7GIJDM26Z3 -p udp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns" -m udp -j DNAT --to-destination 192.168.0.6:53
-A KUBE-SEP-NH2YM7NDCNPLOCTP -s 192.168.0.6/32 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-NH2YM7NDCNPLOCTP -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.0.6:9153
-A KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O -s 192.168.1.3/32 -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.1.3:80
-A KUBE-SEP-UG4OSZR4VSWZ27C5 -s 192.168.1.2/32 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-UG4OSZR4VSWZ27C5 -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.1.2:9153
-A KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4 -s 192.168.1.4/32 -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4 -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.1.4:80
-A KUBE-SERVICES -d 10.96.0.10/32 -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp cluster IP" -m tcp --dport 53 -j KUBE-SVC-ERIFXISQEP7F7OF4
-A KUBE-SERVICES -d 10.96.0.10/32 -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics cluster IP" -m tcp --dport 9153 -j KUBE-SVC-JD5MR3NA4I4DYORP
-A KUBE-SERVICES -d 10.96.0.10/32 -p udp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns cluster IP" -m udp --dport 53 -j KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU
-A KUBE-SERVICES -d 10.105.250.129/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW
-A KUBE-SERVICES -d 10.96.0.1/32 -p tcp -m comment --comment "default/kubernetes:https cluster IP" -m tcp --dport 443 -j KUBE-SVC-NPX46M4PTMTKRN6Y
-A KUBE-SERVICES -m comment --comment "kubernetes service nodeports; NOTE: this must be the last rule in this chain" -m addrtype --dst-type LOCAL -j KUBE-NODEPORTS
-A KUBE-SVC-ERIFXISQEP7F7OF4 ! -s 192.168.0.0/16 -d 10.96.0.10/32 -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp cluster IP" -m tcp --dport 53 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SVC-ERIFXISQEP7F7OF4 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp -> 192.168.0.6:53" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-G44RJ25JKAEOKO42
-A KUBE-SVC-ERIFXISQEP7F7OF4 -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns-tcp -> 192.168.1.2:53" -j KUBE-SEP-ABG426TTTCGMOND7
-A KUBE-SVC-JD5MR3NA4I4DYORP ! -s 192.168.0.0/16 -d 10.96.0.10/32 -p tcp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics cluster IP" -m tcp --dport 9153 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SVC-JD5MR3NA4I4DYORP -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics -> 192.168.0.6:9153" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-NH2YM7NDCNPLOCTP
-A KUBE-SVC-JD5MR3NA4I4DYORP -m comment --comment "kube-system/kube-dns:metrics -> 192.168.1.2:9153" -j KUBE-SEP-UG4OSZR4VSWZ27C5
-A KUBE-SVC-NPX46M4PTMTKRN6Y ! -s 192.168.0.0/16 -d 10.96.0.1/32 -p tcp -m comment --comment "default/kubernetes:https cluster IP" -m tcp --dport 443 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SVC-NPX46M4PTMTKRN6Y -m comment --comment "default/kubernetes:https -> 172.30.1.2:6443" -j KUBE-SEP-D23ODROEH5R4FSGE
-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU ! -s 192.168.0.0/16 -d 10.96.0.10/32 -p udp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns cluster IP" -m udp --dport 53 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns -> 192.168.0.6:53" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-NGZXZA7GIJDM26Z3
-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns -> 192.168.1.2:53" -j KUBE-SEP-GHNVWKROTCCBFQKZ
-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW ! -s 192.168.0.0/16 -d 10.105.250.129/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-MARK-MASQ
-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.0.7:80" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL
-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.1.3:80" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O
-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.1.4:80" -j KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4
-A cali-OUTPUT -m comment --comment "cali:GBTAv2p5CwevEyJm" -j cali-fip-dnat
-A cali-POSTROUTING -m comment --comment "cali:Z-c7XtVd2Bq7s_hA" -j cali-fip-snat
-A cali-POSTROUTING -m comment --comment "cali:nYKhEzDlr11Jccal" -j cali-nat-outgoing
-A cali-PREROUTING -m comment --comment "cali:r6XmIziWUJsdOK6Z" -j cali-fip-dnat
-A cali-nat-outgoing -m comment --comment "cali:flqWnvo8yq4ULQLa" -m set --match-set cali40masq-ipam-pools src -m set ! --match-set cali40all-ipam-pools dst -j MASQUERADE --random-fully
COMMIT

iptables-save命令，可以查看当前所有的iptables规则，涉及到k8s的比较多，基本在每个链上都有，包括一些SNAT的，就是Pod访问外部的地址的时候，需要做一下NAT转换，我们只看涉及到Service负载均衡的。

首先，PREROUTING和OUTPUT都加了一个KUBE-SERVICES规则，也就是进来的包和出去的包都要都走一下KUBE-SERVICES规则。

-A PREROUTING -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES-A OUTPUT -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES

接着，因为我们service的ClusterIP地址为10.105.250.129，所以我们从nat表中找出跟10.105.250.129有关的转发规则。

-A KUBE-SERVICES -d 10.105.250.129/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW

 可以看到，当目标地址是10.105.250.129/32并且目标端口是80的，也就是这个服务的ClusterIP，走到KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW规则，这个规则其实就是Kube-Proxy。

下面我们查看KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW规则：

-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.0.7:80" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL
-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.1.3:80" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O
-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.1.4:80" -j KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4

可以看到，KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW又对应了三条规则，分别来看下：

1)、第一条规则

-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.0.7:80" -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL# 这条规则对应的又会走KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL规则
-A KUBE-SEP-BEMSLTMJA26ZCLYL -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.0.7:80# 可以看到， 有33%的概率将会被转发到【192.168.0.7:80】这个pod

2)、第二条规则

-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.1.3:80" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O# 这条规则对应的又会走KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O规则
-A KUBE-SEP-UF65ZV4QBOPNRP6O -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.1.3:80# 可以看到， 有50%的概率将会被转发到【192.168.1.3:80】这个pod

3)、第三条规则

-A KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW -m comment --comment "default/nginx-basic:http -> 192.168.1.4:80" -j KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4# 这条规则对应的又会走KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4规则
-A KUBE-SEP-WQR67ZLSTPDXXME4 -p tcp -m comment --comment "default/nginx-basic:http" -m tcp -j DNAT --to-destination 192.168.1.4:80# 可以看到，这条规则没有加--probability，所以有100%的概率将会被转发到【192.168.1.4:80】这个pod

可以看到，最重要的就是KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW规则，它以不同的概率走到了不同的规则，这些规则最终走到了Pod里，这就是负载均衡策略。

我们把这个负载均衡用图画出来，大体就是如下：

上述我们演示的是ClusterIP类型的Service，我们可以尝试修改为NodePort类型，实际上，在iptables规则里，最终也是会转发到KUBE-SVC-WWRFY3PZ7W3FGMQW规则，综上，不管是ClusterIP，还是NodePort，都走到了同一个规则上。

四、ipvs案例分析

IPVS模式工作在内核态，在同步代理规则时具有更好的性能，同时提高网络吞吐量为大型集群提供了更好的可扩展性，同时提供了大量的负责均衡算法。

还是通过一个例子说明ipvs怎么转发的，首先我们需要修改kube-proxy的代理模式为ipvs，我们可以通过修改configmap来实现：

$ kubectl edit configmap kube-proxy -n kube-system
configmap/kube-proxy edited

将mode修改为ipvs即可，如下图：

image.png

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: nginx-deployment
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- name: nginximage: nginx---apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: nginx-basic
spec:type: ClusterIPports:- port: 80protocol: TCPname: httpselector:app: nginx

创建对应的pod和service：

$ vim ipvs.yaml
controlplane $ kubectl create -f ipvs.yaml
deployment.apps/nginx-deployment created
service/nginx-basic created$ kubectl get pods -o wide
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-deployment-748c667d99-fpsh6   1/1     Running   0          12s   192.168.1.3   node01         <none>           <none>
nginx-deployment-748c667d99-hsnzw   1/1     Running   0          12s   192.168.0.7   controlplane   <none>           <none>
nginx-deployment-748c667d99-sb9b2   1/1     Running   0          12s   192.168.1.4   node01         <none>           <none>$ kubectl get svc -o wide
NAME          TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE   SELECTOR
nginx-basic   ClusterIP   10.96.115.68   <none>        80/TCP    36s   app=nginx

我们通过【ipvsadm -L】命令查看ipvs转发规则：

$  ipvsadm -Ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags-> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
...省略...    
TCP  10.96.115.68:80 rr-> 192.168.0.7:80               Masq    1      0          0         -> 192.168.1.3:80               Masq    1      0          0         -> 192.168.1.4:80               Masq    1      0          0         
...省略...

可以看到，到ClusterIP:Port的流量，都被以rr(round robin)的策略转发到3个后端pod上。

五、iptables vs ipvs

●1、iptables更通用，主要是应用在防火墙上，也能应用于路由转发等功能，ipvs更聚焦，它只能做负载均衡，不能实现其它的例如防火墙上。
●2、iptables在处理规则时，是按“链”逐条匹配，如果规则过多，性能会变差，它匹配规则的复杂度是O(n)，而ipvs处理规则时，在专门的模块内处理，查找规则的复杂度是O(1)。
●3、iptables虽然可以实现负载均衡，但是它的策略比较简单，只能以概率转发，而ipvs可以实现多种策略。

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