Kubernetes 的服务发现与负载均衡

Service 的作用

　　在如何在 Kubernetes 部署应用中，我们讲到了如何部署应用程序，但还有几个问题没有解决：

服务发现：由于 Kubernetes 的调度机制，在 Kubernetes 中，Pod 的 IP 不是固定的。如果其它程序需要访问这个 Pod，要怎么知道这个 Pod 的 IP 呢？
负载均衡：由于 Deployment 管理着多个 Pod 的副本，如果其它程序需要访问这些 Pod，显然需要一个 proxy 为这些 Pod 做负载均衡。
外部路由：如果应用程序运行在 Kubernetes 外部，如何访问 Kubernetes 内部的 Pod 呢？

　　Kubernetes 提供了 Service 功能，用来解决这些问题。

服务发现与负载均衡

　　Service 通常会和 Deployment 结合在一起使用，首先通过 Deployment 部署应用程序，然后再使用 Service 为应用程序提供服务发现、负载均衡和外部路由的功能。
　　首先，让我们创建一个 Deployment：

$ cat nginx-deployment.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-server    # 这个 Deployment 管理着那些拥有这个标签的 Pod 
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-server  # 为所有 Pod 都打上这个标签
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
$ kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

　　接着，为这个 Deployment 创建一个 Service：

$ cat nginx-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
  labels:
    name: nginx-service
spec:
  ports:
  - port: 5000
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx-server
$ kubectl apply -f nginx-service.yaml

　　这里我们创建了一个名为nginx-service的 Service，它监听的端口是 5000，同时它会把全部的流量都转发给它代理的所有 Pod（这些 Pod 都必须拥有app: nginx-server这个标签）。
　　Service 提供了两种服务发现的方式，第一种是环境变量，第二种是 DNS。先说第一种，上面我们创建了nginx-service这个 Service，接着如果我们再创建另外一个 Pod，那么在这个 Pod 中，可以通过环境变量知道nginx-service的地址。
　　首先，创建一个新的 Pod（这个 Pod 已经安装好了curl工具）：

$ cat curl-pod.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: curl
spec:
  containers:
  - name: curl
    image: tutum/curl
    command:
      - sleep
      - "3600"
    ports:
    - containerPort: 80
$ kubectl apply -f curl-pod.yaml

　　接着，进入这个 Pod，可以查看它的环境变量。可以看到，当 Kubernetes 创建这个 Pod 时，会自动注入这些环境变量：

$ kubectl exec -it curl bash
root@curl:/# env | grep NGINX
NGINX_SERVICE_PORT_5000_TCP=tcp://10.43.169.158:5000
NGINX_SERVICE_PORT_5000_TCP_PORT=5000
NGINX_SERVICE_PORT_5000_TCP_PROTO=tcp
NGINX_SERVICE_SERVICE_HOST=10.43.169.158
NGINX_SERVICE_PORT_5000_TCP_ADDR=10.43.169.158
NGINX_SERVICE_PORT=tcp://10.43.169.158:5000
NGINX_SERVICE_SERVICE_PORT=5000

　　因此，在curl这个 Pod 中，可以通过访问这些环境变量，从而访问nginx-service。

　　另一种服务发现的方式是 DNS 解析。例如，我们进入 curl Pod 里面，可以通过 DNS 解析，访问nginx-service：

$ kubectl exec -it curl bash
root@curl:/# curl http://nginx-service.default:5000
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
    body {
        width: 35em;
        margin: 0 auto;
        font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
    }
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>
<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>
<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>

　　由于nginx-service的 namespace 是default，因此它的 DNS 域名是nginx-service.default。

　　再说说负载均衡，我们上面创建了nginx-service，这个 Service 会自动将接收到的流量转发给它代理的两个 Nginx Pod。

外部路由

　　默认情况下，Service 的类型是 ClusterIP，因此当我们创建了一个 Service 之后，这个 Service 不能被外部访问。

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$ kubectl get services nginx-service
NAME            CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
nginx-service   10.43.169.158   <none>        5000/TCP   33m

　　可以看到，nginx-service的 IP 是10.43.169.158，这个 IP 只能从 Kubernetes 内部才能访问。当然，除了 ClusterIP 之外，Service 还可以是其它类型：NodePort、LoadBalancer 和 ExternalName。
　　这里说下 NodePort 类型的 Service。Kubernetes 会为 Service 分配一个端口，并且在所以节点都打开这个端口，因此我们可以通过任意一个节点，访问到这个 Service。
　　例如，这里我们修改nginx-service的类型为 NodePort：

$ cat nginx-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
  labels:
    name: nginx-service
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 5000
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx-server
$ kubectl apply -f nginx-service.yaml
service "nginx-service" configured

　　可以看到分配的端口号为 31623：

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$ kubectl get services nginx-service
NAME            CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
nginx-service   10.43.169.158   <nodes>       5000:31623/TCP   45m

　　这时候，通过集群的任何一个节点的 31623 端口，都可以访问到nginx-service。例如，假设集群有一个节点的 IP 是172.16.1.116，那么通过它的 31623 端口访问nginx-service：

$ curl 172.16.1.116:31623
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
    body {
        width: 35em;
        margin: 0 auto;
        font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
    }
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>
<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>
<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>

参考资料

Docker——容器与容器云（第2版)