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第 12 屆 iThome 鐵人賽
DAY 18
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自我挑戰組

我真的覺得認為 K8s 到底在火什麼系列 第 18 篇

Service 資源應用 part01

12th鐵人賽 kubernetes
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預設的 Service

這預設是讓節點能夠跟 API Server 等資源做通訊。

$ kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
kubernetes   ClusterIP   10.8.0.1     <none>        443/TCP   15d
$ kubectl describe svc kubernetes
Name:              kubernetes
Namespace:         default
Labels:            component=apiserver
                   provider=kubernetes
Annotations:       <none>
Selector:          <none>
Type:              ClusterIP
IP:                10.8.0.1
Port:              https  443/TCP
TargetPort:        443/TCP
Endpoints:         34.66.217.13:443
Session Affinity:  None
Events:            <none>

clusterIP 類型的 Service

同樣的使用 nginx 做為範例。下面是實驗的 yaml。在前面文章有提到過，使用 expose 也可以達到創建 Service 資源。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-nginx
spec:
  replicas: 5
  selector:
    matchLabels:
      run: my-nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        run: my-nginx
        role: backend
    spec:
      containers:
      - name: my-nginx
        image: nginx:1.12
        ports:
        - containerPort: 80
--- # 區分資源，透過此方式可在一個檔案中定義不同多個資源
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
spec:
  selector:
    run: my-nginx # 關聯 POD 標籤
  type : ClusterIP
  ports:
  - port: 8080 # 暴露端口
    targetPort: 80 # 目標 POD 上的 Port

使用 apply 佈署

$ kubectl apply -f nginx-service-demo.yaml
deployment.apps/my-nginx created
service/nginx created

使用 get 查看我們佈署的 service 資源。TYPE 選擇是 ClusterIP 此值也是預設值；CLUSTER-IP 為自動分配，也可以透過 spec 中 clusterIP 屬性定義；PORT 是由 port 定義，協定預設為 TCP，可以在 ports 屬性下用 protocol 定義。describe 顯示詳細訊息，Endpoints 自動幫我們關聯，並維護相關的 POD 資源，可以對應下面 get pods 的結果。我們定義的 Service 類型只可以透過此 IP 接受從集群内的客户端 POD 中的請求。

$ kubectl get svc nginx # svc 為 service 縮寫
NAME    TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
nginx   ClusterIP   10.8.5.220   <none>        8080/TCP   27s
$ kubectl describe svc nginx
Name:              nginx
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       <none>
Selector:          run=my-nginx
Type:              ClusterIP
IP:                10.8.5.220
Port:              <unset>  8080/TCP
TargetPort:        80/TCP
Endpoints:         10.4.1.28:80,10.4.2.33:80,10.4.2.34:80 + 2 more...
Session Affinity:  None
Events:            <none> 
$ kubectl get endpoints # 取得 endpoints
NAME         ENDPOINTS                                            AGE
kubernetes   34.66.217.13:443                                     15d
nginx        10.4.1.28:80,10.4.2.33:80,10.4.2.34:80 + 2 more...   35m
$ kubectl get pods -l run=my-nginx -o custom-columns=NAME:.metadata.name,hostIP:.status.hostIP,podIP:.status.podIP
NAME                        hostIP        podIP
my-nginx-74585d7fc6-jv2tz   10.128.0.21   10.4.1.28
my-nginx-74585d7fc6-mjnbs   10.128.0.23   10.4.2.34
my-nginx-74585d7fc6-rhhtb   10.128.0.24   10.4.3.95
my-nginx-74585d7fc6-vsbxt   10.128.0.23   10.4.2.35
my-nginx-74585d7fc6-zq6nm   10.128.0.23   10.4.2.33

整個請求會是 Pod <---> Endpoint(tcp:80) <---> Service(tcp:8080, with VIP)。而 Service 在選擇 POD 時是透過 Iptables 的設定隨機選擇。

向 Service 請求服務

POD 存取

使用以下 yaml 模擬一個客戶端請求

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myapp-pod
  labels:
    app: myapp
spec:
  containers:
  - name: test
    image: hwchiu/netutils

建立好客戶端的 POD 後，我們使用 curl 去請求。

$ kubectl exec -it myapp-pod -- bash
root@myapp-pod:/# curl 10.8.5.220:8080 
<!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>

節點存取

在 GKE 上節點是由 VM 組成，因此我們使用 ssh 遠端到節點。

$ kubectl get node
NAME                                       STATUS   ROLES    AGE     VERSION
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-8kvr   Ready    <none>   30h     v1.15.12-gke.2
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-cxs1   Ready    <none>   15d     v1.15.12-gke.2
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-r7rg   Ready    <none>   3d17h   v1.15.12-gke.2
$ gcloud compute ssh --project  sunny-catwalk-286908  --zone us-central1-c  gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-cxs1

請求

...@gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-cxs1 ~ $ curl 10.8.5.220:8080
<!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>

最後透過下面這張圖我們來理解上述的實驗

當中紅色虛線表示無法存取，原因有兩種

  1. CLUSTER-IP 無法知道如何送到集群中，從以下的路由表來看並沒有記錄這 CLUSTER-IP 的去向
$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         172.17.0.1      0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
172.17.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 eth0
172.18.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 docker0
  1. 假設設定路由表，可以送到 CLUSTER-IP，當中會被 kube-proxy 阻擋

這邊補充，Service 中 Session affinity，可以將來自同一客戶端的請求轉發至同一個後端的 POD，但這會影響負載均衡的調度。透過 explain 查詢其內容如下，ClientIP 會基於客户端 IP 識別客户端，把同一個來源 IP 請求都都調度到同一個 POD，也可配合 clientIP 下的 timeoutSeconds 屬性設定效果的時間。

$ kubectl explain svc.spec.sessionAffinityConfig
KIND:     Service
VERSION:  v1

RESOURCE: sessionAffinityConfig <Object>

DESCRIPTION:
     sessionAffinityConfig contains the configurations of session affinity.

     SessionAffinityConfig represents the configurations of session affinity.

FIELDS:
   clientIP     <Object>
     clientIP contains the configurations of Client IP based session affinity.

$ kubectl explain svc.spec.sessionAffinity
KIND:     Service
VERSION:  v1

FIELD:    sessionAffinity <string>

DESCRIPTION:
     Supports "ClientIP" and "None". Used to maintain session affinity. Enable
     client IP based session affinity. Must be ClientIP or None. Defaults to
     None. More info:
     https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/#virtual-ips-and-service-proxies

NodePort 類型的 Service

簡單來說就是外部可藉由每個節點的 IP 來存取內部應用程式。我們定義以下實驗的 yaml。type 類型需要指定，nodePort 屬性可設定，不設定預設會是從 30000 至 32767 隨機選取。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nodeport-demo
spec:
  type: NodePort 
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080 # Service Port 80 -> POD: 8080
    nodePort: 30080 # Node Port 30080  -> POD: 8080
  selector:
    app: hello-kubernetes

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: hello-kubernetes
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: hello-kubernetes
  template:
    metadata:
      labels:
        app: hello-kubernetes
    spec:
      containers:
      - name: hello-kubernetes
        image: paulbouwer/hello-kubernetes:1.7
        ports:
        - containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-client
  labels:
    app: client
spec:
  containers:
  - name: client
    image: hwchiu/netutils

使用 apply 佈署，因為上面的 yaml 檔放置同一個目錄下，這時可使用 -R 進行遞規。

$ kubectl apply -R -f nodePort/
deployment.apps/hello-kubernetes created
deployment.apps/client created
service/nodeport-demo created

使用 get 查看 nodePort 資源

$ kubectl get svc nodeport-demo -o wide
NAME            TYPE       CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE   SELECTOR
nodeport-demo   NodePort   10.8.0.16    <none>        80:30080/TCP   12s   app=hello-kubernetes```

```shell
$ kubectl describe svc nodeport-demo
Name:                     nodeport-demo
Namespace:                default
Labels:                   <none>
Annotations:              <none>
Selector:                 app=hello-kubernetes
Type:                     NodePort
IP:                       10.8.0.16
Port:                     <unset>  80/TCP
TargetPort:               8080/TCP
NodePort:                 <unset>  30080/TCP
Endpoints:                10.4.1.31:8080,10.4.2.40:8080,10.4.3.99:8080
Session Affinity:         None
External Traffic Policy:  Cluster
Events:                   <none>

POD 存取

因為 NodePort 繼承 ClusterIP 的功能，多實現了節點上的存取。

$ kubectl get pods -l app=client -o wide # 查看 POD
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE                                       NOMINATED NODE   READINESS GATES
client-99cbcdc74-qz99k   1/1     Running   0          19m     10.4.3.97    gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-8kvr   <none>           <none>
pod-client               1/1     Running   0          2m25s   10.4.3.100   gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-8kvr   <none>           <none>

驗證

$ kubectl exec -it pod-client curl nodeport-demo # 利用 DNS 解析
kubectl exec [POD] [COMMAND] is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl exec [POD] -- [COMMAND] instead.
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Hello Kubernetes!</title>
...
      <div id="message">
  Hello world!
</div>
<div id="info">
  <table>
    <tr>
      <th>pod:</th>
      <td>hello-kubernetes-5b89dbbc4b-9hbgv</td>
    </tr>
    <tr>
      <th>node:</th>
      <td>Linux (4.19.112+)</td>
    </tr>
  </table>
...

$ kubectl exec -it pod-client curl 10.8.0.16 # 透過 ClusterIP
kubectl exec [POD] [COMMAND] is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl exec [POD] -- [COMMAND] instead.
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Hello Kubernetes!</title>
...
      <div id="message">
  Hello world!
</div>
<div id="info">
  <table>
    <tr>
      <th>pod:</th>
      <td>hello-kubernetes-5b89dbbc4b-9hbgv</td>
    </tr>
    <tr>
      <th>node:</th>
      <td>Linux (4.19.112+)</td>
    </tr>
...

節點存取

從 gcloud 獲取對外 IP，當然也可以用 get node 方式。

$ gcloud compute instances list
NAME                                      ZONE           MACHINE_TYPE  PREEMPTIBLE  INTERNAL_IP  EXTERNAL_IP     STATUS
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-8kvr  us-central1-c  e2-medium                  10.128.0.24  35.238.113.123  RUNNING
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-cxs1  us-central1-c  e2-medium                  10.128.0.21  34.67.164.169   RUNNING
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-r7rg  us-central1-c  e2-medium                  10.128.0.23  34.72.35.109    RUNNING
$ kubectl get node -o custom-columns='NAME:.metadata.name,EXTERNAL-IP:.status.addresses[?(@.type=="ExternalIP")].address,INTERNAL-IP:.status.addresses[?(@.type=="InternalIP")].address,POD-CIDR:.spec.podCIDR'
NAME                                       EXTERNAL-IP      INTERNAL-IP   POD-CIDR
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-8kvr   35.238.113.123   10.128.0.24   10.4.3.0/24
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-cxs1   34.67.164.169    10.128.0.21   10.4.1.0/24
gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-r7rg   34.72.35.109     10.128.0.23   10.4.2.0/24

先遠端至一個 VM 節點上，並使用 curl 驗證

$ curl 10.128.0.24:30080
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Hello Kubernetes!</title>
...
      <div id="message">
  Hello world!
</div>
<div id="info">
  <table>
    <tr>
      <th>pod:</th>
      <td>hello-kubernetes-5b89dbbc4b-9hbgv</td>
    </tr>
    <tr>
      <th>node:</th>
      <td>Linux (4.19.112+)</td>
    </tr>
...

簡單來說上面實驗可以說是 client <---> NodeIP:NodePort <---> ClusterIP:ServicePort <---> PodIP:containePort。

這邊補充在 GKE 下每個 VM 都會有 EXTERNAL_IP，但是要讓它可以作用至 NodePort 需要設置以下防火牆，設置完之後透過瀏覽器輸入 EXTERNAL_IP:NodePort 即可存取相關 POD。

$ gcloud compute firewall-rules create nodeport-svc-rule --allow=tcp:{NodePort}

Headless 類型的 Service

在這架構下，loadbalancing 由自己決定，但它會取得所有 endopints 資訊也就是直接調度 POD 資訊。設定方面是將 clusterIP 設為 None，並非 type。而 kube-proxy 不會處裡此 service 相關的資訊像是負載均衡。只要在前端有服務發現功能時，可以省去 clusterIP 需求，同樣的此類型也是透過標籤選擇器，去決定 endopints，最重要的是集群中 DNS 服務 A 紀錄會解析到後端 POD 的 IP。假設無設置標籤選擇器時，則不會配置 endopints，DNS 服務會查找和配置。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: headless-demo
spec:
  clusterIP: None # headless 須為 None
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
  selector:
    app: hello-kubernetes

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: hello-kubernetes-headless
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: hello-kubernetes
  template:
    metadata:
      labels:
        app: hello-kubernetes
    spec:
      containers:
      - name: hello-kubernetes
        image: paulbouwer/hello-kubernetes:1.7
        ports:
        - containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-client-headless
  labels:
    app: client
spec:
  containers:
  - name: client
    image: hwchiu/netutils

佈署

$ kubectl apply -R -f .

查看 service 資源，CLUSTER-IP 為 None，同時用 describe 和 get pods 觀察標籤選擇器的結果並對應 Endpoints。

$ kubectl get svc headless-demo
NAME            TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
headless-demo   ClusterIP   None         <none>        80/TCP    3m

$ kubectl describe svc headless-demo
Name:              headless-demo
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       <none>
Selector:          app=hello-kubernetes
Type:              ClusterIP
IP:                None
Port:              <unset>  80/TCP
TargetPort:        8080/TCP
Endpoints:         10.4.1.32:8080,10.4.2.41:8080,10.4.3.101:8080
Session Affinity:  None
Events:            <none>
$ kubectl get pods -l app=hello-kubernetes -o wide -L app # 可對照 Endpoints
NAME                                         READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE                                       NOMINATED NODE   READINESS GATES   APP
hello-kubernetes-headless-5b89dbbc4b-2gbs2   1/1     Running   0          6m37s   10.4.1.32    gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-cxs1   <none>           <none>            hello-kubernetes
hello-kubernetes-headless-5b89dbbc4b-7hqnz   1/1     Running   0          6m37s   10.4.2.41    gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-r7rg   <none>           <none>            hello-kubernetes
hello-kubernetes-headless-5b89dbbc4b-vb2zq   1/1     Running   0          6m37s   10.4.3.101   gke-cluster-1-default-pool-7dc8b11b-8kvr   <none>           <none>            hello-kubernetes

POD 資源發現

前面提到過說可用 DNS 去解析相關 POD 的 IP 位置，因此這建立的 service 資源是直接發現 POD。藉由 pod-client-headless 我們嘗試使用 nslookup 解析，結果正是標籤選擇器(selector) 所選擇的 POD 的 IP，因此它是直接對 POD，不必有轉發動作。

$ kubectl get pods -l app=client
NAME                  READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-client-headless   1/1     Running   0          8m46s
$ kubectl exec -it pod-client-headless -- bash
root@pod-client-headless:/# nslookup headless-demo
Server:         10.8.0.10
Address:        10.8.0.10#53

Name:   headless-demo.default.svc.cluster.local
Address: 10.4.1.32
Name:   headless-demo.default.svc.cluster.local
Address: 10.4.2.41
Name:   headless-demo.default.svc.cluster.local
Address: 10.4.3.101

這邊為了顯示出此 service 透過域名方式可綁定 POD，就算該 POD 被重新調度。這邊將 Deployment 的佈署改用 StatefulSet 方式呈現較為直觀，可以將它想像成是一個有序的服務，StatefulSet 在後面文章後會提到，這邊不知道不影響對 headless 理解。

觀察佈署的 POD

$ kubectl get pods
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
client-99cbcdc74-h2x7x   1/1     Running   0          10s
hello-kubernetes-0       1/1     Running   0          10s
hello-kubernetes-1       1/1     Running   0          8s
hello-kubernetes-2       1/1     Running   0          7s

我們用 nslookup 去解析 hello-kubernetes-0 服務，得到 10.4.2.44 的 POD 地址。

$ kubectl exec -it client-99cbcdc74-h2x7x -- bash
root@client-99cbcdc74-h2x7x:/# nslookup hello-kubernetes-0.headless-demo
Server:         10.8.0.10
Address:        10.8.0.10#53

Name:   hello-kubernetes-0.headless-demo.default.svc.cluster.local
Address: 10.4.2.44

root@client-99cbcdc74-h2x7x:/#

嘗試將 hello-kubernetes-0 刪除，並用 nslookup 觀察，此結果可以說 POD 被重新調度後，透過 DNS 發現方式還是可以將請求丟到同一個 POD 上。

$ kubectl delete pods hello-kubernetes-0
pod "hello-kubernetes-0" deleted
# 在解析一次
root@client-99cbcdc74-h2x7x:/# nslookup hello-kubernetes-0.headless-demo
Server:         10.8.0.10
Address:        10.8.0.10#53

Name:   hello-kubernetes-0.headless-demo.default.svc.cluster.local
Address: 10.4.2.45

ExternalName 類型的 Service

這也算是 headless 的一種，在資源定義上，type 是 ExternalName，externalName 要指定集群外部的服務，需要是一個 CNAME，這樣 POD 才能去存取。此資源不必要定義標籤選擇器(selector)和 clusterIP，因此很像 headless。這邊較為簡易就不演示了。

參考資源


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    有狀態管理 StatefulSet
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    etcd 元件淺解
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    切換群集的 context
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    管理 Deployments
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    結束了!!
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