Kubernetes 中的 Service (服務)

Kubernetes 中的「服務」（Services）主要目的是讓你不需要更改現有的應用程式，就能使用 Kubernetes 提供的服務發現機制。不論你的應用程式是為了雲端設計的新程式，還是你將舊應用程式轉成容器化的形式，你都可以透過「服務」來讓這些運行在 Pod 中的應用程式在網路上可供其他客戶端存取與互動。簡單來說，服務幫助你把應用程式在網路上公開，讓其他應用或用戶可以找到並使用它。

今天，我們將深入探討 Kubernetes 中五種類型的 Service：ClusterIP、NodePort、LoadBalancer、ExternalName 和 Headless，並介紹它們的功能和使用場景。

Service 的基本概念

Service 的定義

在 Kubernetes 中，「Service」是一種抽象方式，用來定義一組 Pod 以及如何與這些 Pod 進行網路通訊。雖然 Pod 是短暫的且會動態分配 IP 地址，但 Service 提供了一個穩定的網路端點（IP 和 DNS 名稱），讓其他應用程式可以與這組 Pod 進行通訊。換句話說，Service 充當了負載平衡器，將流量自動分配到匹配的 Pod 上，即使這些 Pod 的數量或 IP 地址發生變化。

Service 的功能

1. 負載平衡：Service 透過將流量分配至後端的一組 Pod 上，實現自動的負載平衡。
2. 服務發現：Service 透過 DNS 名稱進行服務發現，其他 Pod 可以通過這個名稱來存取對應的服務。
3. 暴露服務：Service 可以將服務暴露在 Cluster 的內部或外部，使其可以被客戶端或其他服務存取。

Service 的類型

Kubernetes 提供了多種方式來暴露 Service，主要分為以下幾種類型：

1. ClusterIP

• 預設類型：這是 Kubernetes 中的預設 Service 類型。
• 內部存取：該類型的 Service 僅在 Cluster 內部存取，適合於服務之間的內部通訊。
• 應用場景：適用於需要內部流量管理的後端服務，如微服務架構中的內部 API 通訊。

2. NodePort

• 外部存取：該類型的 Service 會將服務暴露在每個 Node 的指定端口上。
• 存取方式：外部客戶端可以通過 <NodeIP>:<NodePort> 的形式存取服務。
• 應用場景：適合開發和測試環境，或結合外部負載平衡器使用，以實現基本的外部存取功能。

3. LoadBalancer

• 雲端集成：此類型會使用雲端提供商的負載平衡器將服務直接暴露在外部。
• 高可用性與擴展性：適合於正式環境中，提供穩定的外部存取，並支援自動擴展。
• 應用場景：適合高流量的 Web 應用或 API 服務，確保服務可用性和性能。

4. ExternalName

• DNS 重定向：ExternalName 不創建 ClusterIP，也不涉及負載平衡，而是將服務名稱解析為外部的 DNS 名稱。
• 外部服務存取：適用於需要將Cluster內部的請求重定向到外部 API 或第三方服務的場景。
• 應用場景：適合簡化內部存取外部服務的設定，特別是在需要跨越網路邊界的情況下。

5. Headless Service

• 無 ClusterIP：Headless Service 與普通的 ClusterIP 不同，它不會分配 Cluster IP。這類型的 Service 主要用於不需要負載平衡且需要直接取得 Pod 地址的情境。
• 應用場景：當應用程式需要直接與特定 Pod 通訊（例如資料庫或需要自我負載平衡的分散式系統），Headless Service 是理想的選擇。
• Service 的定義：通過將 clusterIP 設定為 None，就可以創建一個 Headless Service。

實作範例

ClusterIP 範例

以下是一個 ClusterIP Service 的 YAML 定義：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-clusterip
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: ClusterIP

創建並查看 ClusterIP Service：

kubectl apply -f nginx-clusterip.yaml
kubectl get services

此 ClusterIP Service 將流量負載平衡至所有標籤為 app=nginx 的 Pod，並通過 ClusterIP 在 Cluster 內部進行存取。

NodePort 範例

以下是一個 NodePort Service 的 YAML 定義：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-nodeport
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 30007
  type: NodePort

創建並查看 NodePort Service：

kubectl apply -f nginx-nodeport.yaml
kubectl get services

此 NodePort Service 將流量暴露在每個 Node 的 30007 端口上，並可通過 <NodeIP>:30007 存取。

LoadBalancer 範例

以下是一個 LoadBalancer Service 的 YAML 定義：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-loadbalancer
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: LoadBalancer

創建並查看 LoadBalancer Service：

kubectl apply -f nginx-loadbalancer.yaml
kubectl get services

此 LoadBalancer Service 會使用雲端提供商的負載平衡器將服務直接暴露在外部，適合需要高可用性的應用場景。

ExternalName 範例

ExternalName 是一種將 Service 的查詢轉發到指定 DNS 名稱的 Service 類型。當一個 Pod 嘗試通過 Service 名稱存取資源時，Kubernetes 不會進行 IP 地址解析，而是直接返回設定的 DNS 名稱。這通常用於將Cluster內部的請求重定向到外部的 API 或第三方服務。

典型應用場景

ExternalName 最常見的使用場景包括：

1. 重定向到外部服務：如果有一些外部服務（例如公司內部的 API 或第三方 API）需要在 Kubernetes Cluster內部進行統一存取，可以使用 ExternalName 將請求透明地轉發。
2. 簡化 DNS 設定：可以透過 ExternalName 將複雜的外部域名抽象成更易記的內部 Service 名稱。

ExternalName 的 YAML 定義

以下是一個 ExternalName Service 的 YAML 設定範例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: external-service
spec:
  type: ExternalName
  externalName: example.com

在這個範例中，當Cluster內部的應用程式通過 external-service 存取時，Kubernetes 將自動將這些請求轉發到 example.com。

注意事項

1. 不涉及流量轉發：ExternalName 不會創建 ClusterIP，也不會涉及負載平衡。它僅僅是在 DNS 層面進行名稱解析。
2. 依賴 DNS 解析：ExternalName 依賴於外部 DNS 的穩定性，這在某些情況下可能會帶來延遲或故障風險。
3. 僅支援 TCP 和 UDP 協議：ExternalName 主要用於 TCP 和 UDP 協議的流量，對於更高層的 HTTP 協議可能需要額外設定。

Headless範例

以下是一個 Headless Service 的 YAML 定義：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: headless-service
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: my-app
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 8080

這樣的設定允許直接通過 DNS 解析得到各個 Pod 的 IP 地址，而不是透過負載平衡進行流量分配。

總結

今天我們學習了 Kubernetes 中的五種 Service 類型：ClusterIP、NodePort、LoadBalancer、ExternalName 和 Headless。這些 Service 提供了不同的方式來暴露應用，使其能夠在 Cluster 內部或外部被存取。通過這些學習，我們了解了如何創建和管理這些 Service，並熟悉了它們各自的使用場景。這些知識對於設計和部署 Kubernetes 應用至關重要，尤其是在不同的網路環境中保持服務的穩定運行。

接下來，我們將繼續探討 Kubernetes 中其他關鍵的概念與實踐，例如 ConfigMaps、Secrets 和 Volumes，這些內容將進一步豐富我們的 Kubernetes 技能，幫助我們更靈活地應對實際部署中的挑戰。