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DAY 11
2
DevOps

賢者大叔的容器修煉手札系列 第 11 篇

Service 基礎 - Pod 間溝通的穩定橋樑 🌉

17th鐵人賽 k8s
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賢者大叔的容器修煉手札系列 第 11 篇

Service 基礎 - Pod 間溝通的穩定橋樑 🌉

還記得昨天我們學會了 RBAC 權限控制，讓每個 Pod 都有了明確的身份嗎？但是各位，光有身份還不夠！就像餐廳裡的服務生有了工作證，但顧客要如何找到他們點餐呢？今天我們要學習 K8s 的核心網路概念：Service！
想像你經營一家連鎖餐廳，每天都有服務生請假、新人報到，座位也會調整，顧客總不能每次都要重新找人吧？我們需要一個「總服務台」，不管後面的服務生怎麼變動，顧客都能透過「總服務台」得到服務。這就是 Service 要解決的問題！

今日學習目標 🎯

✅ 理解 Service 的核心概念與必要性

✅ 掌握 ClusterIP、NodePort、LoadBalancer 三種服務類型

✅ 實作基礎的 Pod 間通訊

✅ 了解服務發現的基本原理

為什麼需要 Service？🤔

沒有 Service 的災難場景 😱

# 😱 災難場景：直接使用 Pod IP 通訊
> kubectl get pods -o wide

NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP
payment-api-7d4b8c-xyz  1/1     Running   0          2m    10.244.1.15
payment-api-7d4b8c-abc  1/1     Running   0          2m    10.244.2.23

# 前端應用嘗試連接支付服務
> curl http://10.244.1.15:8080/api/payment
# ❌ 如果這個 Pod 重啟了，IP 就變了！

# 5分鐘後 Pod 重啟...
> kubectl get pods -o wide

NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP
payment-api-7d4b8c-xyz  1/1     Running   1          7m    10.244.1.89  # IP 變了！

這會造成什麼問題？
🔴 IP 不穩定：Pod 重啟後 IP 會改變
🔴 無法 Load balacning：只能連到一個 Pod
🔴 高可用性差：一個 Pod 掛了，服務就中斷
🔴 維護困難：每次部署都要更新所有調用方的配置設定

Service 的解決方案 ✅

Service 就像餐廳的「總服務台」：

顧客 → 總服務台 → 分配給可用的服務生
Pod  →  Service  → 路由到健康的後端 Pod

Service 的基本結構

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: payment-service        # 服務名稱（DNS 名稱）
  namespace: prod-env
  labels:
    app: payment-api
    tier: backend
spec:
  selector:                    # 🎯 選擇器：決定哪些 Pod 屬於這個服務
    app: payment-api
    version: v1
  ports:                       # 🔌 端口映射
  - name: http                 # 端口名稱
    port: 80                   # Service 對外端口
    targetPort: 8080           # Pod 內部端口
    protocol: TCP
  - name: https
    port: 443
    targetPort: 8443
    protocol: TCP
  type: ClusterIP              # 🏷️ 服務類型

Service 的工作原理 ⚙️

1. 標籤選擇器 (Label Selector)
   Service 透過標籤找到對應的 Pod

2. 端點 (Endpoints)
   Kubernetes 自動維護 Pod IP 列表

3. 負載均衡
   流量自動分配到健康的 Pod

4. DNS 解析
   可以透過服務名稱訪問

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250826/20104930vYU1h7oNjy.png

Service 的三種類型 🏗️

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250826/20104930YlEz3yCF12.png

1. ClusterIP - Pod 內部通訊專用 🏠

使用場景：Pod 之間的內部通訊（最常用）

# cluster-ip-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: payment-service
  namespace: prod-env
spec:
  type: ClusterIP              # 預設類型
  selector:
    app: payment-api
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080

特點：

  • ✅ 只能在集群內部訪問
  • ✅ 自動分配集群內部 IP
  • ✅ 支援 DNS 解析
  • ❌ 外部無法直接訪問
# 在 cluster 內部可以這樣訪問
curl http://payment-service.prod-env.svc.cluster.local/api/payment
# 或簡化版本（同命名空間）
curl http://payment-service/api/payment

2. NodePort - 外部訪問入口 🚪

使用場景：需要從cluster外部訪問服務

# nodeport-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-frontend-service
  namespace: prod-env
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: web-frontend
  ports:
  - port: 80                   # Service 內部端口
    targetPort: 3000           # Pod 端口
    nodePort: 30080            # 節點端口（30000-32767）
    protocol: TCP

特點：

  • ✅ 可以從外部訪問
  • ✅ 每個節點都會開放指定端口
  • ✅ 自動包含 ClusterIP 功能
  • ❌ 端口範圍限制（30000-32767）
# 可以透過任何節點 IP 訪問
curl http://192.168.1.100:30080
curl http://192.168.1.101:30080

3. LoadBalancer - 雲端負載均衡 ☁️

使用場景：在雲端環境中提供外部 load balancer

特點：

✅ 雲端提供商自動建立 load balancer
✅ 分配外部 IP 地址
✅ 自動包含 NodePort 和 ClusterIP 功能
❌ 需要雲端環境支援
❌ 需要額外費用

實戰演練：建立完整的微服務之間的通訊 🚀

場景設定：電商系統架構
我們要建立一個簡單的電商系統：

API Gateway → 後端服務群
            ├── 商品服務
            └── 支付服務

步驟 1：建立後端服務 Pod

backend-services.yaml

# backend-services.yaml
---
# 商品服務
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: product-service
  namespace: ecommerce
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: product-service
  template:
    metadata:
      labels:
        app: product-service
        tier: backend
    spec:
      containers:
      - name: product-api
        image: nginx:alpine
        ports:
        - containerPort: 80
        env:
        - name: SERVICE_NAME
          value: "product-service"

---
# 支付服務
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: payment-service
  namespace: ecommerce
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: payment-service
  template:
    metadata:
      labels:
        app: payment-service
        tier: backend
    spec:
      containers:
      - name: payment-api
        image: nginx:alpine
        ports:
        - containerPort: 80
        env:
        - name: SERVICE_NAME
          value: "payment-service"

步驟 2：為後端服務建立 ClusterIP Service

backend-services-svc.yaml

# backend-services-svc.yaml
---
# 商品服務 Service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: product-service
  namespace: ecommerce
  labels:
    app: product-service
    tier: backend
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: product-service
  ports:
  - name: http
    port: 80
    targetPort: 80

---
# 支付服務 Service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: payment-service
  namespace: ecommerce
  labels:
    app: payment-service
    tier: backend
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: payment-service
  ports:
  - name: http
    port: 80
    targetPort: 80

步驟 3：建立 API Gateway

api-gateway.yaml

# api-gateway.yaml
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: api-gateway
  namespace: ecommerce
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: api-gateway
  template:
    metadata:
      labels:
        app: api-gateway
        tier: frontend
    spec:
      containers:
      - name: gateway
        image: nginx:alpine
        ports:
        - containerPort: 80
        # 這裡可以配置 nginx 反向代理到後端服務
        # upstream product-service.ecommerce.svc.cluster.local
        # upstream payment-service.ecommerce.svc.cluster.local

---
# API Gateway Service (NodePort 讓外部可以訪問)
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: api-gateway
  namespace: ecommerce
spec:
  type: NodePort  #  NodePort 讓外部可以訪問
  selector:
    app: api-gateway
  ports:
  - name: http
    port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 30080

步驟 4：部署和驗證

# 建立命名空間
kubectl create namespace ecommerce

# 部署所有服務
kubectl apply -f backend-services.yaml
kubectl apply -f backend-services-svc.yaml
kubectl apply -f api-gateway.yaml

# 檢查部署狀態
> kubectl get all -n ecommerce

NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/api-gateway-7545577594-cqw4m       1/1     Running   0          5s
pod/api-gateway-7545577594-vdvff       1/1     Running   0          5s
pod/payment-service-7459685677-984r6   1/1     Running   0          14s
pod/payment-service-7459685677-w2t7z   1/1     Running   0          14s
pod/product-service-6bc7d4fb76-lmbnx   1/1     Running   0          14s
pod/product-service-6bc7d4fb76-mrhtb   1/1     Running   0          14s
pod/product-service-6bc7d4fb76-zlrq8   1/1     Running   0          14s

NAME                      TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
service/api-gateway       NodePort    10.96.249.20   <none>        80:30080/TCP   5s
service/payment-service   ClusterIP   10.96.111.53   <none>        80/TCP         9s
service/product-service   ClusterIP   10.96.228.69   <none>        80/TCP         9s

NAME                              READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/api-gateway       2/2     2            2           5s
deployment.apps/payment-service   2/2     2            2           14s
deployment.apps/product-service   3/3     3            3           14s

NAME                                         DESIRED   CURRENT   READY   AGE
replicaset.apps/api-gateway-7545577594       2         2         2       5s
replicaset.apps/payment-service-7459685677   2         2         2       14s
replicaset.apps/product-service-6bc7d4fb76   3         3         3       14s

步驟 5：測試服務發現

從上方的 api-gateway pod 任選一個來測試

# 進入 API Gateway Pod 測試內部通訊
kubectl exec -it api-gateway-7545577594-cqw4m -n ecommerce -- sh

# 在 Pod 內部測試服務發現
/ # nslookup product-service
Server:		10.96.0.10
Address:	10.96.0.10:53

** server can't find product-service.cluster.local: NXDOMAIN

** server can't find product-service.cluster.local: NXDOMAIN

** server can't find product-service.svc.cluster.local: NXDOMAIN


** server can't find product-service.svc.cluster.local: NXDOMAIN

Name:	product-service.ecommerce.svc.cluster.local
Address: 10.96.228.69


/ # curl http://product-service/
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
# 成功！透過服務名稱就能訪問
# 成功！負載會自動分配到 3 個 Pod 中的一個

# 檢查 Service 是否存在
> kubectl get svc -n ecommerce

NAME              TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
api-gateway       NodePort    10.96.249.20   <none>        80:30080/TCP   11m
payment-service   ClusterIP   10.96.111.53   <none>        80/TCP         11m
product-service   ClusterIP   10.96.228.69   <none>        80/TCP         11m

# 檢查 Endpoints（後端 Pod 列表）
> kubectl get endpoints payment-service -n ecommerce

Warning: v1 Endpoints is deprecated in v1.33+; use discovery.k8s.io/v1 EndpointSlice
NAME              ENDPOINTS                       AGE
payment-service   10.244.0.10:80,10.244.0.13:80   12m

服務發現的 DNS 規則 🔍

Kubernetes 內建 DNS 服務，提供以下解析規則：

# 同命名空間內
curl http://service-name/

# 跨命名空間
curl http://service-name.namespace-name/

# 完整 FQDN
curl http://service-name.namespace-name.svc.cluster.local/

DNS 解析層級：

service-name                           # 同命名空間
    ↓
service-name.namespace                 # 跨命名空間
    ↓
service-name.namespace.svc             # 服務類型
    ↓
service-name.namespace.svc.cluster.local # 完整域名

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250826/201049300s2F8KyBMT.png

Service 的進階特性 🎛️

1. Session 親和性 (Session Affinity)

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: stateful-app-service
spec:
  selector:
    app: stateful-app
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
  sessionAffinity: ClientIP        # 🎯 同一客戶端總是路由到同一 Pod
  sessionAffinityConfig:
    clientIP:
      timeoutSeconds: 3600         # session timeout

2. 服務開多個 Port

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: multi-port-service
spec:
  selector:
    app: web-app
  ports:
  - name: http                     # 🔌 HTTP 端口
    port: 80
    targetPort: 8080
  - name: https                    # 🔐 HTTPS 端口
    port: 443
    targetPort: 8443
  - name: metrics                  # 📊 監控端口
    port: 9090
    targetPort: 9090

自定義網路

在 Docker Compose 中，您可以這樣自定義網路：

# docker-compose.yml
version: '3.8'
services:
 web:
   image: nginx
   networks:
     frontend:
       ipv4_address: 172.20.0.10    # 🎯 自定義容器 IP
 
 api:
   image: node:alpine
   networks:
     backend:
       ipv4_address: 172.21.0.20    # 🎯 自定義容器 IP

networks:
 frontend:
   driver: bridge
   ipam:
     config:
       - subnet: 172.20.0.0/24      # 🌐 自定義網段
         gateway: 172.20.0.1
 
 backend:
   driver: bridge
   ipam:
     config:
       - subnet: 172.21.0.0/24      # 🌐 自定義網段
         gateway: 172.21.0.1

在 Kubernetes 中，概念是相似的，但實現方式不同：
首先需要自定義網段範圍，才可以自定義 IP。

# kubernetes-services.yaml - 在既定範圍內自定義
---
# Cluster 管理員預先設定的 Service CIDR: 10.96.0.0/16
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-service
spec:
  type: ClusterIP
  clusterIP: 10.96.100.10          # 🎯 可自定義，但必須在 10.96.0.0/16 範圍內
  selector:
    app: web
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: api-service
spec:
  type: ClusterIP
  clusterIP: 10.96.100.20          # 🎯 可自定義 Service IP
  selector:
    app: api
  ports:
  - port: 3000
    targetPort: 3000

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: database-service
spec:
  type: ClusterIP
  clusterIP: 10.96.100.30          # 🎯 可自定義 Service IP
  selector:
    app: database
  ports:
  - port: 5432
    targetPort: 5432

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250826/20104930EwLPVGE67G.png

在 🐳 Docker Compose：像是「自己的家」，想怎麼裝潢就怎麼裝潢。
而在 ☸️ K8s：像是「大樓公寓」，在既定規則下可以自定義室內配置。所以我們必須先規劃 IP 分配策略，再使用工具自動化管理

總結

架構設計的思維

  1. 服務抽象化思維 🧠
具體實現 → 抽象 Interface → 穩定契約
Pod IP   →  Service   →  DNS 名稱

核心概念：

  • 解耦合：調用方不需要知道具體的 Pod 位置
  • 穩定性：服務名稱不變，後端可以任意調整
  • 可擴展：新增 Pod 自動加入負載均衡
  1. 微服務通訊模式 🎯
┌─────────┐    ┌─────────┐    ┌─────────┐
│服務 A    │    │服務 B    │    │服務 C    │
│         │◄──►│         │◄──►│         │
└─────────┘    └─────────┘    └─────────┘
     ▲              ▲              ▲
     │              │              │
┌─────────┐    ┌─────────┐    ┌─────────┐
│Service A│    │Service B│    │Service C│
└─────────┘    └─────────┘    └─────────┘
  1. 運維思維培養 🔧
    高可用性設計：
  • Service 自動處理 Pod 故障
  • load balancing 確保流量分散
  • 健康檢查確保只路由到健康的 Pod

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250826/201049307lrH6dvQCY.png


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