如何从外部访问Kubernetes集群中的应用?

Posted by 赵化冰 on Tuesday, November 28, 2017

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前言

我们知道,kubernetes的Cluster Network属于私有网络,只能在cluster Network内部才能访问部署的应用,那如何才能将Kubernetes集群中的应用暴露到外部网络,为外部用户提供服务呢?本文探讨了从外部网络访问kubernetes cluster中应用的几种实现方式。 >本文尽量试着写得比较容易理解,但要做到“深入浅出”,把复杂的事情用通俗易懂的语言描述出来是非常需要功力的,个人自认尚未达到此境界,唯有不断努力。此外,kubernetes本身是一个比较复杂的系统,无法在本文中详细解释涉及的所有相关概念,否则就可能脱离了文章的主题,因此假设阅读此文之前读者对kubernetes的基本概念如docker,container,pod已有所了解。

另外此文中的一些内容是自己的理解,由于个人的知识范围有限,可能有误,如果读者对文章中的内容有疑问或者勘误,欢迎大家指证。

Pod和Service

我们首先来了解一下Kubernetes中的Pod和Service的概念。

Pod(容器组),英文中Pod是豆荚的意思,从名字的含义可以看出,Pod是一组有依赖关系的容器,Pod包含的容器都会运行在同一个host节点上,共享相同的volumes和network namespace空间。Kubernetes以Pod为基本操作单元,可以同时启动多个相同的pod用于failover或者load balance。

Pod

Pod的生命周期是短暂的,Kubernetes根据应用的配置,会对Pod进行创建,销毁,根据监控指标进行缩扩容。kubernetes在创建Pod时可以选择集群中的任何一台空闲的Host,因此其网络地址是不固定的。由于Pod的这一特点,一般不建议直接通过Pod的地址去访问应用。

为了解决访问Pod不方便直接访问的问题,Kubernetes采用了Service的概念,Service是对后端提供服务的一组Pod的抽象,Service会绑定到一个固定的虚拟IP上,该虚拟IP只在Kubernetes Cluster中可见,但其实该IP并不对应一个虚拟或者物理设备,而只是IPtable中的规则,然后再通过IPtable将服务请求路由到后端的Pod中。通过这种方式,可以确保服务消费者可以稳定地访问Pod提供的服务,而不用关心Pod的创建、删除、迁移等变化以及如何用一组Pod来进行负载均衡。

Service的机制如下图所示,Kube-proxy监听kubernetes master增加和删除Service以及Endpoint的消息,对于每一个Service,kube proxy创建相应的iptables规则,将发送到Service Cluster IP的流量转发到Service后端提供服务的Pod的相应端口上。 Pod和Service的关系

备注:虽然可以通过Service的Cluster IP和服务端口访问到后端Pod提供的服务,但该Cluster IP是Ping不通的,原因是Cluster IP只是iptable中的规则,并不对应到一个网络设备。

Service的类型

Service的类型(ServiceType)决定了Service如何对外提供服务,根据类型不同,服务可以只在Kubernetes cluster中可见,也可以暴露到Cluster外部。Service有三种类型,ClusterIP,NodePort和LoadBalancer。其中ClusterIP是Service的缺省类型,这种类型的服务会提供一个只能在Cluster内才能访问的虚拟IP,其实现机制如上面一节所述。

通过NodePort提供外部访问入口

通过将Service的类型设置为NodePort,可以在Cluster中的主机上通过一个指定端口暴露服务。注意通过Cluster中每台主机上的该指定端口都可以访问到该服务,发送到该主机端口的请求会被kubernetes路由到提供服务的Pod上。采用这种服务类型,可以在kubernetes cluster网络外通过主机IP:端口的方式访问到服务。

注意:官方文档中说明了Kubernetes clusterIp的流量转发到后端Pod有Iptable和kube proxy两种方式。但对Nodeport如何转发流量却语焉不详。该图来自网络,从图来看是通过kube proxy转发的,我没有去研究过源码。欢迎了解的同学跟帖说明。

Pod和Service的关系

下面是通过NodePort向外暴露服务的一个例子,注意可以指定一个nodePort,也可以不指定。在不指定的情况下,kubernetes会从可用的端口范围内自动分配一个随机端口。

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: influxdb
spec:
  type: NodePort
  ports:
    - port: 8086
      nodePort: 30000
  selector:
    name: influxdb

通过NodePort从外部访问有下面的一些问题,自己玩玩或者进行测试时可以使用该方案,但不适宜用于生产环境。

  • Kubernetes cluster host的IP必须是一个well-known IP,即客户端必须知道该IP。但Cluster中的host是被作为资源池看待的,可以增加删除,每个host的IP一般也是动态分配的,因此并不能认为host IP对客户端而言是well-known IP。

  • 客户端访问某一个固定的host IP存在单点故障。假如一台host宕机了,kubernetes cluster会把应用 reload到另一节点上,但客户端就无法通过该host的nodeport访问应用了。

  • 该方案假设客户端可以访问Kubernetes host所在网络。在生产环境中,客户端和Kubernetes host网络可能是隔离的。例如客户端可能是公网中的一个手机APP,是无法直接访问host所在的私有网络的。

因此,需要通过一个网关来将外部客户端的请求导入到Cluster中的应用中,在kubernetes中,这个网关是一个4层的load balancer。

通过Load Balancer提供外部访问入口

通过将Service的类型设置为LoadBalancer,可以为Service创建一个外部Load Balancer。Kubernetes的文档中声明该Service类型需要云服务提供商的支持,其实这里只是在Kubernetes配置文件中提出了一个要求,即为该Service创建Load Balancer,至于如何创建则是由Google Cloud或Amazon Cloud等云服务商提供的,创建的Load Balancer不在Kubernetes Cluster的管理范围中。kubernetes 1.6版本中,WS, Azure, CloudStack, GCE and OpenStack等云提供商已经可以为Kubernetes提供Load Balancer.下面是一个Load balancer类型的Service例子:

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: influxdb
spec:
  type: LoadBalancer
  ports:
    - port: 8086
  selector:
    name: influxdb

部署该Service后,我们来看一下Kubernetes创建的内容

$ kubectl get svc influxdb
NAME       CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP     PORT(S)          AGE
influxdb   10.97.121.42   10.13.242.236   8086:30051/TCP   39s

Kubernetes首先为influxdb创建了一个集群内部可以访问的ClusterIP 10.97.121.42。由于没有指定nodeport端口,kubernetes选择了一个空闲的30051主机端口将service暴露在主机的网络上,然后通知cloud provider创建了一个load balancer,上面输出中的EEXTERNAL-IP就是load balancer的IP。

测试使用的Cloud Provider是OpenStack,我们通过neutron lb-vip-show可以查看创建的Load Balancer详细信息。

$ neutron lb-vip-show 9bf2a580-2ba4-4494-93fd-9b6969c55ac3
+---------------------+--------------------------------------------------------------+
| Field               | Value                                                        |
+---------------------+--------------------------------------------------------------+
| address             | 10.13.242.236                                                |
| admin_state_up      | True                                                         |
| connection_limit    | -1                                                           |
| description         | Kubernetes external service a6ffa4dadf99711e68ea2fa163e0b082 |
| id                  | 9bf2a580-2ba4-4494-93fd-9b6969c55ac3                         |
| name                | a6ffa4dadf99711e68ea2fa163e0b082                             |
| pool_id             | 392917a6-ed61-4924-acb2-026cd4181755                         |
| port_id             | e450b80b-6da1-4b31-a008-280abdc6400b                         |
| protocol            | TCP                                                          |
| protocol_port       | 8086                                                         |
| session_persistence |                                                              |
| status              | ACTIVE                                                       |
| status_description  |                                                              |
| subnet_id           | 73f8eb91-90cf-42f4-85d0-dcff44077313                         |
| tenant_id           | 4d68886fea6e45b0bc2e05cd302cccb9                             |
+---------------------+--------------------------------------------------------------+

$ neutron lb-pool-show 392917a6-ed61-4924-acb2-026cd4181755
+------------------------+--------------------------------------+
| Field                  | Value                                |
+------------------------+--------------------------------------+
| admin_state_up         | True                                 |
| description            |                                      |
| health_monitors        |                                      |
| health_monitors_status |                                      |
| id                     | 392917a6-ed61-4924-acb2-026cd4181755 |
| lb_method              | ROUND_ROBIN                          |
| members                | d0825cc2-46a3-43bd-af82-e9d8f1f85299 |
|                        | 3f73d3bb-bc40-478d-8d0e-df05cdfb9734 |
| name                   | a6ffa4dadf99711e68ea2fa163e0b082     |
| protocol               | TCP                                  |
| provider               | haproxy                              |
| status                 | ACTIVE                               |
| status_description     |                                      |
| subnet_id              | 73f8eb91-90cf-42f4-85d0-dcff44077313 |
| tenant_id              | 4d68886fea6e45b0bc2e05cd302cccb9     |
| vip_id                 | 9bf2a580-2ba4-4494-93fd-9b6969c55ac3 |
+------------------------+--------------------------------------+

$ neutron lb-member-list
+--------------------------------------+--------------+---------------+--------+----------------+--------+
| id                                   | address      | protocol_port | weight | admin_state_up | status |
+--------------------------------------+--------------+---------------+--------+----------------+--------+
| 3f73d3bb-bc40-478d-8d0e-df05cdfb9734 | 10.13.241.89 |         30051 |      1 | True           | ACTIVE |
| d0825cc2-46a3-43bd-af82-e9d8f1f85299 | 10.13.241.10 |         30051 |      1 | True           | ACTIVE |
+--------------------------------------+--------------+---------------+--------+----------------+--------

可以看到OpenStack使用VIP 10.13.242.236在端口8086创建了一个Load Balancer,Load Balancer对应的Lb pool里面有两个成员10.13.241.89 和 10.13.241.10,正是Kubernetes的host节点,进入Load balancer流量被分发到这两个节点对应的Service Nodeport 30051上。

但是如果客户端不在Openstack Neutron的私有子网上,则还需要在load balancer的VIP上关联一个floating IP,以使外部客户端可以连接到load balancer。

部署Load balancer后,应用的拓扑结构如下图所示(注:本图假设Kubernetes Cluster部署在Openstack私有云上)。 外部Load balancer

备注:如果kubernetes环境在Public Cloud上,Loadbalancer类型的Service创建出的外部Load Balancer已经带有公网IP地址,是可以直接从外部网络进行访问的,不需要绑定floating IP这个步骤。例如在AWS上创建的Elastic Load Balancing (ELB),有兴趣可以看一下这篇文章:Expose Services on your AWS Quick Start Kubernetes cluster

如果Kubernetes Cluster是在不支持LoadBalancer特性的cloud provider或者裸机上创建的,可以实现LoadBalancer类型的Service吗?应该也是可以的。Kubernetes本身并不直接支持Loadbalancer,但我们可以通过对Kubernetes进行扩展来实现,可以监听kubernetes Master的service创建消息,并根据消息部署相应的Load Balancer(如Nginx或者HAProxy),来实现Load balancer类型的Service。

通过设置Service类型提供的是四层Load Balancer,当只需要向外暴露一个服务的时候,可以直接采用这种方式。但在一个应用需要对外提供多个服务时,采用该方式会为每一个服务(IP+Port)都创建一个外部load balancer。如下图所示 创建多个Load balancer暴露应用的多个服务 一般来说,同一个应用的多个服务/资源会放在同一个域名下,在这种情况下,创建多个Load balancer是完全没有必要的,反而带来了额外的开销和管理成本。直接将服务暴露给外部用户也会导致了前端和后端的耦合,影响了后端架构的灵活性,如果以后由于业务需求对服务进行调整会直接影响到客户端。可以通过使用Kubernetes Ingress进行L7 load balancing来解决该问题。

采用Ingress作为七层load balancer

首先看一下引入Ingress后的应用拓扑示意图(注:本图假设Kubernetes Cluster部署在Openstack私有云上)。 采用Ingress暴露应用的多个服务 这里Ingress起到了七层负载均衡器和Http方向代理的作用,可以根据不同的url把入口流量分发到不同的后端Service。外部客户端只看到foo.bar.com这个服务器,屏蔽了内部多个Service的实现方式。采用这种方式,简化了客户端的访问,并增加了后端实现和部署的灵活性,可以在不影响客户端的情况下对后端的服务部署进行调整。

下面是Kubernetes Ingress配置文件的示例,在虚拟主机foot.bar.com下面定义了两个Path,其中/foo被分发到后端服务s1,/bar被分发到后端服务s2。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: test
  annotations:
    ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  rules:
  - host: foo.bar.com
    http:
      paths:
      - path: /foo
        backend:
          serviceName: s1
          servicePort: 80
      - path: /bar
        backend:
          serviceName: s2
          servicePort: 80

注意这里Ingress只描述了一个虚拟主机路径分发的要求,可以定义多个Ingress,描述不同的7层分发要求,而这些要求需要由一个Ingress Controller来实现。Ingress Contorller会监听Kubernetes Master得到Ingress的定义,并根据Ingress的定义对一个7层代理进行相应的配置,以实现Ingress定义中要求的虚拟主机和路径分发规则。Ingress Controller有多种实现,Kubernetes提供了一个基于Nginx的Ingress Controller。需要注意的是,在部署Kubernetes集群时并不会缺省部署Ingress Controller,需要我们自行部署。

下面是部署Nginx Ingress Controller的配置文件示例,注意这里为Nginx Ingress Controller定义了一个LoadBalancer类型的Service,以为Ingress Controller提供一个外部可以访问的公网IP。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-ingress
spec:
  type: LoadBalancer
  ports:
    - port: 80
      name: http
    - port: 443
      name: https
  selector:
    k8s-app: nginx-ingress-lb
---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-ingress-controller
spec:
  replicas: 2
  revisionHistoryLimit: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        k8s-app: nginx-ingress-lb
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 60
      containers:
        - name: nginx-ingress-controller
          image: gcr.io/google_containers/nginx-ingress-controller:0.8.3
          imagePullPolicy: Always
    //----omitted for brevity----

备注:Google Cloud直接支持Ingress资源,如果应用部署在Google Cloud中,Google Cloud会自动为Ingress资源创建一个7层load balancer,并为之分配一个外部IP,不需要自行部署Ingress Controller。

结论

采用Ingress加上Load balancer的方式可以将Kubernetes Cluster中的应用服务暴露给外部客户端。这种方式比较灵活,基本可以满足大部分应用的需要。但如果需要在入口处提供更强大的功能,如有更高的效率要求,需求进行安全认证,日志记录,或者需要一些应用的定制逻辑,则需要考虑采用微服务架构中的API Gateway模式,采用一个更强大的API Gateway来作为应用的流量入口。

参考

「真诚赞赏,手留余香」

Huabing Blog

真诚赞赏,手留余香

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