Kubernetes--深入理解Service与CoreDNS

Service功能

在 Kubernetes中，Service是用于将一组Pod以稳定的网络接口暴露出来，公开为一个网络服务的抽象，提供稳定的访问入口。虽然 Pod 的 IP 是动态分配的、会频繁变动，但 Service 通过分配一个固定的虚拟 IP（ClusterIP）来解决 Pod 动态变化的问题，并实现负载均衡，确保客户端始终可以通过统一的方式访问服务。

Service功能：1.服务发现发现一组提供了相同服务的 Pod：标签选择器，在同一 namespace 中筛选符合的条件的Pod；实际上并非由 Service 资源自己完成，而是借助于另一种称为 Endpoints/EndpointSlice 完成的； 集群内的 Pod 可以通过 Service 名称进行通信，Kubernetes 会自动管理这些名称解析。由标签选择器实现2.负载均衡Service作为流量入口和负载均衡器，其入口为ClusterIP：这组筛选出的Pod的IP地址，将作为该Service的后端服务器； Service会将访问请求均匀地分发给后端的多个 Pod，默认使用轮询方式进行负载均衡。由iptables/ipvs实现3.名称解析为该组Pod所代表的服务提供一个名称：依赖于Cluster DNS，对于每个Service，自动生成一个A、PTR和SRV记录由DNS实现

Service 的常见使用场景

Service 的常见使用场景：1.前端访问后端服务：一个 Web 前端可能通过 Service 访问后端的多个服务实例。2.微服务架构：Service 是微服务架构中的核心组件，用于不同服务之间的通信。3.服务发现：通过 DNS 或环境变量等方式，Pod 可以发现并访问其他 Pod 提供的服务。

Service的模式

在 Kubernetes 中，Pod的生命周期是短暂的，可能会被终止和重新创建，而 Service 提供了一个持久的访问入口，确保用户或其他服务可以通过固定的 IP 地址或 DNS 名称访问这些 Pod。Kubernetes 中的 Service 支持多种模式，每种模式决定了 Service 如何路由流量到 Pod，以及如何处理集群内外的网络请求。

Kubernetes的Service提供了多种模式来应对不同的网络通信需求：1.iptables模式：当前最常见的默认模式，性能较好，适用于大多数场景。2.IPVS模式：高性能负载均衡模式，适合大规模、高并发的场景，提供更多的负载均衡算法。

iptables

iptables 模式是 Kubernetes 的默认模式，也是当前最常用的 Service 模式。它使用 Linux 内核中的 iptables 来完成流量的路由和转发。

iptables模式工作机制：1.kube-proxy运行时会为每个Service创建一条 iptables 规则。2.这些规则被放入内核中，并在内核层执行流量转发，而不需要经过用户空间。3.内核根据这些规则直接在Pod之间转发流量，实现负载均衡。特点：1.性能更高，因为流量转发完全在内核中完成，不需要用户空间的参与。2.延迟低，处理能力强，适合大规模生产环境。3.当Pod或Service更新时，kube-proxy动态更新iptables规则。

示例： 当有一个 Service my-service，该 Service 选择了多个 Pod，iptables 会创建一个规则集，确保请求可以分发到与这个 Service 相关联的 Pod。流量在 Pod 之间均匀分配。

IPVS

IPVS (IP Virtual Server) 是一种基于内核的负载均衡技术，使用 Linux 虚拟服务器技术（通过 ipvsadm 管理），是 iptables 模式的增强版。IPVS 模式是 Kubernetes 中最新引入的一种 Service 模式，提供了更强的扩展性和性能。

IPVS模式工作机制：1.与iptables类似，kube-proxy监控集群中Service和Pod的变化，但它使用 IPVS 进行流量的路由和负载均衡。2.IPVS 在内核空间中实现，通过内核模块提供负载均衡功能。3.IPVS 支持更多的负载均衡算法，例如轮询（round-robin）、最小连接数、源地址哈希等。特点：1.IPVS比iptables性能更高，能够更快地处理大量规则和服务。2.IPVS支持更多的负载均衡算法，灵活性更强。3.更适合大规模高并发的服务。优点：1.具有比iptables更高的吞吐量和更低的延迟。2.支持动态的服务更新，处理大规模流量的能力较强

Service类型

在 Kubernetes 中，Service 有不同的类型，适用于不同的访问需求。常见的 Service 类型包括：ClusterIP、NodePort、LoadBalancer 和 ExternalName。

常见的 Service 类型1.ClusterIP 是最常见的服务类型，适合集群内部的通信。2.NodePort 允许外部客户端通过节点的 IP 和端口访问集群中的服务。3.LoadBalancer 为云环境中的 Kubernetes 集群提供外部负载均衡，适用于需要在互联网上提供服务的应用。4.ExternalName 服务重定向 DNS 名称，用于 Kubernetes 内部服务访问外部 DNS 名称服务。

ClusterIP

集群内部使用，东西流量

ClusterIPClient --> Service_IP:Service_Port --> Pod_IP:Pod_Port 功能：这是默认的Service类型，服务只在集群内部暴露，其他集群内的Pod可以通过服务的ClusterIP进行访问。适用场景：只需要在集群内部访问的服务，例如微服务之间的通信。特点：Kubernetes自动分配一个虚拟IP（ClusterIP）作为访问入口。只能在集群内部访问，外部无法直接访问。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: my-clusterip-service
spec:selector:app: my-appports:- protocol: TCPport: 80       # 暴露的端口targetPort: 8080  # Pod 内部应用的端口type: ClusterIP

NodePort

NodePortClient --> Node_IP:NodePort --> Pod_IP:Pod_Port功能：服务不仅在集群内部暴露，还通过每个节点上的一个固定端口在集群外部暴露。适用场景：需要从外部访问集群中的服务，但没有使用外部负载均衡器的环境。特点：Kubernetes 在每个节点上开放一个静态端口（范围 30000-32767）。可以通过节点的 IP 地址和指定的端口号从集群外部访问服务。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: my-nodeport-service
spec:type: NodePortselector:app: my-appports:- protocol: TCPport: 80         # 服务内部端口targetPort: 8080  # Pod 内部的应用端口nodePort: 30007   # 固定节点上的外部端口

LoadBalancer

LoadBalancerClient --> LB_IP:LB_PORT --> Node_IP:NodePort --> Pod_IP:Pod_Port功能：在支持的云服务平台（如 AWS、GCP、Azure）上，创建一个外部负载均衡器，服务暴露在集群外部，外部客户端可以通过负载均衡器的IP进行访问。适用场景：需要在云环境下，提供一个能够自动扩展和负载均衡的外部服务。特点：Kubernetes 将为Service创建一个外部负载均衡器（如 AWS ELB），并将流量导入集群内部的Service。负载均衡器的 IP 地址是服务的外部访问入口。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: my-loadbalancer-service
spec:type: LoadBalancerselector:app: my-appports:- protocol: TCPport: 80         # 负载均衡器暴露的端口targetPort: 8080  # Pod 上实际服务的端口

ExternalName

ExternalName功能：将 Kubernetes 内部的 Service 名称映射到外部 DNS 名称，服务本身不创建ClusterIP，也无法通过内部IP访问。适用场景：集群内部的服务需要访问外部服务时。特点：将Service名称解析为一个外部的DNS名称，而不是一个内部的ClusterIP。不需要暴露端口，只是DNS名称的别名。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: my-external-service
spec:type: ExternalNameexternalName: example.com

在此例中，访问 my-external-service 时，会被重定向到 example.com，适用于在 Kubernetes 集群内访问外部服务的场景。

Service的工作机制

Service 的工作机制：1.标签选择器（Label Selector）：Service 通过标签选择器将服务与一组 Pod 关联起来。只要 Pod 的标签符合 Service 的选择器条件，这些 Pod 就会成为 Service 的后端。2.Endpoints：Service 维护一个 Endpoints 对象，记录了符合标签选择器的所有 Pod 的 IP 地址和端口。负载均衡时，Service 会将请求转发到 Endpoints 中的 Pod。

Endpoint

在 Kubernetes 中，Endpoint 是用来连接服务和实际提供服务的 Pod 的资源。Endpoint 对象负责维护一组 IP 地址和端口信息，这些信息指向在集群中运行的实际 Pod，使得客户端可以通过 Service 访问这些 Pod。

Endpoint概念1.Service：在Kubernetes中，Service 是一种抽象，用于定义一组 Pod 的访问策略。Service 通过 ClusterIPNodePort 或 LoadBalancer 等方式暴露应用程序，但它并不直接与 Pod 关联。2.Endpoint：Endpoint则是与 Service 相关联的资源，存储了与该服务相关联的实际 Pod 的 IP 地址和端口列表。当一个 Service 被创建时，Kubernetes 控制平面会自动生成与该 Service 对应的 Endpoint，用来维护服务和实际运行的 Pod 之间的映射。

Endpoint 与 Service 的关系

Endpoint 与 Service 的关系1.Service 是访问 Pod 的抽象层，Endpoint 是 Service 和 Pod 之间的桥梁。2.当一个 Service 选择了一组 Pod（通常是通过标签选择器），这些 Pod 的 IP 地址和端口会被加入到对应的 Endpoint 中。3.当客户端请求 Service 的 IP 和端口时，Service 会查找对应的 Endpoint 并将流量路由到 Endpoint 中定义的 Pod。

Endpoint 的工作原理

 Endpoint 的工作原理1.当创建一个Service时，Kubernetes会自动创建一个Endpoint对象，该对象包含符合该 Service 标签选择器（label selector）的所有Pod的IP和端口。2.Service 通过 ClusterIP（虚拟 IP）接收请求，查找与之对应的Endpoint，然后将流量发送到匹配的 Pod 中。

命令操作

查看 Service 相关的 Endpoint：

kubectl get endpoints <service-name>

查看 Endpoint 详细信息：

kubectl describe endpoints <service-name>

CoreDNS

CoreDNS 是 Kubernetes 中用于服务发现和内部 DNS 解析的默认 DNS 服务器。在 Kubernetes 集群中，Pod 之间相互通信、外部服务访问、以及服务的动态发现，都依赖于 DNS 解析，CoreDNS 扮演着关键角色。

CoreDNS的作用1.服务发现：Kubernetes使用DNS解析来帮助Pod找到集群中的服务。例如，通过service-name.namespace.svc.cluster.local可以解析到某个服务的ClusterIP。2.DNS解析：CoreDNS为集群内部的Pod和服务提供DNS服务，支持解析内部服务域名和外部域名（如访问互联网的域名）。3.可扩展和插件化：CoreDNS是模块化的，它通过不同的插件（如缓存、负载均衡、重定向等）来增强DNS功能，允许根据需要定制DNS行为。4.集群内网络通信的核心：Pod通过DNS解析服务IP来互相通信，确保了容器化应用在Kubernetes集群中的稳定运行。

CoreDNS 的配置

CoreDNS 的配置文件是一个 Corefile，定义了 DNS 的解析规则。这个配置文件位于 Kubernetes 集群的 ConfigMap 中，通常可以通过以下方式查看：

kubectl get configmap coredns -n kube-system -o yaml

CoreDNS 的典型插件

CoreDNS 是基于插件架构的，每个插件为 CoreDNS 增加了不同的功能。以下是一些常用的插件：

CoreDNS 的典型插件1.kubernetes：这是最关键的插件，负责处理 Kubernetes 内部服务的 DNS 解析。例如将 my-service.my-namespace.svc.cluster.local 解析为服务的 ClusterIP。2.forward：用于将无法在集群内解析的 DNS 查询转发到外部 DNS 服务器（如 8.8.8.8）。3.cache：对 DNS 查询结果进行缓存，以提高查询速度并减少对外部 DNS 服务器的请求。4.log：记录所有 DNS 请求的日志，方便调试和排查问题。5.hosts：允许使用本地 /etc/hosts 文件来解析固定的 IP 地址。

Corefile 示例

以下是一个典型的 Corefile 配置，它包括 kubernetes、forward、log 和 cache 插件。可使用kubectl describe命令查看Corefile 配置。

kubectl describe cm coredns -n kube-system

.:53 {errorsloghealthkubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {pods insecurefallthrough in-addr.arpa ip6.arpa}forward . /etc/resolv.conf {max_concurrent 1000}cache 30reload
}

配置解读：.:53：表示 CoreDNS 监听 53 端口，处理所有 DNS 请求。errors：在出现错误时记录错误信息。log：记录所有 DNS 请求的日志，帮助调试。health：CoreDNS 会在健康检查时返回 HTTP 200 状态，表明它处于健康状态。kubernetes：负责处理 Kubernetes 内部 DNS 解析，将请求解析为集群内部的 Pod 和服务地址。forward：当 CoreDNS 无法解析请求时，它会将请求转发到外部 DNS 服务器（通常是集群节点的 /etc/resolv.conf 中指定的 DNS 服务器）。cache：缓存查询结果 30 秒，以减少对外部 DNS 服务器的请求负载。

CoreDNS 的工作原理

CoreDNS 的工作原理1.当一个 Pod 请求一个服务的 DNS 名称（例如 my-service.my-namespace.svc.cluster.local）时，DNS 请求会被 CoreDNS 处理。2.CoreDNS 检查 Corefile 中的配置，首先尝试使用 kubernetes 插件来解析请求。3.如果服务名存在，CoreDNS 将返回服务的 ClusterIP 地址。4.如果请求无法由 Kubernetes 内部解析，CoreDNS 使用 forward 插件将查询转发到外部 DNS 服务器进行解析。

举例说明

假设我们有一个服务 nginx-service，部署在命名空间 web 下，CoreDNS 将负责解析这个服务的 DNS 名称。

部署 nginx-service

首先，我们创建一个简单的 Nginx 服务：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: nginx-servicenamespace: web
spec:selector:app: nginxports:- protocol: TCPport: 80targetPort: 80type: ClusterIP

然后，创建 Nginx 的 Deployment：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: nginxnamespace: web
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- name: nginximage: nginx:1.19.0ports:- containerPort: 80

使用 CoreDNS 进行服务解析
在集群中的其他 Pod 可以通过 DNS 访问 nginx-service：

curl http://nginx-service.web.svc.cluster.local

这个请求将由 CoreDNS 处理，CoreDNS 会使用 kubernetes 插件解析 nginx-service.web.svc.cluster.local，并返回 Nginx 服务的 ClusterIP。然后，Pod 可以通过这个 IP 访问 Nginx 服务。

总结1.CoreDNS 是 Kubernetes 集群内的默认 DNS 服务器，主要负责服务发现和 DNS 解析。2.它使用插件架构，通过 kubernetes 插件解析集群内服务，通过 forward 插件将外部域名请求转发到外部 DNS 服务器。3.配置文件 Corefile 决定了 CoreDNS 的行为，可以通过 ConfigMap 来进行配置和定制。4.CoreDNS 提供了丰富的插件支持，如缓存、日志记录等，帮助优化 DNS 查询的性能和调试体验。