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# 服务发现与负载均衡

Kubernetes 在设计之初就充分考虑了针对容器的服务发现与负载均衡机制，提供了 Service 资源，并通过 kube-proxy 配合 cloud provider 来适应不同的应用场景。随着 kubernetes 用户的激增，用户场景的不断丰富，又产生了一些新的负载均衡机制。目前，kubernetes 中的负载均衡大致可以分为以下几种机制，每种机制都有其特定的应用场景：

- Service：直接用 Service 提供 cluster 内部的负载均衡，并借助 cloud provider 提供的 LB 提供外部访问
- Ingress Controller：还是用 Service 提供 cluster 内部的负载均衡，但是通过自定义 LB 提供外部访问
- Service Load Balancer：把 load balancer 直接跑在容器中，实现 Bare Metal 的 Service Load Balancer
- Custom Load Balancer：自定义负载均衡，并替代 kube-proxy，一般在物理部署 Kubernetes 时使用，方便接入公司已有的外部服务

## Service

Service 是对一组提供相同功能的 Pods 的抽象，并为它们提供一个统一的入口。借助 Service，应用可以方便的实现服务发现与负载均衡，并实现应用的零宕机升级。Service 通过标签来选取服务后端，一般配合 Replication Controller 或者 Deployment 来保证后端容器的正常运行。

Service 有三种类型：

- ClusterIP：默认类型，自动分配一个仅 cluster 内部可以访问的虚拟 IP
- NodePort：在 ClusterIP 基础上为 Service 在每台机器上绑定一个端口，这样就可以通过`<NodeIP>:NodePort` 来访问该服务
- LoadBalancer：在 NodePort 的基础上，借助 cloud provider 创建一个外部的负载均衡器，并将请求转发到`<NodeIP>:NodePort`

另外，也可以将已有的服务以 Service 的形式加入到 Kubernetes 集群中来，只需要在创建 Service 的时候不指定 Label selector，而是在 Service 创建好后手动为其添加 endpoint。

## Ingress Controller

Service 虽然解决了服务发现和负载均衡的问题，但它在使用上还是有一些限制，比如

- 对外访问的时候，NodePort 类型需要在外部搭建额外的负载均衡，而 LoadBalancer 要求 kubernetes 必须跑在支持的 cloud provider 上面

Ingress 就是为了解决这些限制而引入的新资源，主要用来将服务暴露到 cluster 外面，并且可以自定义服务的访问策略。比如想要通过负载均衡器实现不同子域名到不同服务的访问：

```
foo.bar.com --|                 |-> foo.bar.com s1:80
              | 178.91.123.132  |
bar.foo.com --|                 |-> bar.foo.com s2:80
```

可以这样来定义 Ingress：

```yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: test
spec:
  rules:
  - host: foo.bar.com
    http:
      paths:
      - backend:
          serviceName: s1
          servicePort: 80
  - host: bar.foo.com
    http:
      paths:
      - backend:
          serviceName: s2
          servicePort: 80
```

**注意：** Ingress 本身并不会自动创建负载均衡器，cluster 中需要运行一个 ingress controller 来根据 Ingress 的定义来管理负载均衡器。目前社区提供了 nginx 和 gce 的参考实现。

## Service Load Balancer

在 Ingress 出现以前，Service Load Balancer 是推荐的解决 Service 局限性的方式。Service Load Balancer 将 haproxy 跑在容器中，并监控 service 和 endpoint 的变化，通过容器 IP 对外提供 4 层和 7 层负载均衡服务。

社区提供的 Service Load Balancer 支持四种负载均衡协议：TCP、HTTP、HTTPS 和 SSL TERMINATION，并支持 ACL 访问控制。

## Custom Load Balancer

虽然 Kubernetes 提供了丰富的负载均衡机制，但在实际使用的时候，还是会碰到一些复杂的场景是它不能支持的，比如：

- 接入已有的负载均衡设备
- 多租户网络情况下，容器网络和主机网络是隔离的，这样 `kube-proxy` 就不能正常工作

这个时候就可以自定义组件，并代替 kube-proxy 来做负载均衡。基本的思路是监控 kubernetes 中 service 和 endpoints 的变化，并根据这些变化来配置负载均衡器。比如 weave flux、nginx plus、kube2haproxy 等。

## Endpoints

有几种情况下需要用到没有 selector 的 service。

- 使用 kubernetes 集群外部的数据库时
- service 中用到了其他 namespace 或 kubernetes 集群中的 service
- 在 kubernetes 的工作负载与集群外的后端之间互相迁移

可以这样定义一个没有 selector 的 service。

```yaml
kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: my-service
spec:
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376
```

定义一个 Endpoints 来对应该 service。

```yaml
kind: Endpoints
apiVersion: v1
metadata:
  name: my-service
subsets:
  - addresses:
      - ip: 1.2.3.4
    ports:
      - port: 9376
```

访问没有 selector 的 service 跟访问有 selector 的 service 时没有任何区别。

使用 kubernetes 时有一个很常见的需求，就是当数据库部署在 kubernetes 集群之外的时候，集群内的 service 如何访问数据库呢？当然你可以直接使用数据库的 IP 地址和端口号来直接访问，有没有什么优雅的方式呢？你需要用到 `ExternalName Service`。

```yaml
kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: my-service
  namespace: prod
spec:
  type: ExternalName
  externalName: my.database.example.com
  ports:
  - port: 12345
```

这个例子中，在 kubernetes 集群内访问 `my-service` 实际上会重定向到 `my.database.example.com:12345` 这个地址。

## 参考资料

- [Service - kubernetes.io](https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/)
- [Ingress - kubernetes.io](http://kubernetes.io/docs/user-guide/ingress/)
- [service Loadbalancer - github.com](https://github.com/kubernetes/contrib/tree/master/service-loadbalancer)
- [Load Balancing Kubernetes Services with NGINX Plus - nginx.com](https://www.nginx.com/blog/load-balancing-kubernetes-services-nginx-plus/)
- [Flux - github.com](https://github.com/weaveworks/flux)
- [kube2haproxy - github.com](https://github.com/adohe-zz/kube2haproxy)