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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`来访问改服务
- 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。

[Traefik](https://traefik.io)提供了易用的Ingress Controller，使用方法见<https://docs.traefik.io/user-guide/kubernetes/>。

## 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

- https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/
- http://kubernetes.io/docs/user-guide/ingress/
- https://github.com/kubernetes/contrib/tree/master/service-loadbalancer
- https://www.nginx.com/blog/load-balancing-kubernetes-services-nginx-plus/
- https://github.com/weaveworks/flux
- https://github.com/AdoHe/kube2haproxy