如何在 Kubernetes 中启用 ipvs

作者: k8s技术圈 | 来源:发表于2018-08-31 09:46 被阅读1466次

原文链接：如何在 Kubernetes 中启用 ipvs
ipvs (IP Virtual Server) 实现了传输层负载均衡，也就是我们常说的4层LAN交换，作为 Linux 内核的一部分。ipvs运行在主机上，在真实服务器集群前充当负载均衡器。ipvs可以将基于TCP和UDP的服务请求转发到真实服务器上，并使真实服务器的服务在单个 IP 地址上显示为虚拟服务。

ipvs vs. iptables

我们知道kube-proxy支持 iptables 和 ipvs 两种模式，在kubernetes v1.8 中引入了 ipvs 模式，在 v1.9 中处于 beta 阶段，在 v1.11 中已经正式可用了。iptables 模式在 v1.1 中就添加支持了，从 v1.2 版本开始 iptables 就是 kube-proxy 默认的操作模式，ipvs 和 iptables 都是基于netfilter的，那么 ipvs 模式和 iptables 模式之间有哪些差异呢？

ipvs 为大型集群提供了更好的可扩展性和性能
ipvs 支持比 iptables 更复杂的复制均衡算法（最小负载、最少连接、加权等等）
ipvs 支持服务器健康检查和连接重试等功能

ipvs 依赖 iptables

ipvs 会使用 iptables 进行包过滤、SNAT、masquared(伪装)。具体来说，ipvs 将使用ipset来存储需要DROP或masquared的流量的源或目标地址，以确保 iptables 规则的数量是恒定的，这样我们就不需要关心我们有多少服务了

下表就是 ipvs 使用的 ipset 集合：

set name	members	usage
KUBE-CLUSTER-IP	All service IP + port	Mark-Masq for cases that `masquerade-all=true` or `clusterCIDR` specified
KUBE-LOOP-BACK	All service IP + port + IP	masquerade for solving hairpin purpose
KUBE-EXTERNAL-IP	service external IP + port	masquerade for packages to external IPs
KUBE-LOAD-BALANCER	load balancer ingress IP + port	masquerade for packages to load balancer type service
KUBE-LOAD-BALANCER-LOCAL	LB ingress IP + port with `externalTrafficPolicy=local`	accept packages to load balancer with `externalTrafficPolicy=local`
KUBE-LOAD-BALANCER-FW	load balancer ingress IP + port with `loadBalancerSourceRanges`	package filter for load balancer with `loadBalancerSourceRanges` specified
KUBE-LOAD-BALANCER-SOURCE-CIDR	load balancer ingress IP + port + source CIDR	package filter for load balancer with `loadBalancerSourceRanges` specified
KUBE-NODE-PORT-TCP	nodeport type service TCP port	masquerade for packets to nodePort(TCP)
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP	nodeport type service TCP port with `externalTrafficPolicy=local`	accept packages to nodeport service with `externalTrafficPolicy=local`
KUBE-NODE-PORT-UDP	nodeport type service UDP port	masquerade for packets to nodePort(UDP)
KUBE-NODE-PORT-LOCAL-UDP	nodeport type service UDP port with `externalTrafficPolicy=local`	accept packages to nodeport service with `externalTrafficPolicy=local`

在以下情况下，ipvs 将依赖于 iptables:

1. kube-proxy 配置参数 --masquerade-all=true

如果 kube-proxy 配置了--masquerade-all=true参数，则 ipvs 将伪装所有访问 Service 的 Cluster IP 的流量，此时的行为和 iptables 是一致的，由 ipvs 添加的 iptables 规则如下：

# iptables -t nat -nL

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-POSTROUTING  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes postrouting rules */

Chain KUBE-MARK-MASQ (2 references)
target     prot opt source               destination
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-POSTROUTING (1 references)
target     prot opt source               destination
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */ mark match 0x4000/0x4000
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-MARK-MASQ  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
ACCEPT     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst

2. 在 kube-proxy 启动时指定集群 CIDR

如果 kube-proxy 配置了--cluster-cidr=<cidr>参数，则 ipvs 会伪装所有访问 Service Cluster IP 的外部流量，其行为和 iptables 相同，假设 kube-proxy 提供的集群 CIDR 值为：10.244.16.0/24，那么 ipvs 添加的 iptables 规则应该如下所示：

# iptables -t nat -nL

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-POSTROUTING  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes postrouting rules */

Chain KUBE-MARK-MASQ (3 references)
target     prot opt source               destination
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-POSTROUTING (1 references)
target     prot opt source               destination
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */ mark match 0x4000/0x4000
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-MARK-MASQ  all  -- !10.244.16.0/24       0.0.0.0/0            match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
ACCEPT     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst

3. Load Balancer 类型的 Service

对于loadBalancer类型的服务，ipvs 将安装匹配 KUBE-LOAD-BALANCER 的 ipset 的 iptables 规则。特别当服务的 LoadBalancerSourceRanges 被指定或指定 externalTrafficPolicy=local 的时候，ipvs 将创建 ipset 集合KUBE-LOAD-BALANCER-LOCAL/KUBE-LOAD-BALANCER-FW/KUBE-LOAD-BALANCER-SOURCE-CIDR，并添加相应的 iptables 规则，如下所示规则：

# iptables -t nat -nL

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-POSTROUTING  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes postrouting rules */

Chain KUBE-FIREWALL (1 references)
target     prot opt source               destination
RETURN     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOAD-BALANCER-SOURCE-CIDR dst,dst,src
KUBE-MARK-DROP  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0

Chain KUBE-LOAD-BALANCER (1 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-FIREWALL  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOAD-BALANCER-FW dst,dst
RETURN     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOAD-BALANCER-LOCAL dst,dst
KUBE-MARK-MASQ  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0

Chain KUBE-MARK-DROP (1 references)
target     prot opt source               destination
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x8000

Chain KUBE-MARK-MASQ (2 references)
target     prot opt source               destination
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-POSTROUTING (1 references)
target     prot opt source               destination
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */ mark match 0x4000/0x4000
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-LOAD-BALANCER  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOAD-BALANCER dst,dst
ACCEPT     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOAD-BALANCER dst,dst

4. NodePort 类型的 Service

对于 NodePort 类型的服务，ipvs 将添加匹配KUBE-NODE-PORT-TCP/KUBE-NODE-PORT-UDP的 ipset 的iptables 规则。当指定externalTrafficPolicy=local时，ipvs 将创建 ipset 集KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TC/KUBE-NODE-PORT-LOCAL-UDP并安装相应的 iptables 规则，如下所示：(假设服务使用 TCP 类型 nodePort)

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-POSTROUTING  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes postrouting rules */

Chain KUBE-MARK-MASQ (2 references)
target     prot opt source               destination
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-NODE-PORT (1 references)
target     prot opt source               destination
RETURN     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP dst
KUBE-MARK-MASQ  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0

Chain KUBE-POSTROUTING (1 references)
target     prot opt source               destination
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */ mark match 0x4000/0x4000
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-NODE-PORT  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-NODE-PORT-TCP dst

5. 指定 externalIPs 的 Service

对于指定了externalIPs的 Service，ipvs 会安装匹配KUBE-EXTERNAL-IP ipset 集的 iptables 规则，假设我们有指定了 externalIPs 的 Service，则 iptables 规则应该如下所示：

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
KUBE-POSTROUTING  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes postrouting rules */

Chain KUBE-MARK-MASQ (2 references)
target     prot opt source               destination
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

Chain KUBE-POSTROUTING (1 references)
target     prot opt source               destination
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */ mark match 0x4000/0x4000
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target     prot opt source               destination
KUBE-MARK-MASQ  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-EXTERNAL-IP dst,dst
ACCEPT     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-EXTERNAL-IP dst,dst PHYSDEV match ! --physdev-is-in ADDRTYPE match src-type !LOCAL
ACCEPT     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-EXTERNAL-IP dst,dst ADDRTYPE match dst-type LOCAL

kube-proxy 使用 ipvs 模式

目前，本地化脚本、GCE 脚本和kubeadm支持通过导入环境变量或者指定标志来切换 ipvs 代理模式

要求

确保 ipvs 需要的内核模块，需要下面几个模块：ip_vs、ip_vs_rr、ip_vs_wrr、ip_vs_sh、nf_conntrack_ipv4

已编译到节点内核中的，可以使用如下命令检查：

$ grep -e ipvs -e nf_conntrack_ipv4 /lib/modules/$(uname -r)/modules.builtin
# 如果相关内核模块已经编译到内核中，可以得到如下结果：
kernel/net/ipv4/netfilter/nf_conntrack_ipv4.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_rr.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_wrr.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_lc.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_wlc.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_fo.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_ovf.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_lblc.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_lblcr.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_dh.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_sh.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_sed.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_nq.ko
kernel/net/netfilter/ipvs/ip_vs_ftp.ko

已经加载。

# 加载模块 <module_name>
modprobe -- ip_vs
modprobe -- ip_vs_rr
modprobe -- ip_vs_wrr
modprobe -- ip_vs_sh
modprobe -- nf_conntrack_ipv4

# 检查加载的模块
lsmod | grep -e ipvs -e nf_conntrack_ipv4
# 或者
cut -f1 -d " "  /proc/modules | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4

在使用 ipvs 模式之前，还应在节点上安装ipset相关的软件包，如果不满足需求 kube-proxy 会回退到 iptables 的模式。

本地集群

在本地集群中 kube-proxy 默认会运行 iptables 的模式。
要使用 ipvs 模式，在启动集群之前需要导入KUBE_PROXY_MODE=ipvs的环境变量：

# 运行脚本 hack/local-up-cluster.sh 之前
export KUBE_PROXY_MODE=ipvs

GCE 集群

和本地集群一样，GCE 集群中的 kube-proxy 默认也是 iptables 模式，在启动集群之前同样需要导入环境变量KUBE_PROXY_MODE=ipvs:

# 运行前选择下面的一条命令启动集群:
# curl -sS https://get.k8s.io | bash
# wget -q -O - https://get.k8s.io | bash
# cluster/kube-up.sh
export KUBE_PROXY_MODE=ipvs

使用 kubeadm 搭建的集群

通过kubeadm部署的集群中 kube-proxy 同样默认是 iptables 模式。

如果你是通过配置文件来使用的 kubeadm，则可以在kubeProxy属性下面添加SupportIPVSProxyMode: true来启用 ipvs 模式：

kind: MasterConfiguration
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1alpha1
...
kubeProxy:
  config:
    mode: ipvs
...

然后执行初始化命令即可：

$ kubeadm init --config <path_to_configuration_file>

如果你使用的是 v1.8 版本的 kubernetes，你也可以在kubeadm init命令中增加--feature-gates=SupportIPVSProxyMode=true标志来来启用 ipvs 模式：

$ kubeadm init --feature-gates=SupportIPVSProxyMode=true

注意该参数在 v1.9 后已经弃用掉了

注意

如果成功启用了 ipvs 模式，你应该可以使用ipvsadm之类的工具看到如下的一些 ipvs 代理规则：

 # ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.0.0.1:443 rr persistent 10800
  -> 192.168.0.1:6443             Masq    1      1          0

或者在 kube-proxy 日志中可以看到如下的一些日志信息：

Using ipvs Proxier.

当没有这些 ipvs 代理规则或者出现了下面的这些日志信息的时候表明 kube-proxy 的 ipvs 模式启用失败了：

Can't use ipvs proxier, trying iptables proxier
Using iptables Proxier.

可以参考下面的调试方法进行错误信息排查

调试

检查 ipvs 代理规则

用户可以使用ipvsadm工具检查 kube-proxy 是否维护正确的 ipvs 规则，比如，我们在集群中有以下一些服务：

$ kubectl get svc --all-namespaces
NAMESPACE     NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)         AGE
default       kubernetes   ClusterIP   10.0.0.1     <none>        443/TCP         1d
kube-system   kube-dns     ClusterIP   10.0.0.10    <none>        53/UDP,53/TCP   1d

我们可以得到如下的一些 ipvs 代理规则：

 # ipvsadm -ln
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
  -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  10.0.0.1:443 rr persistent 10800
  -> 192.168.0.1:6443             Masq    1      1          0
TCP  10.0.0.10:53 rr
  -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0
UDP  10.0.0.10:53 rr
  -> 172.17.0.2:53                Masq    1      0          0

为什么 kube-proxy 无法启动 ipvs模式

可以使用下面的一些方法来帮助我们解决这些问题：

1. 启用 ipvs feature gate

对于 kubernetes v1.10 版本之后，feature gate SupportIPVSProxyMode已经被默认设置为true了，但是如果你是 v1.10 之前的版本，你需要手动设置--feature-gates=SupportIPVSProxyMode=true来启用该 feature。

2. 指定 proxy-mode=ipvs

检查 kube-proxy 的 model 是否被设置为了ipvs。

3. 安装需要的内核模块和软件包

检查 ipvs 需要的内核模块是否已经被编译进内核模块中，以及需要的软件包（可以参考前面的环境要求部分）

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如何在 Kubernetes 中启用 ipvs

ipvs vs. iptables

ipvs 依赖 iptables

kube-proxy 使用 ipvs 模式

要求

本地集群

GCE 集群

使用 kubeadm 搭建的集群

注意

调试

检查 ipvs 代理规则

为什么 kube-proxy 无法启动 ipvs模式

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