序言

继上一篇博客KubeProxy：IPtables 模式之后，这篇博客介绍 kube-proxy 的第二种工作模式 ipvs。

在 iptables 工作模式下，iptables 中 KUBE-SEP-XXX 链上规则和 Pod 数量成正比，当集群规模增大（10000个Pod以上）时每个 k8s 节点上 iptables 规则会快速上升，从而影响集群 Service 的连接速度以及 CPU 资源消耗。

为了应对大集群中 iptables 模式的性能问题，kubernetes v1.8 中引入了 ipvs 模式。ipvs 模式在 v1.9 中处于 beta 阶段，在 v1.11 中已经正式可用了。

ipvs 和 iptables 都是基于 netfilter，但 ipvs 具有以下优势：

  • ipvs 连接复杂度为 O(1)，而 IPtables 为 O(n)
  • 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 模式中参与数据转发的内核工具包括：

  • ipvs：将数据包 DNAT
  • iptables：将数据包 DROP、masquared（ipvs模式中，iptables 规则数量是恒定的）
  • ipset：iptables 的辅助工具

IPVS

ipvs 两个部分组成，分别是用户空间的管理工具 ipvsadm 以及运行在内核中 ipvs 模块。

如果抛开细节 kube-proxy 在 ipvs 模式下的工作实际上非常简单，下面我们模仿 kube-proxy 在一个节点上创建一个 VIP。 通过这个这个VIP，我们可以负载均衡一个kubernetes 集群的 kube-apiserver。

主机A的地址为 172.24.37.57，vip 为 10.103.97.2:6789，kube-apiserver 地址包括以下三个：

  • 172.28.126.39:6443
  • 172.28.126.40:6443
  • 172.28.126.41:6443

在主机A上通过 ipvsadm 创建 ipvs 服务，并关联 Real Server（RS）：

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# 创建 server
ipvsadm -A -t 10.103.97.2:6789 -s rr

# 管理 Real Service
ipvsadm -a -t 10.103.97.2:6789 -r 172.28.126.39:6443 -m
ipvsadm -a -t 10.103.97.2:6789 -r 172.28.126.40:6443 -m
ipvsadm -a -t 10.103.97.2:6789 -r 172.28.126.41:6443 -m

# 添加NAT
iptables -t nat -A POSTROUTING -m ipvs --vaddr 10.103.97.2 --vport 6789 -j MASQUERADE
# 绑定VIP到一张 dummy 网卡
ip link add ipvs0 type dummy
ip addr add 10.103.97.2/32 dev ipvs0
# 开启 contrack
echo 1 >  /proc/sys/net/ipv4/vs/conntrack

通过上述命令，即可实现主机A上对三个kube-apisever的负载均衡访问。

kube-proxy 通过 kube-apiserver 获取集群中所有的 Service 和 Endpoint 信息，在每个节点上创建 ipvs service/real server。

ipvs 包含 tunnel（ipip）、direct、nat 三中工作模式，kube-proxy 基于 nat 模式工作。参考：https://blog.csdn.net/qq_15437667/article/details/50644594

HOOK 位置

了解了 kube-proxy 的工作原理，我们可以稍稍挖掘一些细节。

ipvs 基于 netfilter 框架工作，工作原理同样基于在 TCP/IP 协议栈中注入钩子函数，那么 ipvs 的 hook 函数在 TCP/IP 协议栈的那些位置？

为了探明真相我在网上查了非常多的资料，但是并没有发现找到非常满意的答案。

绝大多数文章中 ipvs 在 NF_INET_FORWARD、NF_INET_FORWARD、NF_INET_POST_ROUTING 中添加了 hook 函数，如下图：

参考-1：https://github.com/liexusong/linux-source-code-analyze/blob/master/lvs-principle-and-source-analysis-part2.md

参考-2：https://blog.csdn.net/raintungli/article/details/39051435

上述文章都只分析了接收数据包的场景，并没有分析发送数据包的场景（即在 ipvs 网关机器上访问 vip）。

结合访问 service 的几种情形，我们可以梳理出以下场景：

id Src Dst 经过的链路
1 k8s node ClusterIP/NodePort OUTPUT -> POSTROUTING ？？？
2 集群外 node NodePort PREROUTING -> INPUT -> ipvs nat -> POSTROUTING
3 Pod NodePort/ClusterIP PREROUTING -> INPUT -> ipvs nat -> POSTROUTING

kube-proxy 在 node 上创建了一张 dummy 网卡（kube-ipvs0），使所有访问 ClusterIP 数据包能够在 INPUT Chain 上被 DNAT，上述场景中 2、3 正式这种情况。

场景1中数据包从本机 OUTPUT 发出并没有经过 INPUT 发生 DNAT，但实际情况是在 k8s node 主机上直接通过 ClusterIP/本机IP:NodePort，依然是可以正常访问到Pod和实际不符。

查阅了[ Linux Master 分支上的最新内核代码]（https://github.com/torvalds/linux/blob/master/net/netfilter/ipvs/ip_vs_core.c）最新的代码，发现在 2010 年 ipvs 已经移除了 NF_INET_POSTROUTING HOOK 点，并且在 NF_INET_LOCAL_OUT 添加了新 HOOK 用于支持 IPVS 的 LocalNode 功能。

因此上述场景1中，我的疑问或许可以通过这个改动得以解释，即OUTPUT 链上或许 ipvs 同样具有 dnat 能力！

提交记录：https://github.com/torvalds/linux/commit/cf356d69db0afef692cd640917bc70f708c27f14，https://github.com/torvalds/linux/commit/cb59155f21d4c0507d2034c2953f6a3f7806913d

IPtables

在 ipvs 模式下，kube-proxy 依然使用 iptables 进行 SNAT/MASQUERADE，并且借助 ipset 工具通过 hash 的方式快速识别访问 Service。在这种情况下，kube-proxy 在 iptables 中注入的规则数量是固定不变的包括以下：

数据包入口：OUTPUT/PREROUTING，流量被导入到自定义链 KUBE-SERVICES。

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

自定义链 KUBE-SERVICES 中数据包被进行分类，其中第一条规则和第三条规则中 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst 的含义就是数据包 dst 包含在 ipset 的 KUBE-CLUSTER-IP 字典中时命中改规则，此时流量在 KUBE-MARK-MASQ 链中被打上 MASQUERADE 标记，然后直接进入 INPUT/OUTPUT chain 中的 ipvs 进行 DNAT。

其余访问本地网卡的流量，则进入 KUBE-NODE-PORT 链。

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Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target          prot opt source               destination         
KUBE-MARK-MASQ  all  -- !10.233.64.0/18       0.0.0.0/0            /* Kubernetes service cluster ip + port for masquerade purpose */ match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
KUBE-NODE-PORT  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ADDRTYPE match dst-type LOCAL
ACCEPT          all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst

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

KUBE-NODE-PORT 链主要用于处理 externalTrafficPolicy 逻辑，其中 KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP 字典记录 Local 模式的 NodePort， 而 KUBE-NODE-PORT-TCP 字典记录了全量 NoderPort。可以看到 Local 模式的数据包没有经过 KUBE-MARK-MASQ 即没有标记 MASQUERADE 。

访问 NodePort 流量会经过 OUTPUT/PREROUTING 上的其他规则，最后进入 ipvs 进行 DNAT。

PS：iptables 模式中由于 DNAT 在 iptables 上完成后直接进入 next chain，因此访问 NodePort 的数据包无法走完整的 PREROUTING、OUTPUT chain 导致 firewalld 防火墙规则失效，而在 ipvs 模式下并不存在这种问题。

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Chain KUBE-NODE-PORT (1 references)
target          prot opt source               destination         
RETURN          tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* Kubernetes nodeport TCP port with externalTrafficPolicy=local */ match-set KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP dst
KUBE-MARK-MASQ  tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* Kubernetes nodeport TCP port for masquerade purpose */ match-set KUBE-NODE-PORT-TCP dst

经过 ipvs 转发的数据包，最后由 POSTROUTING 进入 MASQUERADE 。

A 访问 B 时，如果数据包（SRC：A，DST：B）在 B 上发生了 DNAT（SRC：A，DST：C），则 C 发出的应答包为（SRC：C，DST：A），由于 C 可能和 A 不是同一个子网因此包可能无法送达。

上述场景中需要进行 SNAT，整个流程变为 （SRC：A，DST：B）-> B(DNAT and SNAT) -> （SRC：B，DST：C） -> C应答 ->（SRC：C，DST：B）-> B ->（SRC：B，DST：A) -> A

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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-POSTROUTING (1 references)
target      prot opt source               destination         
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* Kubernetes endpoints dst ip:port, source ip for solving hairpin purpose */ match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src
RETURN      all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            mark match ! 0x4000/0x4000
MARK        all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK xor 0x4000
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */

将上述流程绘制成图如下：

参考文档