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<title>kube-proxy ipvs 模式源码分析 · 田飞雨</title>
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<ul class="summary">
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</li>
<li class="divider"></li>
<li class="chapter " data-level="1.1" data-path="../">
<a href="../">
<b>1.1.</b>
Introduction
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2" data-path="./">
<a href="./">
<b>1.2.</b>
kubernetes
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.2.1" data-path="kube_apiserver.html">
<a href="kube_apiserver.html">
<b>1.2.1.</b>
kube-apiserver 的设计与实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.2" data-path="apiserver_bootstrap_controller.html">
<a href="apiserver_bootstrap_controller.html">
<b>1.2.2.</b>
kube-apiserver 中 apiserver service 的实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.3" data-path="nodelifecycle_controller.html">
<a href="nodelifecycle_controller.html">
<b>1.2.3.</b>
node controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.4" data-path="job_controller.html">
<a href="job_controller.html">
<b>1.2.4.</b>
job controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.5" data-path="garbagecollector_controller.html">
<a href="garbagecollector_controller.html">
<b>1.2.5.</b>
garbage collector controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.6" data-path="daemonset_controller.html">
<a href="daemonset_controller.html">
<b>1.2.6.</b>
daemonset controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.7" data-path="statefulset_controller.html">
<a href="statefulset_controller.html">
<b>1.2.7.</b>
statefulset controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.8" data-path="deployment_controller.html">
<a href="deployment_controller.html">
<b>1.2.8.</b>
deployment controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.9" data-path="replicaset_controller.html">
<a href="replicaset_controller.html">
<b>1.2.9.</b>
replicaset controller 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.10" data-path="kube_scheduler_process.html">
<a href="kube_scheduler_process.html">
<b>1.2.10.</b>
kube-scheduler 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.11" data-path="kube_scheduler_algorithm.html">
<a href="kube_scheduler_algorithm.html">
<b>1.2.11.</b>
kube-scheduler predicates 与 priorities 调度算法源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.12" data-path="kube_scheduler_preempt.html">
<a href="kube_scheduler_preempt.html">
<b>1.2.12.</b>
kube-scheduler 优先级与抢占机制源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.13" data-path="k8s_service_theory.html">
<a href="k8s_service_theory.html">
<b>1.2.13.</b>
kubernetes service 原理解析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.14" data-path="kube_proxy_process.html">
<a href="kube_proxy_process.html">
<b>1.2.14.</b>
kube-proxy 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.15" data-path="kube_proxy_iptables.html">
<a href="kube_proxy_iptables.html">
<b>1.2.15.</b>
kube-proxy iptables 模式源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter active" data-level="1.2.16" data-path="kube_proxy_ipvs.html">
<a href="kube_proxy_ipvs.html">
<b>1.2.16.</b>
kube-proxy ipvs 模式源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.17" data-path="kubelet-modules.html">
<a href="kubelet-modules.html">
<b>1.2.17.</b>
kubelet 架构浅析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.18" data-path="kubelet_init.html">
<a href="kubelet_init.html">
<b>1.2.18.</b>
kubelet 启动流程分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.19" data-path="kubelet_create_pod.html">
<a href="kubelet_create_pod.html">
<b>1.2.19.</b>
kubelet 创建 pod 的流程
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.20" data-path="node_status.html">
<a href="node_status.html">
<b>1.2.20.</b>
kubelet 状态上报的方式
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.21" data-path="k8s_events.html">
<a href="k8s_events.html">
<b>1.2.21.</b>
kubelet 中事件处理机制
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.22" data-path="kubelet_status_manager.html">
<a href="kubelet_status_manager.html">
<b>1.2.22.</b>
kubelet statusManager 源码分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.23" data-path="kubelet_qos.html">
<a href="kubelet_qos.html">
<b>1.2.23.</b>
kubernetes 中 Qos 的设计与实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.24" data-path="kubelet_garbage_collect.html">
<a href="kubelet_garbage_collect.html">
<b>1.2.24.</b>
kubelet 中垃圾回收机制的设计与实现
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.25" data-path="k8s_evicted.html">
<a href="k8s_evicted.html">
<b>1.2.25.</b>
kubernetes 中 Evicted pod 是如何产生的
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.2.26" data-path="kubernetes_descheduler.html">
<a href="kubernetes_descheduler.html">
<b>1.2.26.</b>
Kubernetes 中 Descheduler 组件的使用与扩展
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3" data-path="../knative/">
<a href="../knative/">
<b>1.3.</b>
knative
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.3.1" data-path="../knative/deploy_with_minkube.html">
<a href="../knative/deploy_with_minkube.html">
<b>1.3.1.</b>
在 minkube 上部署 knative
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.3.2" data-path="../knative/knative_serving.html">
<a href="../knative/knative_serving.html">
<b>1.3.2.</b>
knative serving 组件分析
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4" data-path="../cgroup/">
<a href="../cgroup/">
<b>1.4.</b>
cgroup
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.4.1" data-path="../cgroup/blkio_cgroup.html">
<a href="../cgroup/blkio_cgroup.html">
<b>1.4.1.</b>
blkio cgroup
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.4.2" data-path="../cgroup/pid_cgroup.html">
<a href="../cgroup/pid_cgroup.html">
<b>1.4.2.</b>
pid cgroup
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.5" data-path="../go/">
<a href="../go/">
<b>1.5.</b>
go
</a>
<ul class="articles">
<li class="chapter " data-level="1.5.1" data-path="../go/func_return_value_or_pointer.html">
<a href="../go/func_return_value_or_pointer.html">
<b>1.5.1.</b>
golang 中函数使用值返回与指针返回的区别，底层原理分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.5.2" data-path="../go/golang_bootstrap.html">
<a href="../go/golang_bootstrap.html">
<b>1.5.2.</b>
Golang 程序启动流程分析
</a>
</li>
<li class="chapter " data-level="1.5.3" data-path="../go/golang_gpm.html">
<a href="../go/golang_gpm.html">
<b>1.5.3.</b>
Golang GPM 模型剖析
</a>
</li>
</ul>
</li>
<li class="divider"></li>
<li>
<a href="https://www.gitbook.com" target="blank" class="gitbook-link">
本书使用 GitBook 发布
</a>
</li>
</ul>
</nav>
</div>
<div class="book-body">
<div class="body-inner">
<div class="book-header" role="navigation">
<!-- Title -->
<h1>
<i class="fa fa-circle-o-notch fa-spin"></i>
<a href=".." >kube-proxy ipvs 模式源码分析</a>
</h1>
</div>
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<div id="book-search-results">
<div class="search-noresults">
<section class="normal markdown-section">
<ul>
<li><a href="#ipvs">ipvs</a><ul>
<li><a href="#ipvs-的负载均衡方式">ipvs 的负载均衡方式</a></li>
<li><a href="#ipvs-与-iptables-的区别与联系">ipvs 与 iptables 的区别与联系</a></li>
<li><a href="#ipset">ipset</a></li>
</ul>
</li>
<li><a href="#kube-proxy-ipvs-模式">kube-proxy ipvs 模式</a><ul>
<li><a href="#ipvs-模式的启用">ipvs 模式的启用</a></li>
<li><a href="#ipvs-模式下数据包的流向">ipvs 模式下数据包的流向</a></li>
<li><a href="#clusterip-访问方式">clusterIP 访问方式</a></li>
<li><a href="#nodeport-方式">nodePort 方式</a></li>
</ul>
</li>
<li><a href="#kube-proxy-ipvs-源码分析">kube-proxy ipvs 源码分析</a></li>
<li><a href="#总结">总结</a></li>
</ul>
<p>前几篇文章已经分析了 service 的原理以及 kube-proxy iptables 模式的原理与实现，本篇文章会继续分析 kube-proxy ipvs 模式的原理与实现。</p>
<h3 id="ipvs"><a name="ipvs" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#ipvs"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>ipvs</h3>
<p>ipvs (IP Virtual Server) 是基于 Netfilter 的，作为 linux 内核的一部分实现了传输层负载均衡，ipvs 集成在LVS(Linux Virtual Server)中，它在主机中运行，并在真实服务器集群前充当负载均衡器。ipvs 可以将对 TCP/UDP 服务的请求转发给后端的真实服务器，因此 ipvs 天然支持 Kubernetes Service。ipvs 也包含了多种不同的负载均衡算法，例如轮询、最短期望延迟、最少连接以及各种哈希方法等，ipvs 的设计就是用来为大规模服务进行负载均衡的。</p>
<h4 id="ipvs-的负载均衡方式"><a name="ipvs-的负载均衡方式" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#ipvs-的负载均衡方式"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>ipvs 的负载均衡方式</h4>
<p>ipvs 有三种负载均衡方式，分别为：</p>
<ul>
<li><a href="http://www.linuxvirtualserver.org/VS-NAT.html" target="_blank">NAT</a></li>
<li><a href="http://www.linuxvirtualserver.org/VS-IPTunneling.html" target="_blank">TUN</a></li>
<li><a href="http://www.linuxvirtualserver.org/VS-DRouting.html" target="_blank">DR</a></li>
</ul>
<p>关于三种模式的原理可以参考：<a href="http://www.tianfeiyu.com/?p=2010" target="_blank">LVS 配置小结</a>。</p>
<p>上面的负载均衡方式中只有 NAT 模式可以进行端口映射，因此 kubernetes 中 ipvs 的实现使用了 NAT 模式，用来将 service IP 和 service port 映射到后端的 container ip 和container port。</p>
<p>NAT 模式下的工作流程如下所示：</p>
<pre class="language-"><code> +--------+
| Client |
+--------+
(CIP) <-- Client's IP address
|
|
{ internet }
|
|
(VIP) <-- Virtual IP address
+----------+
| Director |
+----------+
(PIP) <-- (Director's Private IP address)
|
|
(RIP) <-- Real (server's) IP address
+-------------+
| Real server |
+-------------+
</code></pre><p>其具体流程为：当用户发起一个请求时，请求从 VIP 接口流入，此时数据源地址是 CIP，目标地址是 VIP，当接收到请求后拆掉 mac 地址封装后看到目标 IP 地址就是自己，按照正常流程会通过 INPUT 转入用户空间，但此时工作在 INPUT 链上的 ipvs 会强行将数据转到 POSTROUTING 链上，并根据相应的负载均衡算法选择后端具体的服务器，再通过 DNAT 转发给 Real server，此时源地址 CIP，目标地址变成了 RIP。</p>
<h4 id="ipvs-与-iptables-的区别与联系"><a name="ipvs-与-iptables-的区别与联系" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#ipvs-与-iptables-的区别与联系"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>ipvs 与 iptables 的区别与联系</h4>
<p><strong>区别</strong>：</p>
<ul>
<li>底层数据结构：iptables 使用链表，ipvs 使用哈希表</li>
<li>负载均衡算法：iptables 只支持随机、轮询两种负载均衡算法而 ipvs 支持的多达 8 种；</li>
<li>操作工具：iptables 需要使用 iptables 命令行工作来定义规则，ipvs 需要使用 ipvsadm 来定义规则。</li>
</ul>
<p>此外 ipvs 还支持 realserver 运行状况检查、连接重试、端口映射、会话保持等功能。</p>
<p><strong>联系</strong>：</p>
<p>ipvs 和 iptables 都是基于 <a href="https://www.netfilter.org/" target="_blank">netfilter内核模块</a>，两者都是在内核中的五个钩子函数处工作，下图是 ipvs 所工作的几个钩子函数：</p>
<p><img src="http://cdn.tianfeiyu.com/ipvs-1.png" alt="interactions between netfilter and LVS"></p>
<blockquote>
<p> 关于 kube-proxy iptables 与 ipvs 模式的区别，更多详细信息可以查看官方文档：<a href="https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/pkg/proxy/ipvs/README.md。" target="_blank">https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/pkg/proxy/ipvs/README.md。</a></p>
</blockquote>
<h4 id="ipset"><a name="ipset" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#ipset"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>ipset</h4>
<p>IP sets 是 Linux 内核中的一个框架，可以由 ipset 命令进行管理。根据不同的类型，IP set 可以以某种方式保存 IP地址、网络、(TCP/UDP)端口号、MAC地址、接口名或它们的组合，并且能够快速匹配。</p>
<p>根据官网的介绍，若有以下使用场景：</p>
<ul>
<li>在保存了多个 IP 地址或端口号的 iptables 规则集合中想使用哈希查找;</li>
<li>根据 IP 地址或端口动态更新 iptables 规则时希望在性能上无损；</li>
<li>在使用 iptables 工具创建一个基于 IP 地址和端口的复杂规则时觉得非常繁琐；</li>
</ul>
<p>此时，使用 ipset 工具可能是你最好的选择。</p>
<p>ipset 是 iptables 的一种扩展，在 iptables 中可以使用<code>-m set</code>启用 ipset 模块，具体来说，ipvs 使用 ipset 来存储需要 NAT 或 masquared 时的 ip 和端口列表。在数据包过滤过程中，首先遍历 iptables 规则，在定义了使用 ipset 的条件下会跳转到 ipset 列表中进行匹配。</p>
<h3 id="kube-proxy-ipvs-模式"><a name="kube-proxy-ipvs-模式" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#kube-proxy-ipvs-模式"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>kube-proxy ipvs 模式</h3>
<p>kube-proxy 的 ipvs 模式是在 2015 年由 k8s 社区的大佬 <strong><a href="https://github.com/thockin" target="_blank">thockin</a></strong> 提出的(<a href="https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/17470" target="_blank">Try kube-proxy via ipvs instead of iptables or userspace</a>)，在 2017 年由华为云团队实现的(<a href="https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/44063" target="_blank">Implement IPVS-based in-cluster service load balancing</a>)。前面的文章已经提到了，在<code>kubernetes</code> v1.8 中已经引入了 ipvs 模式。</p>
<p>kube-proxy 在 ipvs 模式下自定义了八条链，分别为 KUBE-SERVICES、KUBE-FIREWALL、KUBE-POSTROUTING、KUBE-MARK-MASQ、KUBE-NODE-PORT、KUBE-MARK-DROP、KUBE-FORWARD、KUBE-LOAD-BALANCER ，如下所示：</p>
<p>NAT 表：</p>
<p><img src="http://cdn.tianfeiyu.com/ipvs-2.png" alt=""></p>
<p>Filter 表：</p>
<p><img src="http://cdn.tianfeiyu.com/ipvs-3.png" alt=""></p>
<p>此外，由于 linux 内核原生的 ipvs 模式只支持 DNAT，不支持 SNAT，所以，在以下几种场景中 ipvs 仍需要依赖 iptables 规则：</p>
<ul>
<li>1、kube-proxy 启动时指定 <code>–-masquerade-all=true</code> 参数，即集群中所有经过 kube-proxy 的包都做一次 SNAT；</li>
<li>2、kube-proxy 启动时指定 <code>--cluster-cidr=</code> 参数；</li>
<li>3、对于 Load Balancer 类型的 service，用于配置白名单；</li>
<li>4、对于 NodePort 类型的 service，用于配置 MASQUERADE；</li>
<li>5、对于 externalIPs 类型的 service；</li>
</ul>
<p>但对于 ipvs 模式的 kube-proxy，无论有多少 pod/service，iptables 的规则数都是固定的。</p>
<h4 id="ipvs-模式的启用"><a name="ipvs-模式的启用" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#ipvs-模式的启用"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>ipvs 模式的启用</h4>
<p>1、首先要加载 IPVS 所需要的 kernel module</p>
<pre class="language-"><code>$ modprobe -- ip_vs
$ modprobe -- ip_vs_rr
$ modprobe -- ip_vs_wrr
$ modprobe -- ip_vs_sh
$ modprobe -- nf_conntrack_ipv4
$ cut -f1 -d " " /proc/modules | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4
</code></pre><p>2、在启动 kube-proxy 时，指定 proxy-mode 参数</p>
<pre class="language-"><code>--proxy-mode=ipvs
</code></pre><p>(如果要使用其他负载均衡算法，可以指定 <code>--ipvs-scheduler=</code> 参数，默认为 rr)</p>
<p>当创建 ClusterIP type 的 service 时，IPVS proxier 会执行以下三个操作：</p>
<ul>
<li>确保本机已创建 dummy 网卡，默认为 kube-ipvs0。为什么要创建 dummy 网卡？因为 ipvs netfilter 的 DNAT 钩子挂载在 INPUT 链上，当访问 ClusterIP 时，将 ClusterIP 绑定在 dummy 网卡上为了让内核识别该 IP 就是本机 IP，进而进入 INPUT 链，然后通过钩子函数 ip_vs_in 转发到 POSTROUTING 链；</li>
<li>将 ClusterIP 绑定到 dummy 网卡；</li>
<li>为每个 ClusterIP 创建 IPVS virtual servers 和 real server，分别对应 service 和 endpoints；</li>
</ul>
<p>例如下面的示例：</p>
<pre class="language-"><code>// kube-ipvs0 dummy 网卡
$ ip addr
......
4: kube-ipvs0: <span class="token tag"><span class="token tag"><span class="token punctuation"><</span>BROADCAST,NOARP</span><span class="token punctuation">></span></span> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default
link/ether de:be:c0:73:bc:c7 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.96.0.1/32 brd 10.96.0.1 scope global kube-ipvs0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet 10.96.0.10/32 brd 10.96.0.10 scope global kube-ipvs0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet 10.97.4.140/32 brd 10.97.4.140 scope global kube-ipvs0
valid_lft forever preferred_lft forever
......
// 10.97.4.140 为 CLUSTER-IP 挂载在 kube-ipvs0 上
$ kubectl get svc
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
tenant-service ClusterIP 10.97.4.140 <span class="token tag"><span class="token tag"><span class="token punctuation"><</span>none</span><span class="token punctuation">></span></span> 7000/TCP 23s
// 10.97.4.140 后端的 realserver 分别为 10.244.1.2 和 10.244.1.3
$ ipvsadm -L -n
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 10.97.4.140:7000 rr
-> 10.244.1.2:7000 Masq 1 0 0
-> 10.244.1.3:7000 Masq 1 0 0
</code></pre><h4 id="ipvs-模式下数据包的流向"><a name="ipvs-模式下数据包的流向" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#ipvs-模式下数据包的流向"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>ipvs 模式下数据包的流向</h4>
<h4 id="clusterip-访问方式"><a name="clusterip-访问方式" class="anchor-navigation-ex-anchor" href="#clusterip-访问方式"><i class="fa fa-link" aria-hidden="true"></i></a>clusterIP 访问方式</h4>
<pre class="language-"><code>PREROUTING --> KUBE-SERVICES --> KUBE-CLUSTER-IP --> INPUT --> KUBE-FIREWALL --> POSTROUTING
</code></pre><ul>
<li>首先进入 PREROUTING 链</li>
<li>从 PREROUTING 链会转到 KUBE-SERVICES 链，10.244.0.0/16 为 ClusterIP 网段</li>
<li>在 KUBE-SERVICES 链打标记</li>
<li>从 KUBE-SERVICES 链再进入到 KUBE-CLUSTER-IP 链</li>
<li>KUBE-CLUSTER-IP 为 ipset 集合，在此处会进行 DNAT</li>
<li>然后会进入 INPUT 链</li>
<li>从 INPUT 链会转到 KUBE-FIREWALL 链，在此处检查标记</li>
<li>在 INPUT 链处，ipvs 的 LOCAL_IN Hook 发现此包在 ipvs 规则中则直接转发到 POSTROUTING 链</li>
</ul>
<pre class="language-"><code>-A PREROUTING -m comment --comment "kubernetes service portals" -j KUBE-SERVICES
-A KUBE-SERVICES ! -s 10.244.0.0/16 -m comment --comment "Kubernetes service cluster ip + port for masquerade purpose" -m set --match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst -j KUBE-MARK-MASQ
// 执行完 PREROUTING 规则,数据打上0x4000/0x4000的标记