k8s service如何实现流量转发

1 基本概念

Service：在Kubernetes（K8s）中，Service用于将流量转发到后端的Pod中。Service提供了一种稳定的网络入口，尽管后端的Pod可能会动态改变

kube-proxy: kube-proxy是Kubernetes集群中的核心组件之一，它运行在每个节点上，负责实现Service的流量负载均衡。kube-proxy有两种转发模式：iptables、ipvs

2 转发模式对比

	iptables	ipvs
原理	工作在 Linux 内核的netfilter框架上，使用链和规则的机制来匹配和处理网络流量。它通过顺序规则匹配实现流量转发，适用于小规模集群，但随着规则数量增加，性能会下降	基于内核的 LVS 框架，通过哈希表快速查找和转发流量，支持丰富的负载均衡算法，适合大规模集群和高流量应用场景
性能	如果规模较大，会导致规则较多，遍历规则较慢，从而影响性能	IPVS 使用哈希表来存储和查找规则，而不是像 IPtables 那样线性匹配，因此即使有大量规则，其查找速度也非常快
调度规则	随机算法，仅支持轮询	提供多种策略（轮询、最少连接、源地址哈希等）

如何选择？
小规模集群或对负载均衡要求不高的集群可以选择 IPtables，不需要特殊内核模块，所有Linux发行版都支持；而对于需要高性能、复杂负载均衡策略和大规模集群的环境，IPVS 是更为理想的选择

3 实现原理详解

下面以一个简单的案例深入说明：
目前k8s上创建一个service指向后端 3副本的 deployment，具体是如何实现流量转发到pod的。

假设以下信息：
Service 名称: app1
Service ClusterIP: 10.96.0.10
Service Port: 80
后端 Pod IPs:
Pod 1: 10.0.0.2 (Pod1)
Pod 2: 10.0.0.3 (Pod2)
Pod 3: 10.0.0.4 (Pod3)
Pod 容器端口: 8080（假设每个 Pod 的应用都监听端口 8080）

3.1 iptables

当 kube-proxy 发现服务 app1 和它的后端 Pod 时，它会动态生成以下的 iptables 规则：

1、捕获流量并跳转到服务链

在 NAT 表中的 PREROUTING 链和 OUTPUT 链（用于本节点流量），创建规则来匹配目标 IP 为 app1 服务的流量，并引导到一个服务链，如 KUBE-SVC-XXXXXX。

# PREROUTING 链捕获目标为 app1 的流量，并跳转到服务链
iptables -t nat -A PREROUTING -d 10.96.0.10/32 -p tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-XXXXXX# OUTPUT 链处理集群内发往 app1 服务的流量
iptables -t nat -A OUTPUT -d 10.96.0.10/32 -p tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-XXXXXX

2、服务链处理负载均衡

KUBE-SVC-XXXXXX 是一个虚拟服务链，它对应 app1 的 ClusterIP 和端口。在这个链中，kube-proxy 创建规则来随机分发流量到 3 个后端 Pod。

# 随机选择一个 Pod，负载均衡到后端 Pod1
iptables -t nat -A KUBE-SVC-XXXXXX -m statistic --mode random --probability 0.33 -j KUBE-SEP-YYYYYY# 如果未命中第一个规则，随机选择 Pod2
iptables -t nat -A KUBE-SVC-XXXXXX -m statistic --mode random --probability 0.5 -j KUBE-SEP-ZZZZZZ# 如果前两个规则都未命中，则选择 Pod3
iptables -t nat -A KUBE-SVC-XXXXXX -j KUBE-SEP-WWWWWW

3、后端 Pod 规则链（DNAT 转换）

对于每个后端 Pod，kube-proxy 都会为其创建一个 KUBE-SEP-* 链（Service Endpoint 链），这些链中的规则负责将目标地址转换为对应 Pod 的 IP 和端口。

# Pod1 规则链（对应 IP 10.0.0.2 和端口 8080）
iptables -t nat -A KUBE-SEP-YYYYYY -p tcp -m tcp --dport 80 -j DNAT --to-destination 10.0.0.2:8080# Pod2 规则链（对应 IP 10.0.0.3 和端口 8080）
iptables -t nat -A KUBE-SEP-ZZZZZZ -p tcp -m tcp --dport 80 -j DNAT --to-destination 10.0.0.3:8080# Pod3 规则链（对应 IP 10.0.0.4 和端口 8080）
iptables -t nat -A KUBE-SEP-WWWWWW -p tcp -m tcp --dport 80 -j DNAT --to-destination 10.0.0.4:8080