前言
本文通过两个简单的服务之间的访问，结合tcpdump抓包，详细分析下在IPVS模式下，kubernetes实现通过服务名称访问NodePort、ClusterIp类型的service的原理。
当然kubernetes网络实现牵扯到很多知识，特别是对Linux低层的模块的各种调用，如果对Linux中的网络命名空间、eth设备对、网桥等模块不熟悉的话，可以先参考下另一篇文章Docker 网络,之后也可以看下另一篇文件Kubernetes kube-proxy来了解下kube-proxy的IPVS模式
本文环境基于flannel网络插件，具体搭建参考kubernetes安装-二进制
集群环境
| 角色 | 系统 | CPU Core | 内存 | 主机名称 | ip | 安装组件 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| master | 18.04.1-Ubuntu | 4 | 8G | master | 192.168.0.107 | kubectl,kube-apiserver,kube-controller-manager,kube-scheduler,etcd,flannald，kubelet,kube-proxy |
| slave | 18.04.1-Ubuntu | 4 | 4G | slave | 192.168.0.114 | docker,flannald,kubelet,kube-proxy,coredns |
拓扑图
节点路由信息
master节点
$ route -n -v 内核 IP 路由表 目标 网关 子网掩码 标志 跃点 引用 使用 接口 0.0.0.0 192.168.0.1 0.0.0.0 UG 600 0 0 wlp3s0 169.254.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 1000 0 0 wlp3s0 172.17.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 0 0 0 br-471858815e83 172.30.22.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 docker0 172.30.78.0 172.30.78.0 255.255.255.0 UG 0 0 0 flannel.1 192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 600 0 0 wlp3s0slave节点
route -v -n 内核 IP 路由表 目标 网关 子网掩码 标志 跃点 引用 使用 接口 0.0.0.0 192.168.0.1 0.0.0.0 UG 600 0 0 wlo1 169.254.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 1000 0 0 wlo1 172.30.22.0 172.30.22.0 255.255.255.0 UG 0 0 0 flannel.1 172.30.78.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 docker0 192.168.0.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 600 0 0 wlo1
镜像准备
web镜像
用spring boot启动了一个web服务,监听8080端口，里面提供一个方法 /header/list，调用这个方法后，会把调用者地址相关信息输出出来
@RequestMapping("/header/list") public String listHeader(HttpServletRequest request) { log.info("host is" + request.getHeader("host")); log.info("remoteAddr is " + request.getRemoteHost()); log.info("remotePort is " + request.getRemotePort()); return "OK"; }curl镜像
基于 alpine镜像，只安装了一个curl命令，使我们可以通过这个命令访问web服务
FROM alpine:latest RUN apk update RUN apk add --upgrade curl
为节点添加label
为了控制pod启动到指定的节点完成下面的分析，给两个节点分别添加不同的label
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$ kubectl label nodes master sample=master
node/master labeled
$ kubectl label nodes slave sample=slave
node/slave labeled
例子1
web服务的curl服务对应的pod都在master节点上，由拓扑图可知，此次访问通信只用经过master 节点上的docker0网桥即可实现
编写web服务启动文件
$ cat > web.yml <<EOF apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: clientip spec: #type: NodePort selector: app: clientip ports: - name: http port: 8080 targetPort: 8080 #nodePort: 8086 --- apiVersion: apps/v1 kind: Deployment metadata: name: clientip-deployment spec: selector: matchLabels: app: clientip replicas: 1 template: metadata: labels: app: clientip spec: nodeSelector: sample: master containers: - name: clientip image: 192.168.0.107/k8s/client-ip-test:0.0.2 ports: - containerPort: 8080 EOF编写启动 curl pod的文件
$ cat > pod_curl.yml <<EOF apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: curl spec: containers: - name: curl image: 192.168.0.107/k8s/curl:1.0 command: - sleep - "3600" nodeSelector: sample: master EOF启动服务
$ kubectl create -f web.yml -f pod_curl.yml $ kubectl get pod -o wide NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES clientip-deployment-5d8b5dcb46-qprps 1/1 Running 0 4s 172.30.22.4 master <none> <none> curl 1/1 Running 0 9s 172.30.22.3 master <none> <none> $ kubectl get svc NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE clientip ClusterIP 10.254.0.30 <none> 8080/TCP 51s kubernetes ClusterIP 10.254.0.1 <none> 443/TCP 25d可以看到，两个服务服务都正常启动起来，并启动在master节点上
启动监听master节点上docker0、flannel.1设备
$ tcpdump -n -vv -i docker0 $ tcpdump -n -vv -i flannel.1- 在curl 容器中访问clientip 这个web服务
$ kubectl exec -it curl curl http://clientip:8080/header/list OK监控日志分析
web 服务日志
2020-03-06 08:29:05.447 INFO 6 --- [nio-8080-exec-1] c.falcon.clientip.ClientIpController : host isclientip:8080 2020-03-06 08:29:05.447 INFO 6 --- [nio-8080-exec-1] c.falcon.clientip.ClientIpController : remoteAddr is 172.30.22.3 2020-03-06 08:29:05.447 INFO 6 --- [nio-8080-exec-1] c.falcon.clientip.ClientIpController : remotePort is 42000- 请求remoteAddr IP 172.30.22.3对应curl pod的IP地址
docker0网络监控(只摘录了主要流程的日志）
172.30.22.3.47980 > 10.254.0.2.53: [bad udp cksum 0xcd6e -> 0xdae6!] 22093+ A? clientip.default.svc.cluster.local. (52) ... 10.254.0.2.53 > 172.30.22.3.47980: [udp sum ok] 22093*- q: A? clientip.default.svc.cluster.local. 1/0/0 clientip.default.svc.cluster.local. A 10.254.0.30 (102) ... 172.30.22.3.42000 > 10.254.0.30.8080: Flags [P.], cksum 0xcdbb (incorrect -> 0x95b1), seq 0:88, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 3200284558 ecr 1892112994], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 Host: clientip:8080 User-Agent: curl/7.67.0 Accept: */* ... 172.30.22.3.42000 > 172.30.22.4.8080: Flags [P.], cksum 0x84c2 (incorrect -> 0xdeaa), seq 1:89, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 3200284558 ecr 1892112994], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 Host: clientip:8080 User-Agent: curl/7.67.0 Accept: */* ... 172.30.22.4.8080 > 172.30.22.3.42000: Flags [P.], cksum 0x84dd (incorrect -> 0xe64b), seq 1:116, ack 89, win 502, options [nop,nop,TS val 1892113104 ecr 3200284558], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200 Content-Type: text/plain;charset=UTF-8 Content-Length: 2 Date: Fri, 06 Mar 2020 08:29:05 GMT OK[!http]- 第一条 通过47980端口向DNS服务器发起解析域名clientip.default.svc.cluster.local的请求
- 第二条 DNS服务解析出clientip.default.svc.cluster.local对应的IP是10.254.0.30
- 第三条通过42000端口 向10.254.0.30:8080 发出请求
- 请求10.254.0.30:8080在input链上被IPVS匹配，因为10.254.0.30是service的ClusterIp，IPVS匹配成功，采用NAT机制将目的地址转换成172.30.22.4.8080，进入postrouting，master节点上的路由信息发现发往172.30.22.4的请求还是通过docker0网络设备发送，所以在docker0上又收到了第四条记录，即向真实服务172.30.22.4.8080发起的请求
- 第五条记录 真实的web服务172.30.22.4在完成处理后直接将结果返回到了172.30.22.3中，没有经过IPVS的mssq
观察flannel.1设备的输出，此时是不会出现和请求172.30.22.4相关的信息，此处略去
例子2
curl服务对应的pod在master节点上，web服务对应的pod在slave节点上，由拓扑图可知，这时要完成从curl的pod内部访问到web服务依次要经过 master.docker0->master.flannel.1->master.wlp3s0->slave.wlo1->slave.flannel.1->slave.docker0
修改web的启动文件，将nodeSelector的值修改成sample=slave，重新启动web应用
$ kubectl get pod -o wide NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES clientip-deployment-68c57b7965-pmwp2 1/1 Running 0 33s 172.30.78.3 slave <none> <none> curl 1/1 Running 0 48m 172.30.22.3 master <none> <none> $ kubectl get svc NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE clientip ClusterIP 10.254.167.63 <none> 8080/TCP 94s kubernetes ClusterIP 10.254.0.1 <none> 443/TCP 25d日志监控
监控web服务的日志
$ kubectl logs -f clientip-deployment-68c57b7965-pmwp2监控master各个网络设备的日志
$ tcpdump -n -vv -i docker0 $ tcpdump -n -vv -i flannel.1 $ tcpdump -n -vv -i wlp3s0监控slave节点各个网络设备日志
$ tcpdump -n -vv -i docker0 $ tcpdump -n -vv -i flannel.1 $ tcpdump -n -vv -i wlo1
监控日志分析
web日志
2020-03-07 11:13:22.384 INFO 6 --- [nio-8080-exec-3] c.falcon.clientip.ClientIpController : host isclientip:8080 2020-03-07 11:13:22.384 INFO 6 --- [nio-8080-exec-3] c.falcon.clientip.ClientIpController : remoteAddr is 172.30.22.3 2020-03-07 11:13:22.384 INFO 6 --- [nio-8080-exec-3] c.falcon.clientip.ClientIpController : remotePort is 51596- 对应的远端IP是172.30.22.3，就是我们发起请求的curl pod对应的IP
master网络设备的日志分析（只展示主要流程，tcp握手过程略去）
docker0设备
... 11:13:22.346481 IP (tos 0x0, ttl 64, id 28047, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 80) 172.30.22.3.35482 > 10.254.0.2.53: [bad udp cksum 0xcd6e -> 0x55df!] 3111+ A? clientip.default.svc.cluster.local. (52) ... 11:13:22.355447 IP (tos 0x0, ttl 62, id 34179, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 130) 10.254.0.2.53 > 172.30.22.3.35482: [udp sum ok] 3111*- q: A? clientip.default.svc.cluster.local. 1/0/0 clientip.default.svc.cluster.local. A 10.254.167.63 (102) ... 11:13:22.359009 IP (tos 0x0, ttl 64, id 23895, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 140) 172.30.22.3.51596 > 10.254.167.63.8080: Flags [P.], cksum 0x74dd (incorrect -> 0x0f66), seq 1:89, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 56684247 ecr 2651496809], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 Host: clientip:8080 User-Agent: curl/7.67.0 Accept: */* ... 11:13:22.372907 IP (tos 0x0, ttl 62, id 63303, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 10.254.167.63.8080 > 172.30.22.3.51596: Flags [P.], cksum 0x077c (correct), seq 1:116, ack 89, win 502, options [nop,nop,TS val 2651496823 ecr 56684247], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200 Content-Type: text/plain;charset=UTF-8 Content-Length: 2 Date: Sat, 07 Mar 2020 03:13:22 GMT OK[!http]- 第一条 向DNS服务器发起解析域名clientip.default.svc.cluster.local的请求
- 第二条 DNS服务解析出clientip.default.svc.cluster.local对应的IP是10.254.167.63
- 第三条 向10.254.167.63:8080 发出请求
- 第四条记录 从10.254.167.63:8080返回的信息传递给了172.30.22.3.51596
返回信息是从10.254.167.63:8080发回来的，和发出去的路径是一致的，在返回时IPVS的masq（SNAT），将真实服务器地址转换成了虚拟地址
flannel.1网络设备
11:13:22.359020 IP (tos 0x0, ttl 63, id 23895, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 140) 172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080: Flags [P.], cksum 0xbcc1 (incorrect -> 0xc781), seq 1:89, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 56684247 ecr 2651496809], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 Host: clientip:8080 User-Agent: curl/7.67.0 Accept: */* ... 11:13:22.372887 IP (tos 0x0, ttl 63, id 63303, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596: Flags [P.], cksum 0xbf97 (correct), seq 1:116, ack 89, win 502, options [nop,nop,TS val 2651496823 ecr 56684247], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200 Content-Type: text/plain;charset=UTF-8 Content-Length: 2 Date: Sat, 07 Mar 2020 03:13:22 GMT OK[!http]- 第一条172.30.22.3发出的请求，通过51596端口，向真实的服务器172.30.78.3.8080发起请求，
- 第二条，真实的服务器返回响应信息给172.30.22.3.51596
wlp3s0网卡(物理网卡）
... 11:13:22.359026 IP (tos 0x0, ttl 64, id 22491, offset 0, flags [none], proto UDP (17), length 190) 192.168.0.107.33404 > 192.168.0.114.8472: [udp sum ok] OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1 IP (tos 0x0, ttl 63, id 23895, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 140) 172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080: Flags [P.], cksum 0xc781 (correct), seq 1:89, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 56684247 ecr 2651496809], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 Host: clientip:8080 User-Agent: curl/7.67.0 Accept: */* ... 11:13:22.372815 IP (tos 0x0, ttl 64, id 57065, offset 0, flags [none], proto UDP (17), length 217) 192.168.0.114.43021 > 192.168.0.107.8472: [udp sum ok] OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1 IP (tos 0x0, ttl 63, id 63303, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596: Flags [P.], cksum 0xbf97 (correct), seq 1:116, ack 89, win 502, options [nop,nop,TS val 2651496823 ecr 56684247], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200 Content-Type: text/plain;charset=UTF-8 Content-Length: 2 Date: Sat, 07 Mar 2020 03:13:22 GMT OK[!http]- 第一条 172.30.22.3.51596向172.30.78.3.8080发出的请求，封装到了udp数据包的内部，通过物理网卡通道192.168.0.107.33404 > 192.168.0.114.8472进行传输
- 第二条 从172.30.78.3.8080向172.30.22.3.51596的返回信息，封装到了udp数据包的内部，通过物理网卡通道192.168.0.114.43021 > 192.168.0.107.8472进行传输
master节点上数据传输总结(通过抓包中的时间分析出数据到达各个设备的先后顺序,红色方块curl开始）
- 发送流程
- 发起请求的pod向DNS服务器发出请求，查找clientip对应的IP地址
- 找到IP后向对应的地址发送真实的请求
- 因为这个IP地址是一个service的ClusterIP，会绑定到kubernetes为每一台节点机器创建的dummy设备kube-ipvs0上，所以宿主机会认为这是一个本机IP，进入内核的input链
- IPVS在input链上对这个ClusterIP进行判断，发现是一个集群服务，会执行DNAT，找到一个真实的后端服务(172.30.78.3.8080),将请求目的地址转换成这个真实服务，之后将请求跳转到内核的POSTROUTING链上
- 在路由选择阶段，根据master节点的路由规则，发现发往172.30.78.0/24的请求要经过flannel.1网络设备，所以flannel.1网络设备中有了172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080的请求信息
- flannel1.1网络设备，通过flanneld，查找到172.30.78.3.8080所在的物理节点，将数据包重新包装成，追加outerIp、port信息（192.168.0.114.8472）
- 此时再根据路由规则，发往192.168.0.114的请求需经过wlp3s0网卡，所以wlp3s0上收到了192.168.0.107.33404 > 192.168.0.114.8472的请求包，请求正式发送出去
- 接收流程
- wlp3s0网卡上接收到192.168.0.114.43021返回的信息
- 因为是一个vxlan格式的数据包，所以会丢个flanneld处理，将outerIp、Port信息去除，得到内部的tcp请求信息172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596
- 之后flanneld发请求信息转发送给flannel1.1网络设备，所以flannel1.1网络设备上我们能监听到172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596的数据包。当数据到达INPUT时，IPVS开始工作，此时IPVS判断出此报文是之前发出请求的响应，继而进行SNAT（在IPVS源码块的handle_response，对于tcp协议是tcp_snat_handler函数中处理），将返回请求的源地址转换成真实服务对应的虚拟服务地址，即10.254.167.63.8080，之后使用函数ip_vs_route_me_harder进行重新路由，
- 根据路由规则，发往172.30.22.3.51596的数据包，要经过docker0网络设备，所以我们在docker0设备上看到了10.254.167.63.8080 > 172.30.22.3.51596的数据包
- 发送流程
slave节点上网络设备的日志分析（只展示主要流程，tcp握手过程略去）
docker0设备
... 11:13:22.379401 IP (tos 0x0, ttl 62, id 23895, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 140) 172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080: Flags [P.], cksum 0xc781 (correct), seq 1:89, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 56684247 ecr 2651496809], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 ... 11:13:22.389173 IP (tos 0x0, ttl 64, id 63303, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596: Flags [P.], cksum 0xbcdc (incorrect -> 0xbf97), seq 1:116, ack 89, win 502, options [nop,nop,TS val 2651496823 ecr 56684247], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200- 第一条172.30.22.3发出的请求，通过51596端口，向真实的服务器172.30.78.3.8080发起请求，
- 第二条，真实的服务器返回响应信息给172.30.22.3.51596
flannel.1设备
11:13:22.379392 IP (tos 0x0, ttl 63, id 23895, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 140) 172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080: Flags [P.], cksum 0xc781 (correct), seq 1:89, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 56684247 ecr 2651496809], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 Host: clientip:8080 User-Agent: curl/7.67.0 Accept: */* ... 11:13:22.389192 IP (tos 0x0, ttl 63, id 63303, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596: Flags [P.], cksum 0xbcdc (incorrect -> 0xbf97), seq 1:116, ack 89, win 502, options [nop,nop,TS val 2651496823 ecr 56684247], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200 Content-Type: text/plain;charset=UTF-8 Content-Length: 2 Date: Sat, 07 Mar 2020 03:13:22 GMT OK[!http]- 第一条172.30.22.3发出的请求，通过51596端口，向真实的服务器172.30.78.3.8080发起请求，
- 第二条，真实的服务器返回响应信息给172.30.22.3.51596
wlo1网卡
11:13:22.379300 IP (tos 0x0, ttl 64, id 22491, offset 0, flags [none], proto UDP (17), length 190) 192.168.0.107.33404 > 192.168.0.114.8472: [udp sum ok] OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1 IP (tos 0x0, ttl 63, id 23895, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 140) 172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080: Flags [P.], cksum 0xc781 (correct), seq 1:89, ack 1, win 507, options [nop,nop,TS val 56684247 ecr 2651496809], length 88: HTTP, length: 88 GET /header/list HTTP/1.1 Host: clientip:8080 User-Agent: curl/7.67.0 Accept: */* ... 11:13:22.389223 IP (tos 0x0, ttl 64, id 57065, offset 0, flags [none], proto UDP (17), length 217) 192.168.0.114.43021 > 192.168.0.107.8472: [udp sum ok] OTV, flags [I] (0x08), overlay 0, instance 1 IP (tos 0x0, ttl 63, id 63303, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596: Flags [P.], cksum 0xbf97 (correct), seq 1:116, ack 89, win 502, options [nop,nop,TS val 2651496823 ecr 56684247], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200 Content-Type: text/plain;charset=UTF-8 Content-Length: 2 Date: Sat, 07 Mar 2020 03:13:22 GMT OK[!http] ...- 第一条 172.30.22.3.51596向172.30.78.3.8080发出的请求，封装到了udp数据包的内部，通过物理网卡通道192.168.0.107.33404 > 192.168.0.114.8472进行传输
- 第二条 从172.30.78.3.8080向172.30.22.3.51596的返回信息，封装到了udp数据包的内部，通过物理网卡通道192.168.0.114.43021 > 192.168.0.107.8472进行传输
slave节点上响应请求过程(通过抓包中的时间分析出数据到达各个设备的先后顺序，红色方块请求进入为起始点）
- wlo1网卡上接收到192.168.0.107.33404的请求信息
- 因为是一个vxlan格式的数据包，所以会丢个flanneld处理，将outerIp、Port信息去除，得到内部的tcp请求信息172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080
- 之后flanneld发请求信息转发送给flannel1.1网络设备，所以flannel1.1网络设备上我们能监听到172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080的数据包，
- flannel1.1进行路由选择，根据路由规则，发送给172.30.78.3.8080的数据包要从docker0设备进入，将请求数据包转发到docker0设备，所以在docker0设备上监听到了172.30.22.3.51596 > 172.30.78.3.8080的请求数据包
- 172.30.78.3对应的pod响应请求，并构造response返回172.30.22.3.51596，在docker0设备上有了172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596的响应信息
- 根据slave上的路由规则，发往172.30.22.3.51596的数据包，要经过flannel1.1网络设备，所以flannel.1网络设备中有了172.30.78.3.8080 > 172.30.22.3.51596的响应信息
- flannel1.1网络设备，将数据发送给flanneld，flanneld查找到172.30.22.3.51596所在的物理节点，将数据包重新包装成，追加outerIp、port信息（192.168.0.107.8472），之后通过路由规则，发往192.168.0.107.8472的数据包从wlo1走，所以在wlo1网卡上出现192.168.0.114.43021 > 192.168.0.107.8472的数据包
例子3
只在slave上启动一个web服务，type设定成NodePort，对应的nodePort设置成8086，从master宿主机上使用curl http://slaveIp:8088/header/list 访问web服务(直接从slave上访问，数据不需要传输，无法看到slave机器上物理网卡上的数据包,所以为了分析，我们从master上访问）
原理
当创建NodePort类型的service时，Kubernetes会从API Server指定的参数--service-node-port-range中选择一个port分配给service，也可以自己通过.spec.ports[*].nodePort自己指定。之后kubernetes会在集群的每个node上监听对应的port。
除了在所有节点节点上监听port外，kubernetes会自动给我们创建一个ClusterIP类型的service，所以创建NodePort的service后，也可以像上个例子一样在集群内部通过 service Name+ service Port的形式访问
此时数据包不需要在集群内pod中跨主机流转，所以数据包不会经过flannel.1，数据包处理流程： master.wlp3s0->.slave.wlo1->slave.docker0->slave.docker0->slave.wlo1-> master.wlp3s0
启动服务
修改web启动文件
$cat > web.yml <<EOF apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: clientip spec: type: NodePort selector: app: clientip ports: - name: http port: 8080 targetPort: 8080 nodePort: 8086 --- apiVersion: apps/v1 kind: Deployment metadata: name: clientip-deployment spec: selector: matchLabels: app: clientip replicas: 1 template: metadata: labels: app: clientip spec: nodeSelector: sample: slave containers: - name: clientip image: 192.168.0.107/k8s/client-ip-test:0.0.2 ports: - containerPort: 8080 EOF启动服务
$ kubectl create -f web.yml service/clientip created deployment.apps/clientip-deployment created $ kubectl get pod -o wide NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES clientip-deployment-68c57b7965-28w4t 1/1 Running 0 10s 172.30.78.3 slave <none> <none> $ kubectl get svc -o wide NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE SELECTOR clientip NodePort 10.254.85.24 <none> 8080:8086/TCP 17s app=clientip kubernetes ClusterIP 10.254.0.1 <none> 443/TCP 27d <none>
日志监控
监控web服务的日志
$ kubectl logs -f clientip-deployment-68c57b7965-28w4t监控master wlp3s0网卡的日志
$ tcpdump -n -vv -i wlp3s0监控slave节点各个网络设备日志
$ tcpdump -n -vv -i docker0 $ tcpdump -n -vv -i flannel.1 $ tcpdump -n -vv -i wlo1
日志分析(只展示主要流程，tcp握手过程略去）
web日志
2020-03-08 10:15:01.498 INFO 6 --- [nio-8080-exec-2] c.falcon.clientip.ClientIpController : host is192.168.0.114:8086 2020-03-08 10:15:01.499 INFO 6 --- [nio-8080-exec-2] c.falcon.clientip.ClientIpController : remoteAddr is 172.30.78.1 2020-03-08 10:15:01.499 INFO 6 --- [nio-8080-exec-2] c.falcon.clientip.ClientIpController : remotePort is 38362- 主意remoteAddr对应的值是172.30.78.1，并不是我们的宿主机IP,原因参考请求过程
- slave 日志
docker0设备日志
... 10:15:01.494019 IP (tos 0x0, ttl 63, id 41431, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 145) 172.30.78.1.38362 > 172.30.78.3.8080: Flags [P.], cksum 0x171b (correct), seq 0:93, ack 1, win 502, options [nop,nop,TS val 670876057 ecr 1109116899], length 93: HTTP, length: 93 GET /header/list HTTP/1.1 Host: 192.168.0.114:8086 User-Agent: curl/7.58.0 Accept: */* ... 10:15:01.503806 IP (tos 0x0, ttl 64, id 34492, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 172.30.78.3.8080 > 192.168.0.107.38362: Flags [P.], cksum 0xbbce (incorrect -> 0x0f9e), seq 1:116, ack 94, win 502, options [nop,nop,TS val 1109116911 ecr 670876057], length 115: HTTP, length: 115 HTTP/1.1 200 Content-Type: text/plain;charset=UTF-8 Content-Length: 2 Date: Sun, 08 Mar 2020 02:15:01 GMT OK[!http] ...第一条，请求从docker0进入172.30.78.3.8080，注意此时的请求是从172.30.78.1.38362过来的,就是我们在web容器中看到的remoteAddr,原因参考请求过程
第二条，请求处理后从docker0返回，这时对应的响应返回的地址又变成了实际发出访问的地址192.168.0.107.38362
flnanel.1设备日志
tcpdump -n -vv -i flannel.1 tcpdump: listening on flannel.1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes- 说明没有相关数据包经过
wlo1物理网卡日志
... 10:15:01.493998 IP (tos 0x0, ttl 64, id 41431, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 145) 192.168.0.107.38362 > 192.168.0.114.8086: Flags [P.], cksum 0x8928 (correct), seq 1:94, ack 1, win 502, options [nop,nop,TS val 670876057 ecr 1109116899], length 93 ... 10:15:01.503827 IP (tos 0x0, ttl 63, id 34492, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 192.168.0.114.8086 > 192.168.0.107.38362: Flags [P.], cksum 0x489f (correct), seq 1:116, ack 94, win 502, options [nop,nop,TS val 1109116911 ecr 670876057], length 115 ...- 第一条，slave主机收到192.168.0.107.38362发过来的请求
- 第二条，slave将web容器响应的内容返回给192.168.0.107.38362
master wlp3s0网卡日志
... 10:15:01.447172 IP (tos 0x0, ttl 64, id 41431, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 145) 192.168.0.107.38362 > 192.168.0.114.8086: Flags [P.], cksum 0x82b1 (incorrect -> 0x8928), seq 1:94, ack 1, win 502, options [nop,nop,TS val 670876057 ecr 1109116899], length 93 ... 10:15:01.460324 IP (tos 0x0, ttl 63, id 34492, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 167) 192.168.0.114.8086 > 192.168.0.107.38362: Flags [P.], cksum 0x489f (correct), seq 1:116, ack 94, win 502, options [nop,nop,TS val 1109116911 ecr 670876057], length 115 ...- 第一条向192.168.0.114.8086发送请求
- 第二条从192.168.0.114.8086接收到响应
slave上响应请求过程总结(红色方块请求进入为起始点)
从master到slave的请求过程和普通请求一样，此处不在描述
- wlo1物理网卡收到请求，发现是访问自己机器的IP，进入Netfilter的INPUT链
- IPVS在input链上判断访问的地址192.168.0.114.8086是一个集群服务(为什么能判断出来，参考ipvs判断原理），从自己的hash表中选择一个真实的服务172.30.78.3.8080，并做DNAT，将请求的目的地址换成这个真实的服务器地址，进入POSTROUTING阶段
在POSTROUTING阶段，按照IPTABLES的规则会进行masquerade(为什么执行，参考执行masquerade的原因），之后进行路由选择，根据slave的路由规则表，发往172.30.78.3.8080的数据需要经过docker0，根据masquerade的原理，在发送时将源地址变成了docker0网络设备的地址
对应的地址是172.30.78.1，这就是为什么我们在web日志，以及在docker0网络上看到请求是172.30.78.1的原因$ ip addr 6: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:0d:ab:b0:60 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 172.30.78.1/24 brd 172.30.78.255 scope global docker0 valid_lft forever preferred_lft forever inet6 fe80::42:dff:feab:b060/64 scope link valid_lft forever preferred_lft forever- 之后请求转发到docker0网络，从docker0网络进入到web容器内
web容器处理完请求构成响应体，在返回时发现这个请求是经过masquerade进来的，返回时查找masquerade前的真实请求发起者，将数据返回地址设置为192.168.0.107.38362，之后根据路由规则，发送给192.168.0.107.38362的数据包，需要从物理网卡wlo1发送，所以数据转发给了wlo1网卡，在进入之前，会执行IPVS的masquerade，将源地址修改成192.168.0.114，并通过wlo1网卡发送给master
Slave上数据流转原理
IPVS判断出192.168.0.114.8086是集群服务原理
我们知道IPVS根据自己的hash表中的内容进行判断，所以kubernetes只需要把集群服务相关的信息存入到IPVS的hash表中就能实现了。利用ipvsadm工具查看当启动一个NodePort的service后，kubernetes会在这个hash表中存入哪些内容(下面命令输出中略去了不相干的记录）
$ ipvsadm --list IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096) Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags -> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn TCP localhost:8086 rr -> 172.30.78.3:http-alt Masq 1 0 0 TCP slave:8086 rr -> 172.30.78.3:http-alt Masq 1 0 0 TCP promote.cache-dns.local:http rr -> 172.30.78.3:http-alt Masq 1 0 0 ...- 可以看到kubernetes不仅将自动创建的ClusterIP对应的记录插入到hash表中，针对NodePort服务，还会多插入两条记录localhost和hostname对应的规则，这样当我们访问192.168.0.114.8086时，能匹配到slave:8086，所以IPVS判断出这访问的是一个集群服务，会进行DNAT
请求在POSTROUTING阶段执行masquerade的原理
首先看下采用IPVS模式时，kubernetes给我们创建的ipset，及其作用
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 - 其中KUBE-NODE-PORT-TCP 里面存储的是需要进行masquerade的本机端口号
其次，需要知道kubernetes是如何利用这些ipset的，再看下kubernetes为我们在iptables中追加的规则
下面的输出内容是在kube-proxy启动参数：iptables.masqueradeAll=false;clusterCIDR=172.30.0.0/16时的结果，配置成其他的KUBE-SERVICES的规则链会稍有不同，输出进行了精简只包含了和kubernetes相关的规则
$ iptables -n -L -t nat 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 (0 references) target prot opt source destination KUBE-MARK-DROP all -- 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 Chain KUBE-KUBELET-CANARY (0 references) target prot opt source destination Chain KUBE-LOAD-BALANCER (0 references) target prot opt source destination 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 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 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 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 -- !172.30.0.0/16 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,dstPREROUTING阶段
- 在PREROUTING阶段，所有请求会jump到KUBE-SERVICES规则链
- 在KUBE-SERVICES规则链里，根据我们访问的地址salveIp:8086，第一条不满足，会匹配到第二条即访问的地址是本机，所以jump到KUBE-NODE-PORT规则链
在KUBE-NODE-PORT规则链中会判断请求目的端口号是否在KUBE-NODE-PORT-TCP这个ipset中，是的话跳转到KUBE-MARK-MASQ，看下我们启动NodePort service后这个ipset中的值
kubernetes的确把我们创建的服务对应的node port值存入这个里面了$ ipset --list KUBE-NODE-PORT-TCP Name: KUBE-NODE-PORT-TCP Type: bitmap:port Revision: 3 Header: range 0-65535 Size in memory: 8268 References: 1 Number of entries: 1 Members: 8086KUBE-MARK-MASQ规则链对进入这个规则链的所有请求都打上一个标签0x4000
- POSTROUTING阶段
- 在POSTROUTING阶段，所有的请求都jump到KUBE-POSTROUTING规则链中
- 在KUBE-POSTROUTING规则链中，根据第一条规则，当进来的数据包有0x4000标记时进行MASQUERADE，根据在PREROUTING阶段中的处理，访问salveIp:8086的请求会满足条规则，所以会对我们的请求进行MASQUERADE
总结
这样，本文用三个例子，通过用tcpdump对各个网络设备上数据包的分析，阐述了不同情况下kubernetes的网络请求过程。最后一个例子结合kubernetes给我创建的ipset、iptables规则讲述了kubernetes实现服务访问的原理。前面两个例子读者也可以采用这样的方式结合下iptables中的规则链，来验证下数据的流转流程。
另外最后一个例子，还可以通过集群中master节点的8086来访问web服务，这时数据包还会经过两个节点的flannel.1网络设备，但不会经过master.docker0设备，并且web中收到请求的remoteAddr也会不一样，下面只给出请求过程不再给出具体的tcpdump日志信息
请求：
master.wlp3s0->master.flannel.1->master.wlp3s0->slave.wlo1->slave.flannel.1->slave.docker0
响应：
slave.docker0->slave.flannel.1->slave.wlo1->master.wlp3s0->master.flannel.1-> master.wlp3s0
读者朋友可以自行试下，结合tcpdump工具和iptables中的规则对数据包流转过程进行分析。
题外话
额外的一点思考，为啥kubernetes要设计的这么复杂对通过node port的请求进行masquerade呢，这是因为当创建一个NodePort服务后，kubernetes不只是让服务对应的endpoint所在的节点上能够提供服务，而是让集群中所有的节点都可以在对应的port上提供服务，这样我们从外部通过node port访问集群服务时，有可能访问的服务对应的pod不在我们访问的节点上，这样要是不经过masquerade，真实的endpoint处理完请求后在响应时看到的也是真实的clientIP，数据就不会先返回到client一开始请求的node上，而是直接返回给了client，这样client收到结果发现是和请求的地址不一样的服务器给了响应，会认为这是不合法的的响应体。所以为了让client能从请求的节点上拿到响应体，所以需要对外部访问node port的请求统一做masquerade，这样数据返回时，会首先返回到client请求的节点上，再由此节点返回给client。如果因为业务需求，如一些审计什么的，必须要获取到client的真实IP，可以考虑下面三种方式：
- 在集群外层再加一个代理（ingress方式），在代理里面获取client IP，存入约定好的header 头中，在集群内的服务通过这个header信息来获取
- POD直接设置成hostNetwork
- 通过将服务设置{"externalTrafficPolicy":"Local"}}，这时如果pod不在对应的节点上时，是无法提供服务的
kubernetes的官网对此的探讨：
Using Source IP