一文读懂Service以及实践攻略

目录

• 1 一文读懂 Kubernetes Service 以及实践攻略
  • 1.1 1. 什么是 Service？
    • 1.1.1 为什么需要 Service？
  • 1.2 2. Service 的工作原理
    • 1.2.1 核心概念
    • 1.2.2 流量转发过程
  • 1.3 3. Service 的几种类型及应用场景
• 2 实践：部署和测试Service
  • 2.1 示例：创建Deployment
  • 2.2 创建 ClusterIP Service
    • 2.2.1 示例：创建 ClusterIP Service
    • 2.2.2 部署和测试
  • 2.3 Headless Service 与 StatefulSet 配合
    • 2.3.1 示例：创建 Headless Service
  • 2.4 4.2 创建 NodePort Service
    • 2.4.1 示例：创建 NodePort Service
    • 2.4.2 部署和测试
  • 2.5 创建 LoadBalancer Service
    • 2.5.1 示例：创建 LoadBalancer Service
    • 2.5.2 部署和测试
  • 2.6 ExternalName
    • 2.6.1 示例：创建 ExternalName Service
    • 2.6.2 部署和测试
• 3 服务发现
  • 3.1 环境变量
  • 3.2 DNS
    • 3.2.1 查询命令
• 4 总结
• 5 参考资料

1 一文读懂 Kubernetes Service 以及实践攻略

❤️ 摘要：在 Kubernetes 中，Service 是连接应用与外部世界的重要桥梁，是Kubernetes 集群中的核心资源之一。提供了稳定的访问入口，即使应用 Pod 动态变化，Service 依然保持对外的一致性。本文将从基础介绍到实践操作，深入解析 Kubernetes Service 的工作原理、类型、配置以及常见的实践应用，帮助你全面掌握 Service 的使用和最佳实践。

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💯 本文关联好文：

• 《一文读懂Deployment以及实践攻略》
• 《一文读懂StatefulSet以及实践攻略》
• 《【Kubernetes笔记】为什么DNS解析会超时？》

1.1 1. 什么是 Service？

在 Kubernetes 中，Service 是一种网络抽象层，负责暴露一组 Pod，以便外部用户或内部组件能够通过一个固定的访问点与 Pod 通信。由于 Pod 的生命周期是短暂且可能频繁变动的，其 IP 地址也随之变化，Service 提供了一种稳定的访问方式，无论 Pod 如何变化，用户都可以通过 Service 一致地与后端 Pod 通信，通过抽象层将流量引导至正确的 Pod。

例如：服务（Service）作为餐厅的接待员，负责接待顾客（用户），并确保始终可以通过接待员获得稳定的服务。当Service接到顾客的订单，他会告诉后厨（pod）要完成哪些特色菜（应用程序），虽然某个厨师可能会因为休息或换班而离开，但总会把订单交到相应的厨师手上。

1.1.1 为什么需要 Service？

当某个 Pod 被删除或更新时，其 IP 地址会发生变化。如果其他服务需要与这些 Pod 通信，无法直接依赖 Pod 的 IP。因此，Service 提供了以下功能：

• 持久的网络标识：即使 Pod 重启或更换，Service 提供的 IP 和 DNS 名称仍然保持不变。Service 通过一个虚拟 IP 地址（ClusterIP）和 DNS 名称为外部提供了统一的访问方式，即使后端的 Pod 动态变化，客户端也不需要修改任何配置。
• 负载均衡：Service 会自动将流量分发到后端的一组 Pod，确保高可用性和负载均衡。

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1.2 2. Service 的工作原理

❔ 说明：关于Service、EndpointSlice的关系，后续出相关文章说明。

1.2.1 核心概念

• Selector：Service 通过标签选择器（Label Selector）来定位要暴露的 Pod，Selector 允许 Service 动态绑定一组 Pod，进行流量的负载均衡。
• ClusterIP：Kubernetes 为每个 Service 分配一个虚拟 IP（ClusterIP），通过这个 IP，集群内的其他 Pod 可以稳定地访问该 Service。
• Endpoints：Service 使用 Endpoints 资源来追踪与其关联的 Pod。Endpoints 是一组 IP 地址和端口的集合，代表了实际的后端 Pod。
• EndpointSlice: 在Kubernetes v1.21版本后，EndpointSlice API 是 Endpoints 的推荐替代品，提供了更多的可伸缩性和可扩展性。

1.2.2 流量转发过程

1. 当客户端（如其他 Pod）访问一个 Service 的 ClusterIP 地址时，流量会先到达 Kubernetes 的 kube-proxy。
2. kube-proxy 根据该 Service 的配置，将流量通过负载均衡的方式转发到后端的 Pod 上。（ 默认采用 轮询 负载均衡策略，即每个请求被依次发送到不同的 Pod。）
3. Pod返回响应，完成一次完整的请求-响应过程。

❔ 说明： 对于具有更多高级需求的应用场景，还可以结合 Ingress 或 外部负载均衡器 进行更复杂的流量控制。

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1.3 3. Service 的几种类型及应用场景

Kubernetes 提供了多种类型的 Service，适应不同的场景需求。常见的 Service 类型包括：

Service 类型	功能	使用场景
ClusterIP	ClusterIP 是 Kubernetes Service 的默认类型，适用于 集群内通信。它为 Service 分配一个内部 IP，其他 Pod 可以通过该 IP 访问服务。</br> ClusterIP 只在集群内部可访问，无法被外部访问。	集群内部服务间的通信，如集群内部的微服务通信。
NodePort	NodePort 在每个节点上开放一个静态端口，外部用户可以通过 NodeIP:NodePort 的方式访问服务。	当你想通过集群节点的 IP 地址和端口直接访问应用时，可以使用 NodePort。
LoadBalancer	为服务创建一个云提供商的外部负载均衡器（如 AWS ELB、GCP GCLB），负载均衡器将流量分发到集群中的节点，再由节点转发到相应的 Pod。自动分发流量到后端 Pod。	当应用需要对外暴露，并希望自动使用云提供商的负载均衡器时，可以使用 LoadBalancer 类型。适合公有云环境。
ExternalName	将服务映射到 externalName 字段的内容（例如，映射到主机名 api.foo.bar.example）。 该映射将集群的 DNS 服务器配置为返回具有该外部主机名值的 CNAME 记录。	将 Kubernetes 外部的服务暴露给集群内的服务。
Headless Service	Headless Service 是一种不需要 ClusterIP 的 Service，用于 不进行负载均衡 的场景。通常与 StatefulSet 一起使用，它允许客户端直接与 Pod 通信。与普通的 Service 不同，Headless Service 不会自动创建一个 ClusterIP。	需要直接访问 Pod 的场景，如数据库集群或状态有依赖的应用。

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2 实践：部署和测试Service

2.1 示例：创建Deployment

这里使用Nginx作为应用：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
# 定义Deployment的名字
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  # 定义副本数
  replicas: 3
  # 选择器指定label与pod模板的label匹配
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
    # 与选择器指定label匹配
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      # pod名字，可自定义
      - name: nginx
      # 镜像源， 这里设置私有镜像源
        image: harbor.zx/hcie/nginx:1.26.1
      # pod暴露端口号
        ports:
        - containerPort: 80
          name: http
          protocol: TCP

2.2 创建 ClusterIP Service

ClusterIP 是默认的 Service 类型，主要用于集群内部的通信。创建 ClusterIP 时，Kubernetes 会为 Service 分配一个集群内部的 IP 地址，其他 Pod 可以通过这个 IP 进行访问。

2.2.1 示例：创建 ClusterIP Service

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-clusterip-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: ClusterIP

❔ 参数说明：

• selector：Service选择标签为 app: my-app 的 Pod。当创建 Service 时，确保它的 selector 与目标 Pod 的标签匹配，否则流量无法正确转发到目标 Pod。
• ports：支持暴露多个端口，案例是将 ClusterIP 的 80 端口映射到 Pod 的 8080 端口。

  字段	可能值
  protocol	指定代理端口的协议， 默认是TCP，还支持“SCTP”、“UDP”
  port	服务对外暴露的端口
  targetPort	服务绑定pod的端口，端口的表示方式可以是数值或名字，一般情况下，为了方便起见， targetPort 设置与 port 字段相同的值。

• clusterIP: 默认是按service-cluster-ip-range 范围自动分配IP，如果你手动指定clusterIP，但是 IP 地址必须是为 API 服务器配置的 service-cluster-ip-range CIDR 范围内的有效 IPv4 或 IPv6 地址。如果您尝试使用无效的 clusterIP 地址值创建服务，API 服务器将返回 422 HTTP 状态代码以指示存在问题。

2.2.2 部署和测试

1. 部署 Service：

   kubectl apply -f clusterip-service.yaml
   

2. 查看 Service：

   kubectl get svc my-clusterip-service
   

   输出如下：

   NAME                   TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
   my-clusterip-service   ClusterIP   10.245.81.75   <none>        80/TCP    5s
   
   

3. 查看详细信息

    kubectl describe svc my-clusterip-service
   

   输出如下：

   Name:              my-clusterip-service
   Namespace:         default
   Labels:            <none>
   Annotations:       <none>
   # 关联pod的label
   Selector:          app=nginx
   # service的类型
   Type:              ClusterIP
   IP Family Policy:  SingleStack
   IP Families:       IPv4
   # Kubernetes分配的集群ip，固定不变的
   IP:                10.245.81.75
   IPs:               10.245.81.75
   Port:              <unset>  80/TCP
   TargetPort:        80/TCP
   # 与label匹配关联的pod， pod可能随便变化。
   Endpoints:         172.16.126.37:80,172.16.194.100:80,172.16.224.15:80
   Session Affinity:  None
   Events:            <none>
   
   

4. 使用 curl 访问 Service，验证集群内通信是否正常：

   kubectl run curlpod --image=harbor.zx/hcie/curl:8.1.1 -it --rm -- curl http://my-clusterip-service
   

   输出如下：

   <!DOCTYPE html>
   <html>
   <head>
   <title>Welcome to nginx!</title>
   <style>
   html { color-scheme: light dark; }
   body { width: 35em; margin: 0 auto;
   font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif; }
   </style>
   </head>
   <body>
   <h1>Welcome to nginx!</h1>
   <p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
   working. Further configuration is required.</p>
   
   <p>For online documentation and support please refer to
   <a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
   Commercial support is available at
   <a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>
   
   <p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
   </body>
   </html>
   
   

2.3 Headless Service 与 StatefulSet 配合

❤️ 关于Headless Service案例，推荐前文：《一文读懂StatefulSet以及实践攻略》

Headless Service 常与 StatefulSet 一起使用，允许客户端直接访问 Pod，而不经过负载均衡。

2.3.1 示例：创建 Headless Service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-headless-service
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080

❔参数说明：

• clusterIP: None：表示这是一个 Headless Service，不会创建 ClusterIP。

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2.4 4.2 创建 NodePort Service

NodePort 是最简单的对外暴露服务的方式。Kubernetes 会在每个节点上开放一个指定的端口，外部流量可以通过 NodeIP:NodePort 的方式访问该服务。

2.4.1 示例：创建 NodePort Service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nodeport-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
      nodePort: 30007 
  type: NodePort

❔参数说明：

• nodePort：手动指定30007 端口暴露给外部访问, 如果没有指定端口， Kubernetes 控制平面会从 --service-node-port-range 标志指定的范围内分配端口（默认值：30000-32767）。每个节点都会将该端口（每个节点上的相同端口号）代理到您的服务中。
• 如果你的环境有多个网络平面， 还可以将集群中的节点设置为使用特定的 IP 地址来提供节点端口服务。通过 kube-proxy 服务设置 --nodeport-addresses 标志或 kube-proxy 配置文件的 nodePortAddresses 字段指定特定的 网段范围。
• 例如，如果您使用 --nodeport-addresses=127.0.0.0/8,10.0.0.0/8标志启动 kube-proxy，则 kube-proxy 只会选择 NodePort 服务的环回接口和内网地址。 --nodeport-addresses 的默认值 或nodeProtAddress: null是空列表，这意味着 kube-proxy 应考虑 NodePort 的所有可用网络接口。

2.4.2 部署和测试

1. 部署 Service：

   kubectl apply -f nodeport-service.yaml
   

2. 查看service

   kubectl get svc my-nodeport-service
   
   

   输出如下:

   NAME                  TYPE       CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
   my-nodeport-service   NodePort   10.245.56.79   <none>        80:30007/TCP   9s
   
   

   查看详细信息

   Name:                     my-nodeport-service
   Namespace:                default
   Labels:                   <none>
   Annotations:              <none>
   Selector:                 app=nginx
   # service类型
   Type:                     NodePort
   IP Family Policy:         SingleStack
   IP Families:              IPv4
   # 分配的集群ip
   IP:                       10.245.56.79
   IPs:                      10.245.56.79
   Port:                     <unset>  80/TCP
   TargetPort:               80/TCP
   # 节点映射端口
   NodePort:                 <unset>  30007/TCP
   # 映射的后端pod
   Endpoints:                172.16.126.37:80,172.16.194.100:80,172.16.224.15:80
   Session Affinity:         None
   External Traffic Policy:  Cluster
   Events:                   <none>
   

3. 使用任一 Node IP 和端口访问 Service：

   curl http://<Node-IP>:30007
   

   

2.5 创建 LoadBalancer Service

LoadBalancer Service 通常适用云环境，它能够自动创建外部的负载均衡器（一般由云提供商提供），分发流量到后端 Pod。对于大多数云服务商，如阿里云、AWS 和 Google Cloud，LoadBalancer Service 会自动创建并配置云负载均衡。

2.5.1 示例：创建 LoadBalancer Service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-loadbalancer-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP  
      port: 80
      targetPort: 8080
  type: LoadBalancer

❔参数说明：

• 云环境中的 LoadBalancer：如果在本地集群中使用 LoadBalancer，需要确保集群具备与云服务的集成能力，否则 LoadBalancer 不会自动创建。

2.5.2 部署和测试

1. 部署 Service：

   kubectl apply -f loadbalancer-service.yaml
   

2. 获取外部 IP 并测试：

   kubectl get svc my-loadbalancer-service
   

   输出如下：

   NAME                      TYPE           CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
   my-loadbalancer-service   LoadBalancer   10.245.138.0    <pending>      80:24649/TCP   10s
   

   ❔ 说明： Service会尝试获取外部IP，如果获取成功，可以通过负载均衡器的外部 IP 访问服务。（实验环境不是云环境，所以无法获取公网ip）

2.6 ExternalName

ExternalName 服务类型将 Kubernetes Service 的请求映射到外部的 DNS 名称。它不涉及任何集群内部的 Pod 调度，只是通过 DNS 映射进行流量转发。

2.6.1 示例：创建 ExternalName Service

假设我们有一个外部 API 服务，域名为 api.example.com，我们希望将其映射到 Kubernetes 中的 Service。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: external-service
spec:
  type: ExternalName
  externalName: api.example.com

❔参数说明：

• 这个定义会将所有对 external-service 的请求转发到 api.example.com。

2.6.2 部署和测试

1. 部署 Service：

   kubectl apply -f external-name-service.yaml
   
   

2. 获取外部 IP 并测试：

   kubectl get service external-service
   
   

   输出如下：

   NAME             TYPE          CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP      PORT(S)   AGE
   external-service ExternalName  <none>       api.example.com   <none>    1m
   
   

   ❔ 说明： Service如果配置正确，应该能成功访问外部 API 服务，返回相应的数据。

3 服务发现

对于在集群内运行的客户端，Kubernetes 支持两种主要的服务发现模式：环境变量和 DNS。

3.1 环境变量

当 Pod 在节点上运行时，kubelet 会为每个运行中服务添加一组环境变量。它添加了 {SVCNAME}_SERVICE_HOST 和 {SVCNAME}_SERVICE_PORT 变量，其中服务名称为大写，破折号转换为下划线。

例如，上面的服务案例会生成以下环境变量：

先删除nginx-deployment重建

kubectl delete -f nginx-deployment.yaml
kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

打印环境变量

kubectl exec -it nginx-deployment-64db67d8bc-fcpc6 -- printenv

输出如下：

PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin
HOSTNAME=nginx-deployment-64db67d8bc-fcpc6
NGINX_VERSION=1.26.1
NJS_VERSION=0.8.4
NJS_RELEASE=2~bookworm
PKG_RELEASE=2~bookworm
# CLUSTERIP_SERVICE
MY_CLUSTERIP_SERVICE_PORT_80_TCP_PROTO=tcp
MY_CLUSTERIP_SERVICE_PORT_80_TCP_ADDR=10.245.81.75
MY_CLUSTERIP_SERVICE_PORT_80_TCP_PORT=80
MY_CLUSTERIP_SERVICE_SERVICE_HOST=10.245.81.75
MY_CLUSTERIP_SERVICE_SERVICE_PORT=80
MY_CLUSTERIP_SERVICE_PORT_80_TCP=tcp://10.245.81.75:80
MY_CLUSTERIP_SERVICE_PORT=tcp://10.245.81.75:80
# Kubernetes集群
KUBERNETES_PORT_443_TCP_PORT=443
KUBERNETES_SERVICE_PORT_HTTPS=443
KUBERNETES_PORT_443_TCP=tcp://10.245.0.1:443
KUBERNETES_PORT_443_TCP_ADDR=10.245.0.1
KUBERNETES_PORT=tcp://10.245.0.1:443
KUBERNETES_SERVICE_HOST=10.245.0.1
KUBERNETES_SERVICE_PORT=443
KUBERNETES_PORT_443_TCP_PROTO=tcp
# NODEPORT_SERVICE
MY_NODEPORT_SERVICE_PORT=tcp://10.245.56.79:80
MY_NODEPORT_SERVICE_SERVICE_HOST=10.245.56.79
MY_NODEPORT_SERVICE_SERVICE_PORT=80
MY_NODEPORT_SERVICE_PORT_80_TCP=tcp://10.245.56.79:80
MY_NODEPORT_SERVICE_PORT_80_TCP_PORT=80
MY_NODEPORT_SERVICE_PORT_80_TCP_ADDR=10.245.56.79
MY_NODEPORT_SERVICE_PORT_80_TCP_PROTO=tcp
# LOADBALANCER_SERVICE
MY_LOADBALANCER_SERVICE_SERVICE_HOST=10.245.138.0
MY_LOADBALANCER_SERVICE_SERVICE_PORT=80
MY_LOADBALANCER_SERVICE_PORT=tcp://10.245.138.0:80
MY_LOADBALANCER_SERVICE_PORT_80_TCP_PORT=80
TERM=xterm
HOME=/root

⚠️ 注意：当您有一个 Pod 需要访问某个 Service，并且您使用环境变量的方式将端口和集群 IP 发布给客户端 Pod 时，您必须在客户端 Pod 存在之前创建 Service。否则，这些客户端 Pod 将不会填充其环境变量。

3.2 DNS

❤️ 关于DNS相关知识点和案例，推荐《一文读懂StatefulSet以及实践攻略》、《【Kubernetes笔记】为什么DNS解析会超时？》

Kubernetes建议你在任何时候都应该使用插件为 Kubernetes 集群设置 DNS 服务。集群感知的 DNS 服务器（例如 CoreDNS）会监视 Kubernetes API 中的新服务，并为每个服务创建一组 DNS 记录。如果整个集群都启用了 DNS，那么所有 Pod 都应该能够自动通过其 DNS 名称解析服务。

例如，如果您在 Kubernetes 命名空间 my-ns 中有一个名为 my-service 的服务，则控制平面和 DNS 服务共同作用，为 my-service.my-ns 创建一条 DNS 记录。 my-ns 命名空间中的 Pod 应该能够通过对 my-service 进行名称查找来找到服务（ my-service.my-ns 也可以）。

Kubernetes 还支持命名端口的 DNS SRV（服务）记录。如果 my-service.my-ns 服务有一个名为 http 的端口，协议设置为 TCP ，您可以对 _http._tcp.my-service.my-ns 执行 DNS SRV 查询发现 http 的端口号以及 IP 地址。

3.2.1 查询命令

$ nslookup
> set type=SRV
> _http._tcp.my-service.my-ns

或者

dig _http._tcp.my-service.my-ns SRV

4 总结

Kubernetes 中的 Service 是应用程序连接的核心。它解决了 Pod 短暂生命周期和网络不可预测的问题，为应用提供稳定的访问入口。通过 ClusterIP、NodePort、LoadBalancer 和 Headless Service 等不同的 Service 类型，Kubernetes 满足了从集群内通信到外部流量管理的多种需求。在实际应用中，你可以根据具体的业务需求选择合适的 Service 类型，构建稳定高效的应用服务网络。

5 参考资料

[1]Kubernetes官网-service

[2]Use a Service to Access an Application in a Cluster