【Kubernetes知识点】 解读 Service 和 EndpointSlice 之间的关系

目录

• 1 概念
  • 1.1 Service的概念
  • 1.2 Endpoint 的概念
  • 1.3 EndpointSlice 的引入
    • 1.3.1 EndpointSlice支持的地址
    • 1.3.2 EndpointSlice的状态
    • 1.3.3 EndpointSlice的拓扑信息
  • 1.4 Service 、Endpoint和 EndpointSlice 的关系
  • 1.5 Endpoint 和 EndpointSlice 的对比
  • 1.6 无选择器 Service 的场景
  • 1.7 自定义EndpointSlice 要求
• 2 实验设计：验证Service 和 EndpointSlice关联
  • 2.1 创建测试应用：
  • 2.2 观察Service和EndpointSlice
  • 2.3 模拟 Pod 变化： 扩容和缩容Pod
  • 2.4 无选择器 Service 实验：
• 3 结论
• 4 参考文献

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❤️ 摘要：在 Kubernetes 中，Service 和 EndpointSlice 是实现负载均衡和服务发现的重要组件。 EndpointSlice让Service更好地处理大量后端，并允许集群有效地更新其健康后端列表。本文将深入探讨它们之间的关系，并设计实验来验证这一关系。

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💯 本文关联好文：

• 《一文读懂Service以及实践攻略》

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1 概念

1.1 Service的概念

❔说明：想深入了解Service，请提前看前文《一文读懂Service以及实践攻略》

Kubernetes 中的 Service 是一种网络抽象层，旨在为一组 Pod 提供稳定的访问入口。通过 Service，用户可以不必关心 Pod 的变化，而是通过统一的 IP 地址和端口来访问这些 Pod。

1.2 Endpoint 的概念

Endpoints 是 Kubernetes 中用于跟踪服务网络端点的原始 API。每个 Service 都有一个对应的 Endpoints 对象，存储该服务的所有网络端点。然而，随着 Kubernetes 集群和服务的扩展，原有的 Endpoints API 逐渐暴露出其局限性，特别是在处理大量网络端点的时候。

Kubernetes 限制单个 Endpoints 对象中可以容纳的端点数量。当服务有超过 1000 个支持端点时，Kubernetes 会截断 Endpoints 对象中的数据, 并在 Endpoints 上设置注释： endpoints.kubernetes.io/over-capacity: truncated。

1.3 EndpointSlice 的引入

❔ 说明： Kubernetes v1.21之后， EndpointSlice特性是stable

为了更有效地管理服务的端点，Kubernetes 引入了 EndpointSlice。与传统的 Endpoints 资源相比，EndpointSlice 提供了更好的扩展性，尤其是在处理大规模集群时。它将多个端点组织成切片，减少 API 调用次数，提高效率。

如果某个服务的端点数量达到阈值，那么 Kubernetes 将添加另一个空的 EndpointSlice 并在其中存储新的端点信息。默认情况下，一旦现有 EndpointSlice 全部包含至少 100 个端点，Kubernetes 就会创建一个新的 EndpointSlice。

1.3.1 EndpointSlice支持的地址

EndpointSlices 支持三种地址类型，设置addressType字段：

• IPv4
• IPv6
• FQDN (Fully Qualified Domain Name)

❔ 说明： 每个 EndpointSlice 对象代表一个特定的IP地址类型。如果您有一项可通过 IPv4 和 IPv6 使用的服务，则至少有两个 EndpointSlice 对象。

1.3.2 EndpointSlice的状态

EndpointSlice API有三个状态条件， 说明以下：

条件	说明
ready	正在运行的Pod将Ready 条件设置为 True 时，同时将 EndpointSlice 条件也设置为 true。
serving	serving 条件几乎与 ready 条件相同。不同之处在于，如果用户在 pod 终止时关心 pod是否还运行，则应检查 serving 条件。
Terminating	Terminating 是指示端点是否正在终止的条件。对于 Pod，这是设置了删除时间戳的任何 Pod。

1.3.3 EndpointSlice的拓扑信息

EndpointSlice 中的每个端点都可以包含相关的拓扑信息。拓扑信息包括端点的位置以及对应的Node和Zone的信息。字段说明以下：

• nodeName - 此端点所在节点的名称。
• zone - 此端点所在的区域。

1.4 Service 、Endpoint和 EndpointSlice 的关系

打个比喻：在一个大型活动中，K8s中的Service作为活动入口的前台人员，他为所有来宾提供入口进入指示。每个来宾Endpoint在活动中有自己的身份标识，比如知道他们的座位号。

现在这个活动区，划分了多个小区域，EndpointSlice就像是一个拿着分区名单的组长，名单记录了一组来宾的身份信息和他们的座位分布。通过EndpointSlice，你可以更高效地管理和查找来宾的位置信息，尤其是在活动人数众多时。这种分片的方式让协调工作变得更加灵活和高效。

Kubernetes中，Service与EndpointSlice实现以下机制：

1. 选择器机制：Service 使用标签选择器来确定哪些 Pod 作为其后端。EndpointSlice 则维护与这些 Pod 相关联的网络端点信息。
2. 动态更新：当 Pod 的状态变化时，Service 控制器会自动更新 EndpointSlice，确保服务始终指向活跃的 Pod。
3. 负载均衡：EndpointSlice 的分组机制使得负载均衡变得更加高效，能够快速响应 Pod 的变化。

1.5 Endpoint 和 EndpointSlice 的对比

作为新的替代方案，EndpointSlice与Endpoint有以下不同点：

资源对象	Endpoints	EndpointSlice
数据结构	所有网络端点信息存储在一个单一的 Endpoints 对象中。随着后端 Pod 数量的增加，这些对象可能会变得非常庞大。	将网络端点组织为多个切片，使得每个切片只包含一部分端点信息，从而减小单个对象的大小。
性能	在更新过程中，Endpoints 的每次变更都会引发大量的流量，这在高频更新的场景下尤其明显。	EndpointSlices 的设计使得添加或删除单个 Pod 只需触发相同数量的更新，但更新消息的大小要小得多，从而降低了 CPU 使用率和网络流量。
新特性支持	N/A	EndpointSlices 支持新的网络功能，如双栈网络和拓扑感知路由，使得 Kubernetes 在网络管理上更加灵活和高效。

1.6 无选择器 Service 的场景

在某些情况下，用户可能希望定义一个没有选择器的 Service。这种情况通常用于以下场景：

• 外部数据库：在生产环境中使用外部数据库集群，而在测试环境中使用内部数据库。
• 跨命名空间或集群访问：需要将 Service 指向不同命名空间或其他集群中的 Service。
• 迁移工作负载：在评估迁移至 Kubernetes 的过程中，可能只在 Kubernetes 中运行部分后端。

在这些场景中，可以定义一个不带选择器的 Service。由于没有选择器，Kubernetes 不会自动创建对应的 EndpointSlice（和旧版的 Endpoints）对象。用户可以手动添加 EndpointSlice 对象，将 Service 映射到实际运行的网络地址和端口。

1.7 自定义EndpointSlice 要求

对于用户手动创建的 EndpointSlice，建议选择合适的标签值，例如 endpointslice.kubernetes.io/managed-by。对于直接使用 kubectl 管理 EndpointSlices 的用户，建议使用描述此手动管理的名称，例如 “staff” 或 “cluster-admins”，应避免使用保留值 “controller”，因为它表示由 Kubernetes 自身控制平面管理的 EndpointSlices。

⚠️ 注意： Kubernetes API 服务器不允许代理未映射到 Pods 的端点。由于这一限制，诸如 kubectl port-forward service/<service-name> 的操作在 Service 没有选择器时会失败。

2 实验设计：验证Service 和 EndpointSlice关联

为验证 Service 和 EndpointSlice 之间的关系，我们可以进行以下实验：

2.1 创建测试应用：

沿用《一文读懂Service以及实践攻略》案例，创建一个简单的 Web 应用，定义一个 Deployment 和对应的 Service。

Deployment 示例：

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: 1
  # 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

Service 示例：

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

部署Service和Deployment

kubectl apply -f nginx-deployment.yaml
kubectl apply -f clusterip-service.yaml

2.2 观察Service和EndpointSlice

查看service详细信息

kubectl describe svc my-clusterip-service

输出如下：

Name:              my-clusterip-service
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       <none>
Selector:          app=nginx
Type:              ClusterIP
IP Family Policy:  SingleStack
IP Families:       IPv4
IP:                10.245.81.75
IPs:               10.245.81.75
Port:              <unset>  80/TCP
TargetPort:        80/TCP
Endpoints:         172.16.194.102:80
Session Affinity:  None
Events:            <none>

查看endpointslice

kubectl describe endpointslices.discovery.k8s.io my-clusterip-service-xvl7k

输出如下：

Name:         my-clusterip-service-xvl7k
Namespace:    default
Labels:       endpointslice.kubernetes.io/managed-by=endpointslice-controller.k8s.io
# 通过label，自动关联my-clusterip-service
              kubernetes.io/service-name=my-clusterip-service
Annotations:  endpoints.kubernetes.io/last-change-trigger-time: 2024-09-28T09:43:42Z
AddressType:  IPv4
Ports:
  Name     Port  Protocol
  ----     ----  --------
  <unset>  80    TCP
# 自动关联Endpoint，对应pod
Endpoints:
  - Addresses:  172.16.194.102
  # pod状态是Ready时， EndpointSlice状态自动设置为Ready
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    # 关联某个Deployment下pod
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-zblx6
    # 描述pod在当前的节点
    NodeName:   k8s-worker1
    # 描述pod在当前的域
    Zone:       <unset>
Events:         <none>

❔ 说明：

• 通过创建上述 Deployment 和 Service，Kubernetes 会自动生成 EndpointSlice。

2.3 模拟 Pod 变化： 扩容和缩容Pod

扩容Deployment的副本数到3，观察EndpointSlice的变化：

kubectl scale deployment/nginx-deployment --replicas=3

观察Endpointslice，执行以下命令

kubectl describe endpointslices.discovery.k8s.io my-clusterip-service-xvl7k

输出如下：

erip-service-xvl7k
Name:         my-clusterip-service-xvl7k
Namespace:    default
Labels:       endpointslice.kubernetes.io/managed-by=endpointslice-controller.k8s.io
              kubernetes.io/service-name=my-clusterip-service
Annotations:  endpoints.kubernetes.io/last-change-trigger-time: 2024-09-28T09:57:26Z
AddressType:  IPv4
Ports:
  Name     Port  Protocol
  ----     ----  --------
  <unset>  80    TCP
# 新增两个Endpoint，并分配到不同的节点
Endpoints:
  - Addresses:  172.16.194.102
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-zblx6
    NodeName:   k8s-worker1
    Zone:       <unset>
  - Addresses:  172.16.135.200
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-qbmvd
    NodeName:   k8s-master3
    Zone:       <unset>
  - Addresses:  172.16.126.43
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-p7xqj
    NodeName:   k8s-worker2
    Zone:       <unset>
Events:         <none>

手动删除一个 Pod，并观察 EndpointSlice 的变化：

kubectl delete pod nginx-deployment-64db67d8bc-zblx6 

观察Endpointslice，执行以下命令

kubectl describe endpointslices.discovery.k8s.io my-clusterip-service-xvl7k

输出如下：

# Endpoint列表会剔除被删除的pod
Endpoints:
  - Addresses:  172.16.135.200
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-qbmvd
    NodeName:   k8s-master3
    Zone:       <unset>
  - Addresses:  172.16.126.43
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-p7xqj
    NodeName:   k8s-worker2
    Zone:       <unset>
Events:         <none>
---
Endpoints:
  - Addresses:  172.16.135.200
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-qbmvd
    NodeName:   k8s-master3
    Zone:       <unset>
  - Addresses:  172.16.126.43
    Conditions:
      Ready:    true
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-p7xqj
    NodeName:   k8s-worker2
    Zone:       <unset>
  - Addresses:  172.16.194.101
    Conditions:
      Ready:    false                                   -> Ready状态从false转为true 
    Hostname:   <unset>
    TargetRef:  Pod/nginx-deployment-64db67d8bc-v86vr   -> 添加新的pod 
    NodeName:   k8s-worker1
    Zone:       <unset>
Events:         <none>

❔步骤说明：

1. EndpointSlice监听到Pod被删除的事件；
2. 更新Endpoint列表，剔除被删除的Pod；
3. EndpointSlice监听到新的Pod被创建；
4. 更新Endpoint列表，新增新创建的Pod；
5. 监听Pod的状态，如果Pod状态转为Ready， 则设置Endpoint的状态为Ready。

❔ 总结：

1. 动态更新：当 Pod 的状态变化时，Service 控制器会自动更新 EndpointSlice，确保服务始终指向活跃的 Pod。
2. 负载均衡：EndpointSlice 的分组机制使得负载均衡变得更加高效，能够快速响应 Pod 的变化。

2.4 无选择器 Service 实验：

如果是Service需要代理外部的应用，或者应用的部署在Service之后的， 可能会采用无选择器的Service这种方式部署Service资源。

创建一个不带选择器的 Service：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: external-service
spec:
  ports:
    - port: 8080
      targetPort: 8080

然后手动创建 EndpointSlice：

apiVersion: discovery.k8s.io/v1
addressType: IPv4
endpoints:
# 外部应用的IP地址
  - addresses:
      - 192.168.1.100
    conditions:
      ready: true
kind: EndpointSlice
metadata:
  labels:
    endpointslice.kubernetes.io/managed-by: endpointslice-controller.k8s.io
    # 关联没有选择器的service
    kubernetes.io/service-name: external-service
  name: external-service-endpoints
  namespace: default
# 指定映射的端口
ports:
- name: ""
  port: 8080
  protocol: TCP

创建service和endpointslice

kubectl apply -f external-service.yaml
kubectl apply -f external-service-endpoints.yaml

观察service状态

[root@k8s-master1 hcie]# kubectl describe svc external-service
Name:              external-service
Namespace:         default
Labels:            <none>
Annotations:       <none>
# 确实没有selector
Selector:          <none>
Type:              ClusterIP
IP Family Policy:  SingleStack
IP Families:       IPv4
IP:                10.245.23.244
IPs:               10.245.23.244
Port:              <unset>  8080/TCP
TargetPort:        8080/TCP
# 没有Endpoint
Endpoints:         <none>
Session Affinity:  None
Events:            <none>

观察Endpointslice状态

[root@k8s-master1 hcie]# kubectl describe endpointslices.discovery.k8s.io external-service-endpoints
Name:         external-service-endpoints
Namespace:    default
Labels:       endpointslice.kubernetes.io/managed-by=endpointslice-controller.k8s.io
              kubernetes.io/service-name=external-service
Annotations:  <none>
AddressType:  IPv4
Ports:
  Name     Port  Protocol
  ----     ----  --------
  <unset>  8080  TCP
Endpoints:
  - Addresses:  192.168.1.100
    Conditions:
      Ready:   true
    Hostname:  <unset>
    NodeName:  <unset>
    Zone:      <unset>
Events:        <none>

成功创建并关联。

3 结论

通过以上实验，我们可以验证 Service 和 EndpointSlice 之间的密切关系。EndpointSlices 的引入解决了原有 Endpoints 的性能瓶颈，使 Kubernetes 在网络管理上更加高效和灵活。在实验中，验证了Service 通过标签选择器关联 Pod，而 EndpointSlice 则负责维护这些 Pod 的网络信息。无选择器的 Service 也能够与外部后端进行整合，提供更大的灵活性。希望本文可以帮助你更深入了解它们间的关系。

4 参考文献

[1]Kubernetes 官方文档-service

[2]EndpointSlices