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kubernetes 快速学习手册


0. 背景

由于每个 Service 都要有一个负载均衡服务,所以这个做法实际上既浪费成本又高。作为用户,我其实更希望看到 Kubernetes 为我内置一个全局的负载均衡器。然后,通过我访问的 URL,把请求转发给不同的后端 Service。

**这种全局的、为了代理不同后端 Service 而设置的负载均衡服务,就是 Kubernetes 里的 Ingress 服务。**所以,Ingress 的功能其实很容易理解:所谓 Ingress,就是 Service 的“Service”

1. 简介

​Ingress​​ 是 Kubernetes 的一种 API 对象,将集群内部的 Service 通过 HTTP/HTTPS 方式暴露到集群外部,并通过规则定义 HTTP/HTTPS 的路由。Ingress 具备如下特性:集群外部可访问的 URL、负载均衡、SSL Termination、按域名路由(name-based virtual hosting)。增加了7层的识别能力,可以根据 http header, path 等进行路由转发。

举个例子,假如我现在有这样一个站点:​​https://cafe.example.com​​​。其中,​​https://cafe.example.com/coffee​​​,对应的是“咖啡点餐系统”。而,​​https://cafe.example.com/tea​​​,对应的则是“茶水点餐系统”。这两个系统,分别由名叫 ​​coffee​​​ 和 ​​tea​​ 这样两个 Deployment 来提供服务。

那么现在,我如何能使用 Kubernetes 的 Ingress 来创建一个统一的负载均衡器,从而实现当用户访问不同的域名时,能够访问到不同的 Deployment 呢?

  • ​Ingress​​: 配置转发规则,类似于 nginx 的配置文件
  • ​Ingress Controller​​: 转发,类似于 nginx,它会读取 Ingress 的规则并转化为 nginx 的配置文件

而 ​​Ingress Controller​​​ 除了 nginx 外还有 ​​haproxy​​​,​​ingress​​​ 等等,我们选用 ​​nginx​​ 作为 Ingress Controller

2. Ingress对象定义

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
name: cafe-ingress
spec:
tls:
- hosts:
- cafe.example.com
secretName: cafe-secret
rules:
- host: cafe.example.com
http:
paths:
- path: /tea
backend:
serviceName: tea-svc
servicePort: 80
- path: /coffee
backend:
serviceName: coffee-svc
servicePort: 80

在上面这个名叫 ​​cafe-ingress.yaml​​​ 文件中,最值得我们关注的,是 rules 字段。在 Kubernetes 里,这个字段叫作:​​IngressRule​​。

IngressRule 的 Key,就叫做:host。它必须是一个标准的域名格式(Fully Qualified Domain Name)的字符串,而不能是 IP 地址

而 host 字段定义的值,就是这个 Ingress 的入口。这也就意味着,当用户访问 cafe.example.com 的时候,实际上访问到的是这个 Ingress 对象。这样,Kubernetes 就能使用 IngressRule 来对你的请求进行下一步转发。

而接下来 IngressRule 规则的定义,则依赖于 path 字段。你可以简单地理解为,这里的每一个 path 都对应一个后端 Service。所以在我们的例子里,我定义了两个 path,它们分别对应 coffee 和 tea 这两个 Deployment 的 Service(即:​​coffee-svc​​​ 和 ​​tea-svc​​)。

通过上面的讲解,不难看到,所谓 Ingress 对象,其实就是 Kubernetes 项目对“反向代理”的一种抽象。

一个 Ingress 对象的主要内容,实际上就是一个“反向代理”服务(比如:Nginx)的配置文件的描述。而这个代理服务对应的转发规则,就是 ​​IngressRule​​。

这就是为什么在每条 IngressRule 里,需要有一个 host 字段来作为这条 IngressRule 的入口,然后还需要有一系列 path 字段来声明具体的转发策略。这其实跟 Nginx、HAproxy 等项目的配置文件的写法是一致的。而有了 Ingress 这样一个统一的抽象,Kubernetes 的用户就无需关心 Ingress 的具体细节了。在实际的使用中,你只需要从社区里选择一个具体的 Ingress Controller,把它部署在 Kubernetes 集群里即可。

然后,这个 ​​Ingress Controller​​​ 会根据你定义的 ​​Ingress​​​ 对象,提供对应的代理能力。目前,业界常用的各种反向代理项目,比如 Nginx、HAProxy、Envoy、Traefik 等,都已经为 Kubernetes 专门维护了对应的 ​​Ingress Controller​​。

接下来,我就以最常用的 Nginx Ingress Controller 为例,在我们前面用 kubeadm 部署的 Bare-metal 环境中,和你实践一下 Ingress 机制的使用过程。

3. 安装ingress-controller

​安装指导​​​​下载​

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/controller-v0.43.0/deploy/static/provider/baremetal/deploy.yaml

由于需要爬梯子下载镜像k​​8s.gcr.io/ingress-nginx/controller:v0.43.0​​,所以可以优先从阿里云下载

wget  https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/controller-v0.43.0/deploy/static/provider/baremetal/deploy.yaml
docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/nginx-ingress-controller:v0.43.0
docker tag registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/nginx-ingress-controller:v0.43.0 k8s.gcr.io/ingress-nginx/controller:v0.43.0
kubectl apply -f deploy.yaml

内容类型包含:

kind: Namespace
kind: ServiceAccount
kind: ConfigMap
kind: ClusterRole
kind: ClusterRoleBinding
kind: Role
kind: RoleBinding
kind: Service
kind: Service
kind: Deployment
kind: ValidatingWebhookConfiguration
kind: ServiceAccount
kind: ClusterRole
kind: ClusterRoleBinding
kind: Role
kind: RoleBinding
kind: Job
kind: Job

查看部分内容:

kind: ConfigMap
apiVersion: v1
metadata:
name: nginx-configuration
namespace: ingress-nginx
labels:
app.kubernetes.io/name: ingress-nginx
app.kubernetes.io/part-of: ingress-nginx
---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-ingress-controller
namespace: ingress-nginx
labels:
app.kubernetes.io/name: ingress-nginx
app.kubernetes.io/part-of: ingress-nginx
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app.kubernetes.io/name: ingress-nginx
app.kubernetes.io/part-of: ingress-nginx
template:
metadata:
labels:
app.kubernetes.io/name: ingress-nginx
app.kubernetes.io/part-of: ingress-nginx
annotations:
...
spec:
serviceAccountName: nginx-ingress-serviceaccount
containers:
- name: nginx-ingress-controller
image: quay.io/kubernetes-ingress-controller/nginx-ingress-controller:0.20.0
args:
- /nginx-ingress-controller
- --configmap=$(POD_NAMESPACE)/nginx-configuration
- --publish-service=$(POD_NAMESPACE)/ingress-nginx
- --annotations-prefix=nginx.ingress.kubernetes.io
securityContext:
capabilities:
drop:
- ALL
add:
- NET_BIND_SERVICE
# www-data -> 33
runAsUser: 33
env:
- name: POD_NAME
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: metadata.name
- name: POD_NAMESPACE
- name: http
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: metadata.namespace
ports:
- name: http
containerPort: 80
- name: https
containerPort: 443

可以看到,在上述 YAML 文件中,我们定义了一个使用 ​​nginx-ingress-controller​​​ 镜像的 Pod。需要注意的是,这个 Pod 的启动命令需要使用该 Pod 所在的 Namespace 作为参数。而这个信息,当然是通过 Downward API 拿到的,即:Pod 的 env 字段里的定义(​​env.valueFrom.fieldRef.fieldPath​​)。

而这个 Pod 本身,就是一个监听 ​​Ingress​​ 对象以及它所代理的后端 Service 变化的控制器。

当一个新的 Ingress 对象由用户创建后,​​nginx-ingress-controller​​​ 就会根据 ​​Ingress 对象​​​里定义的内容,生成一份对应的 Nginx 配置文件(​​/etc/nginx/nginx.conf​​),并使用这个配置文件启动一个 Nginx 服务。

而一旦 Ingress 对象被更新,​​nginx-ingress-controller​​​ 就会更新这个配置文件。需要注意的是,如果这里只是被代理的 Service 对象被更新,nginx-ingress-controller 所管理的 Nginx 服务是不需要重新加载(reload)的。这当然是因为 nginx-ingress-controller 通过​​Nginx Lua方案​​实现了 Nginx Upstream 的动态配置。

此外,​​nginx-ingress-controller​​ 还允许你通过 Kubernetes 的 ConfigMap 对象来对上述 Nginx 配置文件进行定制。这个 ConfigMap 的名字,需要以参数的方式传递给 nginx-ingress-controller。而你在这个 ConfigMap 里添加的字段,将会被合并到最后生成的 Nginx 配置文件当中。

可以看到,一个 Nginx Ingress Controller 为你提供的服务,其实是一个可以根据 Ingress 对象和被代理后端 Service 的变化,来自动进行更新的 Nginx 负载均衡器。

查看pod ​​ingress-nginx-controller​​​是否正常​​running​

$ kubectl get pods --all-namespaces -l app.kubernetes.io/name=ingress-nginx
NAMESPACE NAME READY STATUS RESTARTS AGE
ingress-nginx ingress-nginx-admission-create-tqtmk 0/1 Completed 0 31m
ingress-nginx ingress-nginx-admission-patch-cnwtg 0/1 Completed 0 31m
ingress-nginx ingress-nginx-controller-548df9766d-kp5qq 1/1 Running 0 31m

查看svc ,​​30304​​​和​​31794​​是我们从外网访问的统一端口

$ kubectl get svc -n ingress-nginx
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
ingress-nginx-controller NodePort 10.97.119.123 80:30304/TCP,443:31794/TCP 32m
ingress-nginx-controller-admission ClusterIP 10.111.32.235 443/TCP 32m

你一定要记录下这个 Service 的访问入口,即:宿主机的地址和 NodePort 的端口
为了后面方便使用,我会把上述访问入口设置为环境变量:

$ IC_IP=10.168.0.2 # 任意一台宿主机的地址
$ IC_HTTPS_PORT=30304 # NodePort端口

可以扩容

kubectl scale --replicas=2  deploy/nginx-ingress-controller -n ingress-nginx

4. 测试1: 代理一个服务

deploy-demo.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: myapp
namespace: default
spec:
selector:
app: myapp
release: stable
ports:
- name: myapp
port: 80
targetPort: 80
---

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: myapp
namespace: default
spec:
selector:
matchLabels:
app: myapp
release: stable
replicas: 3
template:
metadata:
labels:
app: myapp
release: stable
spec:
containers:
- name: myapp
image: nginx
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- name: myapp
  containerPort: 80

vim ingress-myapp.yaml

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
name: ingress-myapp
namespace: default
annotations:
kubernetes.io/ingress.class: "nginx"
spec:
rules:
- host: httpd.hequan.com
http:
paths:
- path:
backend:
serviceName: myapp
servicePort: 80

kubectl create -f deploy-demo.yaml
kubectl create -f ingress-myapp.yaml

linuxhosts添加域名解析

vim /etc/hosts
#任意node_ip
192.168.100.112 httpd.hequan.com

windows添加C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts

192.168.100.112   httpd.hequan.com

访问 ​​httpd.hequan.com:32080​

5. 测试2: 代理两个服务

​介质下载​

#部署cafe的tea与coffee服务
$ kubectl create -f cafe.yaml

#创建 Ingress 所需的 SSL 证书(tls.crt)和密钥(tls.key)
$ kubectl create -f cafe-secret.yaml

#创建ingress对象
$ kubectl create -f cafe-ingress.yaml

查看信息

$ kubectl get ingress
NAME HOSTS ADDRESS PORTS AGE
cafe-ingress cafe.example.com 80, 443 2h

$ kubectl describe ingress cafe-ingress
Name: cafe-ingress
Namespace: default
Address:
Default backend: default-http-backend:80 ()
TLS:
cafe-secret terminates cafe.example.com
Rules:
Host Path Backends
---- ---- --------
cafe.example.com
/tea tea-svc:80 ()
/coffee coffee-svc:80 ()
Annotations:
Events:
Type Reason Age From Message
---- ------ ---- ---- -------
Normal CREATE 4m nginx-ingress-controller Ingress default/cafe-ingress

可以看到,这个 Ingress 对象最核心的部分,正是 Rules 字段。其中,我们定义的 Host 是​​cafe.example.com​​​,它有两条转发规则(Path),分别转发给 ​​tea-svc​​​ 和 ​​coffee-svc​​。

当然,在 Ingress 的 YAML 文件里,你还可以定义多个 Host,比如​​restaurant.example.com、movie.example.com​​等等,来为更多的域名提供负载均衡服务。

接下来,我们就可以通过访问这个 Ingress 的地址和端口,访问到我们前面部署的应用了,比如,当我们访问​​https://cafe.example.com:443/coffee​​时,应该是 coffee 这个 Deployment 负责响应我的请求。我们可以来尝试一下:

$ curl --resolve cafe.example.com:$IC_HTTPS_PORT:$IC_IP https://cafe.example.com:$IC_HTTPS_PORT/coffee --insecureServer address: 10.244.1.56:80
Server name: coffee-7dbb5795f6-vglbv
Date: 03/Nov/2018:03:55:32 +0000
URI: /coffee
Request ID: e487e672673195c573147134167cf898

我们可以看到,访问这个 URL 得到的返回信息是:​​Server name: coffee-7dbb5795f6-vglbv​​。这正是 coffee 这个 Deployment 的名字。

而当我访问​​https://cafe.example.com:433/tea​​的时候,则应该是 tea 这个 Deployment 负责响应我的请求(Server name: tea-7d57856c44-lwbnp),如下所示:

$ curl --resolve cafe.example.com:$IC_HTTPS_PORT:$IC_IP https://cafe.example.com:$IC_HTTPS_PORT/tea --insecure
Server address: 10.244.1.58:80
Server name: tea-7d57856c44-lwbnp
Date: 03/Nov/2018:03:55:52 +0000
URI: /tea
Request ID: 32191f7ea07cb6bb44a1f43b8299415c

可以看到,​​Nginx Ingress Controller​​ 为我们创建的 Nginx 负载均衡器,已经成功地将请求转发给了对应的后端 Service。以上,就是 Kubernetes 里 Ingress 的设计思想和使用方法了。

不过,你可能会有一个疑问,如果我的请求没有匹配到任何一条 IngressRule,那么会发生什么呢?首先,既然 Nginx Ingress Controller 是用 Nginx 实现的,那么它当然会为你返回一个 Nginx 的 404 页面。

不过,Ingress Controller 也允许你通过 Pod 启动命令里的​​–default-backend-service​​​ 参数,设置一条默认规则,比如:​​–default-backend-service=nginx-default-backend​​。这样,任何匹配失败的请求,就都会被转发到这个名叫 nginx-default-backend 的 Service。所以,你就可以通过部署一个专门的 Pod,来为用户返回自定义的 404 页面了。

6. 总结

  • Ingress 实际上就是 Kubernetes 对“反向代理”的抽象

目前,Ingress 只能工作在七层,而 Service 只能工作在四层。所以当你想要在 Kubernetes 里为应用进行 TLS 配置等 HTTP 相关的操作时,都必须通过 Ingress 来进行。

当然,正如同很多负载均衡项目可以同时提供七层和四层代理一样,将来 Ingress 的进化中,也会加入四层代理的能力。这样,一个比较完善的“反向代理”机制就比较成熟了。而 Kubernetes 提出 Ingress 概念的原因其实也非常容易理解,有了 Ingress 这个抽象,用户就可以根据自己的需求来自由选择 Ingress Controller。比如,如果你的应用对代理服务的中断非常敏感,那么你就应该考虑选择类似于 Traefik 这样支持“热加载”的 Ingress Controller 实现。

在实际的生产环境中,Ingress 带来的灵活度和自由度,对于使用容器的用户来说,其实是非常有意义的。要知道,当年在 Cloud Foundry 项目里,不知道有多少人为了给 ​​Gorouter​​ 组件配置一个 TLS 而伤透了脑筋。

7. 思考题

如果我的需求是,当访问​​www.mysite.com​​​和 ​​forums.mysite.com​​​时,分别访问到不同的 Service(比如:​​site-svc​​​ 和 f​​orums-svc​​​)。那么,这个 Ingress 该如何定义呢?请你描述出 YAML 文件中的 rules 字段。
答案:

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
name: cafe-ingress
spec:
tls:
- hosts:
- www.mysite.com
- forums.mysite.com
secretName: mysite-secret
rules:
- host: www.mysite.com
http:
paths:
- path: /mysite
backend:
serviceName: site-svc
servicePort: 80
- host: forums.mysite.com
http:
paths:
- path: /forums
backend:
serviceName: site-svc
servicePort: 80