Kube-Proxy IPVS模式源码分析

女主宣言

kube-proxy当前支持三种方式实现负载均衡，分别是: userspace, iptables, IPVS. 但前两者随着Service的数量增长，存在性能的瓶颈，在生产环境是不能接受的。所以本篇文章主要对IPVS模式进行源码分析。

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kube-proxy 整体逻辑结构

这张时序图描述了kube-proxy的整体逻辑结构，由于kub-proxy组件和其它的kube-* 组件一样都是使用pflag和cobra库去构建命令行应用程序。所以先简单介绍下该包的基本使用方式:

上面这段代码就是使用cobra包的一个最简单的例子，首先初始化Command结构，其中该结构中的Run就是最终要执行的真正逻辑。当初始化完成Command之后，通过commnad.Execute去启动应用程序。

现在看上面的图就能比较直观的理解程序的启动机制了，这张图的整体过程就是对Commnad结构中的Run进行核心逻辑实现。也就是说kube-proxy核心逻辑入口就是从这里开始(Command.Run)。

在Command.Run中主要做了如下几件事,看下面的代码:

1.对ProxyServer实例进行初始化。

2.如果在启动kube-proxy服务时，CleanupAndExit参数设置为true,则会将userspace, iptables, ipvs三种模式之前设置的所有规则清除掉，然后直接退出。

3.如果在启动kube-proxy服务时，CleanupAndExit参数设置为flase,则会调用runLoop来启动ProxyServer服务。

首先先来看看ProxyServer的结构定义:

在ProxyServer结构中包含了与kube-apiserver通信的Client、操作Iptables的IptInterface、操作IPVS的IpvsInterface、操作IpSet的IpsetInterface，以及通过ProxyMode参数获取基于userspace, iptables, ipvs三种方式中的哪种使用的Proxier。

接下来重点介绍基于ipvs模式实现的Proxier, 在ipvs模式下Proxier结构的定义:

在Proxier结构中，先介绍下async.BoundedFrequencyRunner,其它的在介绍ProxyServer.Run的时候介绍。

BoundedFrequencyRunner的定义结构如下:

BoundedFrequencyRunner结构中的run会异步的去定期的执行任务fn，比如定期的执行proxier.syncProxyRules去创建或者更新VirtuaServer和RealServer并将VirtualServer的VIP绑定到dummy interface(kube-ipvs0)。

下面是在NewProxier方法中初始化BoundedFrequencyRunner对象的示例:

其中:

minSyncPeriod: 规则最小的更新时间

syncPeriod: 规则最大更新时间

proxier.syncProxyRules: 同步规则的实现函数(也是kube-proxy基于ipvs同步规则的核心实现)

ProxyServer启动流程

这部分介绍下ProxyServer.Run的逻辑实现，ProxyServer启动流程如下图所示：

在启动过程中，主要做了下面这几件事情:

1.启动健康检查服务HealthzServer.

2.启动暴露监控指标的MetricsServer.

3.如果需要调整系统的conntrack相关参数,则对系统的conntrack进行参数调整.

4.创建一个informerFactory实例，后面去通过informerFactory获取kubernetes的各类资源数据.

5.创建一个ServiceConfig实例，这个实例主要作用是实时的WATCH kubernetes Service资源的变化，并加入队列中，用于后续对变化的Service进行规则同步。

6.注册servier event hander到Proxier.

7.启动serviceConfig.

接下来详细的介绍下[4-7]这几步的流程。

ServiceConfig的结构定义如下:

ServiceHandler的结构定义如下:

创建ServiceConfig实例对象的具体实现如下:

首先通过执行serviceInformer.Informer().HasSynced来将kubernetes下的所有Service资源同步到缓存listerSynced中。

其次为AddEventHandlerWithResyncPeriod添加针对Service对象，添加，更新，删除的事件触发函数。当Service有相应的触发动作，就会调用相应的函数：handleAddService、handleUpdateService和handleDeleteService。

我们看看handleAddService触发函数的实现逻辑，具体代码如下:

当watch到kubernetes集群中有新的Service被创建之后，会触发handleAddService函数，并在该函数中遍历eventHandlers分别去调用OnServiceAdd来对proxier结构中的serviceChanages进行更新并去同步相应的规则。

OnServiceAdd的具体实现逻辑如下:

ServiceChangeTracker的结构定义如下:

serviceChanage的结构定义如下:

到这里在回过头来看上面的基于IPVS实现的Proxier的整体流程就完全通了，ProxyServer.Run函数在启动时，通过kubernetes LIST/WATCH机制去实时的感知kubernetes集群Service资源的变化，然后不断的在更新Proxier结构中的ServiceChanges，然后将变化的Service保存在ServiceChanges结构中的ServiceMap中，给后续的async.BoundedFrequencyRunner去执行同步规则函数syncProxyRules来使用。

8.endpointConfig的实现机制和serviceConfig的机制完全一样，这里就不在详细的介绍了。

9.上面做的所有预处理工作，会在informerFactory.Start这步生效。

10.birthCry的作用就是通过event的方式通知kubernetes, kube-proxy这边的所有准备工作都处理好了，我要启动了。

11.最终通过SyncLoop启动kube-proxy服务，并立刻执行syncProxyRules先来一遍同步再说.之后便会通过异步的方式定期的去同步IPVS, Iptables, Ipset的规则。

而syncProxyRules函数是kube-proxy实现的核心。主体逻辑是遍历ServiceMap并遍历ServiceMap下的endpointsMap及创建的Service类型(如: CLusterIP, Loadbalancer, NodePort)去分别创建相应的IPVS规则。

syncProxyRules的函数实现定义如下:

总结

kube-proxy的代码逻辑还是比较简洁的，整体的思想就是kube-proxy服务去watch kubernetes集群的Service和Endpoint对象，当这两个资源对象有状态变化时，会把它们保存在ServiceMap和EndPonintMap中，然后会通过async.BoundedFrequencyRunner去异步的执行syncProxyRules去下发规则。

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