使用源 IP

运行在 Kubernetes 集群中的应用程序通过 Service 抽象来发现彼此并进行通信，同时也与外部世界进行通信。本文档解释了发送到不同类型 Service 的数据包的源 IP 会发生什么情况，以及如何根据需要切换此行为。

开始之前

术语

本文档使用了以下术语

NAT: 网络地址转换 (Network address translation)
源 NAT: 替换数据包上的源 IP；在本页中，这通常意味着替换为节点的 IP 地址。
目的 NAT: 替换数据包上的目的 IP；在本页中，这通常意味着替换为 Pod 的 IP 地址
VIP: 虚拟 IP 地址，例如分配给 Kubernetes 中每个 Service 的地址
kube-proxy: 一种网络守护进程，负责在每个节点上编排 Service VIP 管理

先决条件

你需要有一个 Kubernetes 集群，并且必须配置 kubectl 命令行工具以与你的集群通信。建议在至少有两个节点的集群上运行本教程，且这些节点不能作为控制平面主机。如果你还没有集群，可以通过 minikube 创建一个，或者使用以下 Kubernetes 演练场之一。

这些示例使用了一个小型 nginx Web 服务器，它通过 HTTP 标头回显其接收到的请求的源 IP。您可以按如下方式创建它

说明

以下命令中的镜像仅在 AMD64 架构上运行。

kubectl create deployment source-ip-app --image=registry.k8s.io/echoserver:1.10

输出如下：

deployment.apps/source-ip-app created

目标

通过各种类型的 Service 暴露一个简单的应用程序
了解每种 Service 类型如何处理源 IP NAT
了解保留源 IP 涉及的权衡

`Type=ClusterIP` 服务的源 IP

如果您在 iptables 模式（默认）下运行 kube-proxy，则从集群内部发送到 ClusterIP 的数据包永远不会被源 NAT。您可以通过获取运行 kube-proxy 的节点上的 https://:10249/proxyMode 来查询 kube-proxy 模式。

kubectl get nodes

输出类似于此

NAME                           STATUS     ROLES    AGE     VERSION
kubernetes-node-6jst   Ready      <none>   2h      v1.13.0
kubernetes-node-cx31   Ready      <none>   2h      v1.13.0
kubernetes-node-jj1t   Ready      <none>   2h      v1.13.0

获取其中一个节点上的代理模式 (kube-proxy 在 10249 端口上监听)

# Run this in a shell on the node you want to query.
curl https://:10249/proxyMode

输出如下：

iptables

您可以通过在源 IP 应用上创建 Service 来测试源 IP 保留

kubectl expose deployment source-ip-app --name=clusterip --port=80 --target-port=8080

输出如下：

service/clusterip exposed

kubectl get svc clusterip

输出类似于

NAME         TYPE        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
clusterip    ClusterIP   10.0.170.92   <none>        80/TCP    51s

并从同一集群中的 Pod 访问 ClusterIP

kubectl run busybox -it --image=busybox:1.28 --restart=Never --rm

输出类似于此

Waiting for pod default/busybox to be running, status is Pending, pod ready: false
If you don't see a command prompt, try pressing enter.

然后，您可以在该 Pod 内运行命令

# Run this inside the terminal from "kubectl run"
ip addr

1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1460 qdisc noqueue
    link/ether 0a:58:0a:f4:03:08 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.244.3.8/24 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::188a:84ff:feb0:26a5/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

……然后使用 wget 查询本地 Web 服务器

# Replace "10.0.170.92" with the IPv4 address of the Service named "clusterip"
wget -qO - 10.0.170.92

CLIENT VALUES:
client_address=10.244.3.8
command=GET
...

无论客户端 Pod 和服务器 Pod 是否在同一节点上或不同节点上，client_address 始终是客户端 Pod 的 IP 地址。

`Type=NodePort` 服务的源 IP

发送到 Type=NodePort 服务的包默认会进行源 NAT。您可以通过创建一个 NodePort Service 来测试这一点

kubectl expose deployment source-ip-app --name=nodeport --port=80 --target-port=8080 --type=NodePort

输出如下：

service/nodeport exposed

NODEPORT=$(kubectl get -o jsonpath="{.spec.ports[0].nodePort}" services nodeport)
NODES=$(kubectl get nodes -o jsonpath='{ $.items[*].status.addresses[?(@.type=="InternalIP")].address }')

如果您在云提供商上运行，则可能需要为上面报告的 nodes:nodeport 打开防火墙规则。现在，您可以尝试通过上面分配的节点端口从集群外部访问该 Service。

for node in $NODES; do curl -s $node:$NODEPORT | grep -i client_address; done

输出类似于

client_address=10.180.1.1
client_address=10.240.0.5
client_address=10.240.0.3

请注意，这些不是正确的客户端 IP，它们是集群内部 IP。以下是发生的情况

客户端发送数据包到 node2:nodePort
node2 用其自己的 IP 地址替换数据包中的源 IP 地址 (SNAT)
node2 用 Pod IP 替换数据包上的目的 IP
数据包被路由到节点 1，然后路由到端点
Pod 的回复被路由回 node2
Pod 的回复被发回给客户端

图示

source IP nodeport figure 01 — 图：使用 SNAT 的源 IP Type=NodePort

为了避免这种情况，Kubernetes 提供了一项保留客户端源 IP 的功能。如果您将 service.spec.externalTrafficPolicy 设置为 Local 值，kube-proxy 仅将请求代理到本地端点，而不将流量转发到其他节点。此方法保留了原始源 IP 地址。如果没有本地端点，发送到该节点的数据包将被丢弃，因此您可以依赖于任何应用于到达端点的数据包的包处理规则中的正确源 IP。

按如下方式设置 service.spec.externalTrafficPolicy 字段

kubectl patch svc nodeport -p '{"spec":{"externalTrafficPolicy":"Local"}}'

输出如下：

service/nodeport patched

现在，重新运行测试

for node in $NODES; do curl --connect-timeout 1 -s $node:$NODEPORT | grep -i client_address; done

输出类似于

client_address=198.51.100.79

请注意，您只从运行端点 Pod 的那个节点收到了一个回复，且带有“正确”的客户端 IP。

以下是发生的情况

客户端向没有端点的 node2:nodePort 发送数据包
数据包被丢弃
客户端向确实有端点的 node1:nodePort 发送数据包
node1 将数据包路由到具有正确源 IP 的端点

图示

source IP nodeport figure 02 — 图：源 IP Type=NodePort 保留客户端源 IP 地址

`Type=LoadBalancer` 服务的源 IP

发送到 Type=LoadBalancer 服务的包默认会进行源 NAT，因为集群中所有处于 Ready 状态的可调度 Kubernetes 节点都有资格接收负载均衡流量。因此，如果数据包到达一个没有端点的节点，系统会将该数据包代理到有端点的节点，并用节点的 IP 替换数据包上的源 IP（如上一节所述）。

您可以通过通过负载均衡器暴露 source-ip-app 来测试这一点

kubectl expose deployment source-ip-app --name=loadbalancer --port=80 --target-port=8080 --type=LoadBalancer

输出如下：

service/loadbalancer exposed

打印 Service 的 IP 地址

kubectl get svc loadbalancer

输出类似于此

NAME           TYPE           CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP       PORT(S)   AGE
loadbalancer   LoadBalancer   10.0.65.118   203.0.113.140     80/TCP    5m

接下来，向此 Service 的 external-ip 发送请求

curl 203.0.113.140

输出类似于此

CLIENT VALUES:
client_address=10.240.0.5
...

但是，如果您在 Google Kubernetes Engine/GCE 上运行，将相同的 service.spec.externalTrafficPolicy 字段设置为 Local 会强制没有 Service 端点的节点通过故意使健康检查失败，将自己从有资格接收负载均衡流量的节点列表中移除。

图示

Source IP with externalTrafficPolicy

您可以通过设置注解来测试这一点

kubectl patch svc loadbalancer -p '{"spec":{"externalTrafficPolicy":"Local"}}'

您应该会立即看到由 Kubernetes 分配的 service.spec.healthCheckNodePort 字段

kubectl get svc loadbalancer -o yaml | grep -i healthCheckNodePort

输出类似于此

  healthCheckNodePort: 32122

service.spec.healthCheckNodePort 字段指向每个节点上提供 /healthz 健康检查的端口。您可以对其进行测试

kubectl get pod -o wide -l app=source-ip-app

输出类似于此

NAME                            READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
source-ip-app-826191075-qehz4   1/1       Running   0          20h       10.180.1.136   kubernetes-node-6jst

使用 curl 获取各个节点上的 /healthz 端点

# Run this locally on a node you choose
curl localhost:32122/healthz

1 Service Endpoints found

在不同的节点上，您可能会得到不同的结果

# Run this locally on a node you choose
curl localhost:32122/healthz

No Service Endpoints Found

运行在控制平面上的控制器负责分配云负载均衡器。同一个控制器还会分配指向每个节点上此端口/路径的 HTTP 健康检查。等待大约 10 秒让没有端点的 2 个节点使健康检查失败，然后使用 curl 查询负载均衡器的 IPv4 地址

curl 203.0.113.140

输出类似于此

CLIENT VALUES:
client_address=198.51.100.79
...

跨平台支持

只有部分云提供商提供通过 Type=LoadBalancer 服务保留源 IP 的支持。您运行所在的云提供商可能会通过几种不同的方式满足负载均衡器的请求

使用终止客户端连接并向您的节点/端点打开新连接的代理。在这种情况下，源 IP 始终是云 LB 的源 IP，而不是客户端的源 IP。
使用数据包转发器，使得客户端发送到负载均衡器 VIP 的请求最终到达节点时，其源 IP 是客户端的 IP，而不是中间代理的 IP。

第一类负载均衡器必须使用负载均衡器和后端之间约定的协议来通信真实的客户端 IP，例如 HTTP Forwarded 或 X-FORWARDED-FOR 标头，或者代理协议 (proxy protocol)。第二类负载均衡器可以通过创建指向 Service 上存储在 service.spec.healthCheckNodePort 字段中的端口的 HTTP 健康检查，来利用上述功能。

清理

删除服务

kubectl delete svc -l app=source-ip-app

删除 Deployment、ReplicaSet 和 Pod

kubectl delete deployment source-ip-app

接下来

了解更多关于通过服务连接应用程序的信息
阅读如何创建外部负载均衡器

最后修改时间：2024 年 9 月 8 日下午 5:21（太平洋标准时间）：更新 source-ip.md (9c58a926d5)

使用源 IP

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先决条件

说明

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Type=ClusterIP 服务的源 IP

Type=NodePort 服务的源 IP

Type=LoadBalancer 服务的源 IP

跨平台支持

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`Type=LoadBalancer` 服务的源 IP