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【Kubernetes】K8s笔记（十一）：Ingress 集群进出流量总管

0. Ingress 解决了什么问题

上一篇笔记中讲解了 Service 的功能和运行机制。Service 本质上是一个由 kube-proxy 控制的四层负载均衡，在 TCP/IP 协议栈上转发流量。然而四层负载均衡能做的很有限，现在绝大多应用运行在应用层（五层/ OSI 七层）的 HTTP/HTTPS 协议之上，有更多的高级路由条件，而这些在传输层是不可见的。

Service 比较适合代理集群内部的服务。如果想要把服务暴露到集群外部，就只能使用 NodePort 或者 LoadBalancer 这两种方式，而它们都缺乏足够的灵活性，难以管控。

Kubernetes 为了解决这个问题，引入了一个新的 API 对象做七层负载均衡。除了七层负载均衡，这个对象还承担了更多的职责——作为流量的总入口，管理进出集群的数据（南北向流量），让外部用户能够安全便捷地访问集群内部的服务。这个 API 对象被命名为 Ingress，意思就是集群内外边界上的入口。

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*图示是一个将所有流量都发送到同一 Service 的简单 Ingress 示例 图片来源

1. Ingress Controller

Service 本身是没有服务能力的，它只是一些 iptables 规则，真正配置、应用这些规则的实际上是节点里的 kube-proxy 组件。如果没有 kube-proxy，Service 定义得再完善也没有用。

同样的，Ingress 也只是一些 HTTP 路由规则的集合，相当于一份静态的描述文件，真正要把这些规则在集群里实施运行，还需要有另外一个东西，这就是 Ingress Controller，它的作用就相当于 Service 的 kube-proxy，能够读取、应用 Ingress 规则，处理、调度流量。

为了让 Ingress 资源工作，集群必须有一个正在运行的 Ingress 控制器。Ingress 控制器不是随集群自动启动的，用户可以选择最适合集群的 Ingress 控制器实现。Kubernetes 目前支持和维护 AWS、 GCE 和 Nginx Ingress 控制器。还有很多控制器可供选择。

从 Ingress Controller 的描述上我们也可以看到，HTTP 层面的流量管理、安全控制等功能其实就是经典的反向代理，而 Nginx 则是其中稳定性最好、性能最高的产品，所以它也理所当然成为了 Kubernetes 里应用得最广泛的 Ingress Controller。不过，因为 Nginx 是开源的，谁都可以基于源码做二次开发，所以它又有很多的变种。这里我们选取 Nginx 对 Ingress Controller 的开发实现 NGINX Ingress Controller。

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*图示展示了 Ingress Controller 在集群中的位置 图片来源

2. 指定 Ingress Class 使用多个 Ingress Controller

IngressClass Docs

起初，Kubernetes 集群内只有一个 Ingress Controller，这样的用法会带来一些问题：

  • 由于某些原因，项目组需要引入不同的 Ingress Controller，但 Kubernetes 不允许这样做

  • Ingress 规则太多，都交给一个 Ingress Controller 处理会让它不堪重负

  • 多个 Ingress 对象没有很好的逻辑分组方式，管理和维护成本很高

  • 集群里有不同的租户，他们对 Ingress 的需求差异很大甚至有冲突，无法部署在同一个 Ingress Controller 上

Kubernetes 就又提出了一个 Ingress Class 的概念，让它插在 Ingress 和 Ingress Controller 中间，作为流量规则和控制器的协调人，解除了 Ingress 和 Ingress Controller 的强绑定关系。

Kubernetes 用户可以转向管理 Ingress Class，用它来定义不同的业务逻辑分组，简化 Ingress 规则的复杂度。比如说，我们可以用 Class A 处理博客流量、Class B 处理短视频流量、Class C 处理购物流量。这些 Ingress 和 Ingress Controller 彼此独立，不会发生冲突。

3. 使用 YAML 描述 Ingress / Ingress Class

首先用命令 kubectl api-resources 查看它们的基本信息：

NAME                              SHORTNAMES   APIVERSION                             NAMESPACED   KIND
ingressclasses                                 networking.k8s.io/v1                   false        IngressClass
ingresses                         ing          networking.k8s.io/v1                   true         Ingress

*Ingress Controller 是一个处理流量的应用程序，稍后可以使用 Deployment 和 DaemonSet 来部署

3.1 Ingress

Ingress 可以使用 kubectl create 来创建样板文件，它需要用两个附加参数：

  • --class - 指定 Ingress 从属的 Ingress Class 对象

  • --rule - 指定路由规则，基本形式是 URI=Service，也就是说是访问 HTTP 路径就转发到对应的 Service 对象，再由 Service 对象转发给后端的 Pod

$ export out="--dry-run=client -o yaml"
$ kubectl create ing ngx-ing --rule="ngx.test/=ngx-svc:80" --class=ngx-ink $out

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ngx-ing

spec:
  ingressClassName: ngx-ink

  rules:
  - host: ngx.test
    http:
      paths:
      - backend:
          service:
            name: ngx-svc
            port:
              number: 80
        path: /
        pathType: Exact

这份 YAML 文档中有两个关键字段 ingressClassName 和 rules，rules 的格式稍显复杂：它将路由规则拆散为 host 和 http path，在 path 里又指定了路径的匹配方式，可以是精确匹配 Exact 或者是前缀匹配 Prefix，再用 backend 来指定转发的目标 Service 对象。

3.2 Ingress Class

Ingress Class 本身并没有什么实际的功能，只是起到联系 Ingress 和 Ingress Controller 的作用，所以它的定义非常简单，在 spec 里只有一个必需的字段 controller ，表示要使用哪个 Ingress Controller，具体的名字就要看实现文档了。

比如，要使用 Nginx 开发的 Ingress Controller，那么就要用名字 nginx.org/ingress-controller：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: IngressClass
metadata:
  name: ngx-ink

spec:
  controller: nginx.org/ingress-controller

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4. 使用 Ingress / Ingress Class

使用 kubectl apply 创建 Ingress 和 Ingress Class 这两个对象：

$ kubectl apply -f ngx-ing-class.yaml 
ingressclass.networking.k8s.io/ngx-ink created
$ kubectl apply -f ngx-ing.yaml 
ingress.networking.k8s.io/ngx-ing created

然后我们查看 Ingress 和 Ingress Class 的状态：

$ kubectl get ingress -o wide 
NAME      CLASS     HOSTS      ADDRESS   PORTS   AGE
ngx-ing   ngx-ink   ngx.test             80      67s
$ kubectl get ingressclass -o wide 
NAME      CONTROLLER                     PARAMETERS   AGE
ngx-ink   nginx.org/ingress-controller   <none>       84s

可以使用 kubectl describe 查看详细的信息：

$ kubectl describe ing ngx-ing 
Name:             ngx-ing
Labels:           <none>
Namespace:        default
Address:          
Ingress Class:    ngx-ink
Default backend:  <default>
Rules:
  Host        Path  Backends
  ----        ----  --------
  ngx.test    
              /   ngx-svc:80 (10.10.1.38:80,10.10.1.40:80,10.10.1.41:80)
Annotations:  <none>
Events:       <none>

可以看到 Ingress 对象的路由规则 Host/Path 就是在 YAML 里设置的域名 ngx.test/。

5. 使用 Ingress Controller

准备好了 Ingress 和 Ingress Class，接下来就需要部署真正处理路由规则的 Ingress Controller。

Nginx Ingress Controller 以 Pod 的形式运行在 Kubernetes 里，同时支持 Deployment 和 DaemonSet 两种部署方式。我们现在根据 Nginx Ingress Controller Installation Docs 部署 Nginx Ingress Controller。

在使用 kubectl 的主机上首先克隆仓库并进入部署文件夹：

$ git clone https://github.com/nginxinc/kubernetes-ingress.git --branch v2.4.1
$ cd kubernetes-ingress/deployments

Nginx Ingress Controller 的安装略微麻烦一些，有很多个 YAML 需要执行，但如果只是做简单的试验，就只需要用到 4 个 YAML：

$ kubectl apply -f common/ns-and-sa.yaml
namespace/nginx-ingress created
serviceaccount/nginx-ingress created

$ kubectl apply -f rbac/rbac.yaml
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/nginx-ingress created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/nginx-ingress created

$ kubectl apply -f common/nginx-config.yaml
configmap/nginx-config created

$ kubectl apply -f common/default-server-secret.yaml
secret/default-server-secret created

前两条命令为 Ingress Controller 创建了一个独立的名字空间 nginx-ingress，还有相应的账号和权限，这是为了访问 apiserver 获取 Service、Endpoint 信息用的；后两条则是创建了一个 ConfigMap 和 Secret，用来配置 HTTP/HTTPS 服务。

接下来我们还需要部署一些 Custom Resources，没有它们我们部署的 Ingress Controller 就无法运行：

$ kubectl apply -f common/crds/k8s.nginx.org_policies.yaml 
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/policies.k8s.nginx.org created

$ kubectl apply -f common/crds/k8s.nginx.org_transportservers.yaml 
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/transportservers.k8s.nginx.org created
     
$ kubectl apply -f common/crds/k8s.nginx.org_virtualserverroutes.yaml 
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/virtualserverroutes.k8s.nginx.org created

$ kubectl apply -f common/crds/k8s.nginx.org_virtualservers.yaml 
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/virtualservers.k8s.nginx.org created

部署 Ingress Controller 不需要我们自己从头编写 Deployment，Nginx 已经为我们提供了示例 YAML （位置是：kubernetes-ingress/deployments/deployment/nginx-ingress.yaml），现在我们对其进行一些小小的改动：

  • metadata 里的 name 要改成自己的名字，比如 ngx-ing-dep

  • spec.selector 和 template.metadata.labels 也要修改成自己的名字，比如还是用 ngx-ing-dep

  • containers.image 可以改用 apline 版本，加快下载速度，比如 nginx/nginx-ingress:2.2-alpine

  • 最下面的 args 要加上 -ingress-class=ngx-ink，也就是前面创建的 Ingress Class 的名字，这是让 Ingress Controller 管理 Ingress 的关键

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: ngx-ing-dep
  namespace: nginx-ingress
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: ngx-ing-dep

  template:
    metadata:
      labels:
        app: ngx-ing-dep

    spec:
      serviceAccountName: nginx-ingress
      automountServiceAccountToken: true
      containers:
      - image: nginx/nginx-ingress:2.2-alpine
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        name: nginx-ingress
        ports:
        - name: http
          containerPort: 80
        - name: https
          containerPort: 443
        - name: readiness-port
          containerPort: 8081
        - name: prometheus
          containerPort: 9113
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /nginx-ready
            port: readiness-port
          periodSeconds: 1
        resources:
          requests:
            cpu: "100m"
            memory: "128Mi"

        securityContext:
          allowPrivilegeEscalation: true
          runAsUser: 101 #nginx
          runAsNonRoot: true
          capabilities:
            drop:
            - ALL
            add:
            - NET_BIND_SERVICE
        env:
        - name: POD_NAMESPACE
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: metadata.namespace
        - name: POD_NAME
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: metadata.name
        args:
          - -nginx-configmaps=$(POD_NAMESPACE)/nginx-config
          - -default-server-tls-secret=$(POD_NAMESPACE)/default-server-secret
          - -ingress-class=ngx-ink

有了 Ingress Controller，这些 API 对象的关联就更复杂了。然后我们创建对象：

$ kubectl apply -f ngx-ing-dep.yaml 
deployment.apps/ngx-ing-dep created

注意 Ingress Controller 位于名字空间 nginx-ingress，所以查看状态需要用 -n 参数显式指定，否则我们只能看到 default 名字空间里的 Pod：

$ kubectl get deploy -n nginx-ingress
NAME          READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
ngx-ing-dep   1/1     1            1           10m

$ kubectl get pod -n nginx-ingress
NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
ngx-ing-dep-7c48c74865-vzmnf   1/1     Running   0          11m

现在 Ingress Controller 就算是运行起来了。还有最后一道工序，因为 Ingress Controller 本身也是一个 Pod，想要向外提供服务还是要依赖于 Service 对象。所以至少还要再为它定义一个 Service，使用 NodePort 或者 LoadBalancer 暴露端口，才能真正把集群的内外流量打通。

这里还有个取巧的办法，使用 kubectl port-forward 直接把本地的端口映射到 Kubernetes 集群的某个 Pod 里，在测试验证的时候非常方便。

$ kubectl port-forward -n nginx-ingress ngx-ing-dep-7c48c74865-vzmnf 8080:80 &

可以修改 /etc/hosts 来手工添加域名解析，也可以使用 --resolve 参数，指定域名的解析规则，比如在这里把 ngx.test 强制解析到 127.0.0.1，也就是被 kubectl port-forward 转发的本地地址。

和 Service 一样，Ingress 把请求转发到了集群内部的 Pod，但 Ingress 的路由规则不再是 IP 地址，而是 HTTP 协议里的域名、URI 等要素。

再补充一点，目前的 Kubernetes 流量管理功能主要集中在 Ingress Controller 上，已经远不止于管理“入口流量”了，它还能管理“出口流量”，也就是 egress，甚至还可以管理集群内部服务之间的“东西向流量”。此外，Ingress Controller 通常还有很多的其他功能，比如 TLS 终止、网络应用防火墙、限流限速、流量拆分、身份认证、访问控制等等，完全可以认为它是一个全功能的反向代理或者网关。

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