摘要：廣告離線安裝包，僅需三步源碼解析相對于模式具備較高的性能與穩定性本文講以此模式的源碼解析為主，如果想去了解模式的原理，可以去參考其實現，架構上無差別。主要功能是監聽和的事件，然后下放代理策略到機器上。

廣告 | kubernetes離線安裝包，僅需三步

ipvs相對于iptables模式具備較高的性能與穩定性, 本文講以此模式的源碼解析為主，如果想去了解iptables模式的原理，可以去參考其實現，架構上無差別。

kube-proxy主要功能是監聽service和endpoint的事件，然后下放代理策略到機器上。 底層調用docker/libnetwork, 而libnetwork最終調用了netlink 與netns來實現ipvs的創建等動作

代碼入口：cmd/kube-proxy/app/server.go Run() 函數

通過命令行參數去初始化proxyServer的配置

proxyServer, err := NewProxyServer(o)

type ProxyServer struct {
    // k8s client
    Client                 clientset.Interface
    EventClient            v1core.EventsGetter

    // ipvs 相關接口
    IptInterface           utiliptables.Interface
    IpvsInterface          utilipvs.Interface
    IpsetInterface         utilipset.Interface

    // 處理同步時的處理器
    Proxier                proxy.ProxyProvider

    // 代理模式，ipvs iptables userspace kernelspace(windows)四種
    ProxyMode              string
    // 配置同步周期
    ConfigSyncPeriod       time.Duration

    // service 與 endpoint 事件處理器
    ServiceEventHandler    config.ServiceHandler
    EndpointsEventHandler  config.EndpointsHandler
}

Proxier是主要入口，抽象了兩個函數：

type ProxyProvider interface {
    // Sync immediately synchronizes the ProxyProvider"s current state to iptables.
    Sync()
    // 定期執行
    SyncLoop()
}

ipvs 的interface 這個很重要：

type Interface interface {
    // 刪除所有規則
    Flush() error
    // 增加一個virtual server
    AddVirtualServer(*VirtualServer) error

    UpdateVirtualServer(*VirtualServer) error
    DeleteVirtualServer(*VirtualServer) error
    GetVirtualServer(*VirtualServer) (*VirtualServer, error)
    GetVirtualServers() ([]*VirtualServer, error)

    // 給virtual server加個realserver, 如 VirtualServer就是一個clusterip realServer就是pod(或者自定義的endpoint)
    AddRealServer(*VirtualServer, *RealServer) error
    GetRealServers(*VirtualServer) ([]*RealServer, error)
    DeleteRealServer(*VirtualServer, *RealServer) error
}

我們在下文再詳細看ipvs_linux是如何實現上面接口的

virtual server與realserver, 最重要的是ip:port，然后就是一些代理的模式如sessionAffinity等:

type VirtualServer struct {
    Address   net.IP
    Protocol  string
    Port      uint16
    Scheduler string
    Flags     ServiceFlags
    Timeout   uint32
}

type RealServer struct {
    Address net.IP
    Port    uint16
    Weight  int
}

創建apiserver client

client, eventClient, err := createClients(config.ClientConnection, master)

創建Proxier 這是僅僅關注ipvs模式的proxier

else if proxyMode == proxyModeIPVS {
        glog.V(0).Info("Using ipvs Proxier.")
        proxierIPVS, err := ipvs.NewProxier(
            iptInterface,
            ipvsInterface,
            ipsetInterface,
            utilsysctl.New(),
            execer,
            config.IPVS.SyncPeriod.Duration,
            config.IPVS.MinSyncPeriod.Duration,
            config.IPTables.MasqueradeAll,
            int(*config.IPTables.MasqueradeBit),
            config.ClusterCIDR,
            hostname,
            getNodeIP(client, hostname),
            recorder,
            healthzServer,
            config.IPVS.Scheduler,
        )
...
        proxier = proxierIPVS
        serviceEventHandler = proxierIPVS
        endpointsEventHandler = proxierIPVS

這個Proxier具備以下方法：

   +OnEndpointsAdd(endpoints *api.Endpoints)
   +OnEndpointsDelete(endpoints *api.Endpoints)
   +OnEndpointsSynced()
   +OnEndpointsUpdate(oldEndpoints, endpoints *api.Endpoints)
   +OnServiceAdd(service *api.Service)
   +OnServiceDelete(service *api.Service)
   +OnServiceSynced()
   +OnServiceUpdate(oldService, service *api.Service)
   +Sync()
   +SyncLoop()

所以ipvs的這個Proxier實現了我們需要的絕大部分接口

小結一下：

     +-----------> endpointHandler
     |
     +-----------> serviceHandler
     |                ^
     |                | +-------------> sync 定期同步等
     |                | |
ProxyServer---------> Proxier --------> service 事件回調           
     |                  |                                                
     |                  +-------------> endpoint事件回調          
     |                                             |  觸發
     +-----> ipvs interface ipvs handler     <-----+

檢查是不是帶了clean up參數，如果帶了那么清除所有規則退出

OOM adjuster貌似沒實現，忽略

resouceContainer也沒實現，忽略

啟動metrics服務器，這個挺重要，比如我們想監控時可以傳入這個參數, 包含promethus的 metrics. metrics-bind-address參數

啟動informer, 開始監聽事件，分別啟動協程處理。

1 2 3 4我們都不用太關注，細看5即可：

informerFactory := informers.NewSharedInformerFactory(s.Client, s.ConfigSyncPeriod)

serviceConfig := config.NewServiceConfig(informerFactory.Core().InternalVersion().Services(), s.ConfigSyncPeriod)
// 注冊 service handler并啟動
serviceConfig.RegisterEventHandler(s.ServiceEventHandler)
// 這里面僅僅是把ServiceEventHandler賦值給informer回調 
go serviceConfig.Run(wait.NeverStop)

endpointsConfig := config.NewEndpointsConfig(informerFactory.Core().InternalVersion().Endpoints(), s.ConfigSyncPeriod)
// 注冊endpoint 
endpointsConfig.RegisterEventHandler(s.EndpointsEventHandler)
go endpointsConfig.Run(wait.NeverStop)

go informerFactory.Start(wait.NeverStop)

serviceConfig.Run與endpointConfig.Run僅僅是給回調函數賦值, 所以注冊的handler就給了informer, informer監聽到事件時就會回調：

for i := range c.eventHandlers {
    glog.V(3).Infof("Calling handler.OnServiceSynced()")
    c.eventHandlers[i].OnServiceSynced()
}

那么問題來了，注冊進去的這個handler是啥？ 回顧一下上文的

        serviceEventHandler = proxierIPVS
        endpointsEventHandler = proxierIPVS

所以都是這個proxierIPVS

handler的回調函數, informer會回調這幾個函數，所以我們在自己開發時實現這個interface注冊進去即可：

type ServiceHandler interface {
    // OnServiceAdd is called whenever creation of new service object
    // is observed.
    OnServiceAdd(service *api.Service)
    // OnServiceUpdate is called whenever modification of an existing
    // service object is observed.
    OnServiceUpdate(oldService, service *api.Service)
    // OnServiceDelete is called whenever deletion of an existing service
    // object is observed.
    OnServiceDelete(service *api.Service)
    // OnServiceSynced is called once all the initial even handlers were
    // called and the state is fully propagated to local cache.
    OnServiceSynced()
}

go informerFactory.Start(wait.NeverStop)

這里執行后，我們創建刪除service endpoint等動作都會被監聽到，然后回調,回顧一下上面的圖，最終都是由Proxier去實現，所以后面我們重點關注Proxier即可

s.Proxier.SyncLoop()

然后開始SyncLoop,下文開講

我們創建一個service時OnServiceAdd方法會被調用, 這里記錄一下之前的狀態與當前狀態兩個東西，然后發個信號給syncRunner讓它去處理：

func (proxier *Proxier) OnServiceAdd(service *api.Service) {
    namespacedName := types.NamespacedName{Namespace: service.Namespace, Name: service.Name}
    if proxier.serviceChanges.update(&namespacedName, nil, service) && proxier.isInitialized() {
        proxier.syncRunner.Run()
    }
}

記錄service 信息,可以看到沒做什么事，就是把service存在map里, 如果沒變直接刪掉map信息不做任何處理：

change, exists := scm.items[*namespacedName]
if !exists {
    change = &serviceChange{}
    // 老的service信息
    change.previous = serviceToServiceMap(previous)
    scm.items[*namespacedName] = change
}
// 當前監聽到的service信息
change.current = serviceToServiceMap(current)

如果一樣，直接刪除
if reflect.DeepEqual(change.previous, change.current) {
    delete(scm.items, *namespacedName)
}

proxier.syncRunner.Run() 里面就發送了一個信號

select {
case bfr.run <- struct{}{}:
default:
}

這里面處理了這個信號

s.Proxier.SyncLoop()

func (proxier *Proxier) SyncLoop() {
    // Update healthz timestamp at beginning in case Sync() never succeeds.
    if proxier.healthzServer != nil {
        proxier.healthzServer.UpdateTimestamp()
    }
    proxier.syncRunner.Loop(wait.NeverStop)
}

runner里收到信號執行，沒收到信號會定期執行：

func (bfr *BoundedFrequencyRunner) Loop(stop <-chan struct{}) {
    glog.V(3).Infof("%s Loop running", bfr.name)
    bfr.timer.Reset(bfr.maxInterval)
    for {
        select {
        case <-stop:
            bfr.stop()
            glog.V(3).Infof("%s Loop stopping", bfr.name)
            return
        case <-bfr.timer.C():  // 定期執行
            bfr.tryRun()
        case <-bfr.run:
            bfr.tryRun()       // 收到事件信號執行
        }
    }
}

這個bfr runner里我們最需要主意的是一個回調函數，tryRun里檢查這個回調是否滿足被調度的條件：

type BoundedFrequencyRunner struct {
    name        string        // the name of this instance
    minInterval time.Duration // the min time between runs, modulo bursts
    maxInterval time.Duration // the max time between runs

    run chan struct{} // try an async run

    mu      sync.Mutex  // guards runs of fn and all mutations
    fn      func()      // function to run, 這個回調
    lastRun time.Time   // time of last run
    timer   timer       // timer for deferred runs
    limiter rateLimiter // rate limiter for on-demand runs
}

// 傳入的proxier.syncProxyRules這個函數
proxier.syncRunner = async.NewBoundedFrequencyRunner("sync-runner", proxier.syncProxyRules, minSyncPeriod, syncPeriod, burstSyncs)

這是個600行左右的搓逼函數，也是處理主要邏輯的地方。

設置一些iptables規則，如mark與comment

確定機器上有網卡，ipvs需要綁定地址到上面

確定有ipset，ipset是iptables的擴展，可以給一批地址設置iptables規則

...(又臭又長，重復代碼多，看不下去了，細節問題自己去看吧)

我們最關注的，如何去處理VirtualServer的

serv := &utilipvs.VirtualServer{
    Address:   net.ParseIP(ingress.IP),
    Port:      uint16(svcInfo.port),
    Protocol:  string(svcInfo.protocol),
    Scheduler: proxier.ipvsScheduler,
}
if err := proxier.syncService(svcNameString, serv, false); err == nil {
    if err := proxier.syncEndpoint(svcName, svcInfo.onlyNodeLocalEndpoints, serv); err != nil {
    }
}

看下實現, 如果沒有就創建，如果已存在就更新, 給網卡綁定service的cluster ip：

func (proxier *Proxier) syncService(svcName string, vs *utilipvs.VirtualServer, bindAddr bool) error {
    appliedVirtualServer, _ := proxier.ipvs.GetVirtualServer(vs)
    if appliedVirtualServer == nil || !appliedVirtualServer.Equal(vs) {
        if appliedVirtualServer == nil {
            if err := proxier.ipvs.AddVirtualServer(vs); err != nil {
                return err
            }
        } else {
            if err := proxier.ipvs.UpdateVirtualServer(appliedVirtualServer); err != nil {
                return err
            }
        }
    }

    // bind service address to dummy interface even if service not changed,
    // in case that service IP was removed by other processes
    if bindAddr {
        _, err := proxier.netlinkHandle.EnsureAddressBind(vs.Address.String(), DefaultDummyDevice)
        if err != nil {
            return err
        }
    }
    return nil
}

現在可以去看ipvs的AddVirtualServer的實現了，主要是利用socket與內核進程通信做到的。
pkg/util/ipvs/ipvs_linux.go 里 runner結構體實現了這些方法, 這里用到了 docker/libnetwork/ipvs庫：

// runner implements Interface.
type runner struct {
    exec       utilexec.Interface
    ipvsHandle *ipvs.Handle
}

// New returns a new Interface which will call ipvs APIs.
func New(exec utilexec.Interface) Interface {
    ihandle, err := ipvs.New("") // github.com/docker/libnetwork/ipvs
    if err != nil {
        glog.Errorf("IPVS interface can"t be initialized, error: %v", err)
        return nil
    }
    return &runner{
        exec:       exec,
        ipvsHandle: ihandle,
    }
}

New的時候創建了一個特殊的socket, 這里與我們普通的socket編程無差別，關鍵是syscall.AF_NETLINK這個參數，代表與內核進程通信：

sock, err := nl.GetNetlinkSocketAt(n, netns.None(), syscall.NETLINK_GENERIC)

func getNetlinkSocket(protocol int) (*NetlinkSocket, error) {
    fd, err := syscall.Socket(syscall.AF_NETLINK, syscall.SOCK_RAW|syscall.SOCK_CLOEXEC, protocol)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    s := &NetlinkSocket{
        fd: int32(fd),
    }
    s.lsa.Family = syscall.AF_NETLINK
    if err := syscall.Bind(fd, &s.lsa); err != nil {
        syscall.Close(fd)
        return nil, err
    }

    return s, nil
}

創建一個service, 轉換成docker service格式，直接調用:

// AddVirtualServer is part of Interface.
func (runner *runner) AddVirtualServer(vs *VirtualServer) error {
    eSvc, err := toBackendService(vs)
    if err != nil {
        return err
    }
    return runner.ipvsHandle.NewService(eSvc)
}

然后就是把service信息打包，往socket里面寫即可：

func (i *Handle) doCmdwithResponse(s *Service, d *Destination, cmd uint8) ([][]byte, error) {
    req := newIPVSRequest(cmd)
    req.Seq = atomic.AddUint32(&i.seq, 1)

    if s == nil {
        req.Flags |= syscall.NLM_F_DUMP                    //Flag to dump all messages
        req.AddData(nl.NewRtAttr(ipvsCmdAttrService, nil)) //Add a dummy attribute
    } else {
        req.AddData(fillService(s))
    } // 把service塞到請求中

    if d == nil {
        if cmd == ipvsCmdGetDest {
            req.Flags |= syscall.NLM_F_DUMP
        }

    } else {
        req.AddData(fillDestinaton(d))
    }

    // 給內核進程發送service信息
    res, err := execute(i.sock, req, 0)
    if err != nil {
        return [][]byte{}, err
    }

    return res, nil
}

構造請求

func newIPVSRequest(cmd uint8) *nl.NetlinkRequest {
    return newGenlRequest(ipvsFamily, cmd)
}

在構造請求時傳入的是ipvs協議簇

然后構造一個與內核通信的消息頭

func NewNetlinkRequest(proto, flags int) *NetlinkRequest {
    return &NetlinkRequest{
        NlMsghdr: syscall.NlMsghdr{
            Len:   uint32(syscall.SizeofNlMsghdr),
            Type:  uint16(proto),
            Flags: syscall.NLM_F_REQUEST | uint16(flags),
            Seq:   atomic.AddUint32(&nextSeqNr, 1),
        },
    }
}

給消息加Data,這個Data是個數組，需要實現兩個方法：

type NetlinkRequestData interface {
    Len() int  // 長度
    Serialize() []byte // 序列化, 內核通信也需要一定的數據格式，service信息也需要實現
}

比如 header是這樣序列化的, 一看愣住了，思考好久才看懂：
拆下看：
([unsafe.Sizeof(hdr)]byte) 一個*[]byte類型，長度就是結構體大小
(unsafe.Pointer(hdr))把結構體轉成byte指針類型
加個*取它的值
用[:]轉成byte返回

func (hdr *genlMsgHdr) Serialize() []byte {
    return (*(*[unsafe.Sizeof(*hdr)]byte)(unsafe.Pointer(hdr)))[:]
}

發送service信息給內核

一個很普通的socket發送接收數據

func execute(s *nl.NetlinkSocket, req *nl.NetlinkRequest, resType uint16) ([][]byte, error) {
    var (
        err error
    )

    if err := s.Send(req); err != nil {
        return nil, err
    }

    pid, err := s.GetPid()
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    var res [][]byte

done:
    for {
        msgs, err := s.Receive()
        if err != nil {
            return nil, err
        }
        for _, m := range msgs {
            if m.Header.Seq != req.Seq {
                continue
            }
            if m.Header.Pid != pid {
                return nil, fmt.Errorf("Wrong pid %d, expected %d", m.Header.Pid, pid)
            }
            if m.Header.Type == syscall.NLMSG_DONE {
                break done
            }
            if m.Header.Type == syscall.NLMSG_ERROR {
                error := int32(native.Uint32(m.Data[0:4]))
                if error == 0 {
                    break done
                }
                return nil, syscall.Errno(-error)
            }
            if resType != 0 && m.Header.Type != resType {
                continue
            }
            res = append(res, m.Data)
            if m.Header.Flags&syscall.NLM_F_MULTI == 0 {
                break done
            }
        }
    }
    return res, nil
}

Service 數據打包
這里比較細，核心思想就是內核只認一定格式的標準數據，我們把service信息按其標準打包發送給內核即可。
至于怎么打包的就不詳細講了。

func fillService(s *Service) nl.NetlinkRequestData {
    cmdAttr := nl.NewRtAttr(ipvsCmdAttrService, nil)
    nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrAddressFamily, nl.Uint16Attr(s.AddressFamily))
    if s.FWMark != 0 {
        nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrFWMark, nl.Uint32Attr(s.FWMark))
    } else {
        nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrProtocol, nl.Uint16Attr(s.Protocol))
        nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrAddress, rawIPData(s.Address))

        // Port needs to be in network byte order.
        portBuf := new(bytes.Buffer)
        binary.Write(portBuf, binary.BigEndian, s.Port)
        nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrPort, portBuf.Bytes())
    }

    nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrSchedName, nl.ZeroTerminated(s.SchedName))
    if s.PEName != "" {
        nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrPEName, nl.ZeroTerminated(s.PEName))
    }
    f := &ipvsFlags{
        flags: s.Flags,
        mask:  0xFFFFFFFF,
    }
    nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrFlags, f.Serialize())
    nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrTimeout, nl.Uint32Attr(s.Timeout))
    nl.NewRtAttrChild(cmdAttr, ipvsSvcAttrNetmask, nl.Uint32Attr(s.Netmask))
    return cmdAttr
}

Service總體來講代碼比較簡單，但是覺得有些地方實現的有點繞，不夠簡單直接。 總體來說就是監聽apiserver事件，然后比對 處理，定期也會去執行同步策略.