Kubernetes Service 與網路設定

在 Kubernetes 叢集中，Pod 是短暫且動態的，它們的 IP 位址可能隨時改變。為了提供穩定的網路存取方式，Kubernetes 引入了 Service 的概念。本文將介紹 Service 的類型、建立方式、DNS 解析機制以及 Endpoint 的運作原理。

Service 類型

Kubernetes 提供了四種主要的 Service 類型，每種類型都有其特定的使用場景。

ClusterIP

ClusterIP 是 Kubernetes 中最基本也是預設的 Service 類型。它會為 Service 分配一個叢集內部的虛擬 IP 位址，只有叢集內部的 Pod 可以存取這個 Service。

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-clusterip-service
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080

使用場景：

內部微服務之間的通訊
資料庫服務（如 MySQL、PostgreSQL）
快取服務（如 Redis、Memcached）

NodePort

NodePort 類型的 Service 會在每個節點上開放一個固定的連接埠（範圍為 30000-32767），外部流量可以透過 <NodeIP>:<NodePort> 存取服務。

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nodeport-service
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
      nodePort: 30080

使用場景：

開發和測試環境
不需要負載平衡器的小型部署
直接存取特定節點的服務

LoadBalancer

LoadBalancer 類型的 Service 會向雲端供應商請求一個外部負載平衡器，自動將流量分發到後端的 Pod。這種類型通常用於生產環境中需要對外暴露的服務。

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-loadbalancer-service
spec:
  type: LoadBalancer
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080

使用場景：

生產環境的對外服務
需要高可用性的應用程式
雲端環境（AWS、GCP、Azure）中的服務暴露

ExternalName

ExternalName 是一種特殊的 Service 類型，它不會建立任何代理或轉發規則，而是透過 DNS CNAME 記錄將服務名稱對應到外部的 DNS 名稱。

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-external-service
spec:
  type: ExternalName
  externalName: external.example.com

建立 Service

使用 kubectl 命令建立

最簡單的方式是使用 kubectl expose 命令：

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# 為 Deployment 建立 Service
kubectl expose deployment my-deployment --port=80 --target-port=8080

# 指定 Service 類型
kubectl expose deployment my-deployment --port=80 --target-port=8080 --type=NodePort

使用 YAML 檔案建立

建立一個完整的 Service YAML 檔案：

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-service
  namespace: default
  labels:
    app: web
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: web
    tier: frontend
  ports:
    - name: http
      protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
    - name: https
      protocol: TCP
      port: 443
      targetPort: 8443
  sessionAffinity: None

然後套用設定：

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kubectl apply -f service.yaml

驗證 Service 狀態

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# 列出所有 Service
kubectl get services

# 查看 Service 詳細資訊
kubectl describe service web-service

# 查看 Service 的 YAML 定義
kubectl get service web-service -o yaml

DNS 解析

Kubernetes 叢集內建 DNS 服務（通常是 CoreDNS），為每個 Service 自動建立 DNS 記錄。

DNS 命名規則

Service 的完整 DNS 名稱格式為：

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<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local

例如，在 default 命名空間中名為 web-service 的 Service，其完整 DNS 名稱為：

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web-service.default.svc.cluster.local

DNS 解析範例

在同一個命名空間內，可以直接使用 Service 名稱：

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# 同一命名空間內
curl http://web-service

# 跨命名空間存取
curl http://web-service.other-namespace

# 完整 DNS 名稱
curl http://web-service.other-namespace.svc.cluster.local

測試 DNS 解析

可以使用 nslookup 或 dig 命令測試 DNS 解析：

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# 建立一個測試 Pod
kubectl run dns-test --image=busybox:1.28 --rm -it --restart=Never -- nslookup web-service

# 使用 dig 命令
kubectl run dns-test --image=tutum/dnsutils --rm -it --restart=Never -- dig web-service.default.svc.cluster.local

Headless Service

當不需要負載平衡和單一 Service IP 時，可以建立 Headless Service（將 clusterIP 設為 None）。DNS 查詢會直接返回所有後端 Pod 的 IP 位址。

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: headless-service
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080

Endpoint

Endpoint 是 Kubernetes 中用來追蹤 Service 後端 Pod IP 位址的資源。當 Pod 被建立或刪除時，Endpoint 會自動更新。

查看 Endpoint

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# 列出所有 Endpoint
kubectl get endpoints

# 查看特定 Service 的 Endpoint
kubectl get endpoints web-service

# 詳細資訊
kubectl describe endpoints web-service

輸出範例：

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NAME          ENDPOINTS                                   AGE
web-service   10.244.1.5:8080,10.244.2.3:8080            5m

Endpoint 的運作原理

選擇器匹配：Service 透過 selector 選擇符合標籤的 Pod
自動更新：Endpoint Controller 會監控 Pod 的狀態變化
健康檢查：只有通過 readiness probe 的 Pod 才會被加入 Endpoint

手動管理 Endpoint

在某些情況下，您可能需要手動建立 Endpoint，例如指向叢集外部的服務：

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# 建立無選擇器的 Service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: external-db
spec:
  ports:
    - port: 3306
      targetPort: 3306
---
# 手動建立 Endpoint
apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: external-db
subsets:
  - addresses:
      - ip: 192.168.1.100
      - ip: 192.168.1.101
    ports:
      - port: 3306

EndpointSlice

在 Kubernetes 1.21 之後，EndpointSlice 成為預設的 Endpoint 管理方式。它提供更好的擴展性，特別是在大型叢集中。

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# 查看 EndpointSlice
kubectl get endpointslices

# 查看特定 Service 的 EndpointSlice
kubectl get endpointslices -l kubernetes.io/service-name=web-service

總結

Kubernetes Service 是建立穩定網路存取的核心元件：

類型	存取範圍	使用場景
ClusterIP	叢集內部	內部微服務通訊
NodePort	節點 IP + 連接埠	開發測試環境
LoadBalancer	外部負載平衡器	生產環境對外服務
ExternalName	DNS CNAME	存取外部服務

透過 Service、DNS 解析和 Endpoint 的協作，Kubernetes 提供了強大且靈活的服務發現與網路通訊機制，讓應用程式能夠在動態的容器環境中保持穩定運作。