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《K8s中的负载均衡与Nginx：在K8s Keepalived负载均衡场景下的探讨》
K8s中的负载均衡机制
1、K8s Service的负载均衡原理
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- 在Kubernetes（K8s）中，Service是一种抽象概念，用于提供对一组Pod的访问，当创建一个Service时，K8s会为其分配一个虚拟IP（Cluster - IP），这个Cluster - IP可以在集群内部被访问，起到了基本的负载均衡作用，对于一个部署了多个副本的Web应用的Pod，Service会将流量均匀地分发到这些Pod上，它通过kube - proxy组件来实现负载均衡，kube - proxy可以运行在不同的模式下，如iptables模式和IPVS模式。
- 在iptables模式下，kube - proxy会在每个节点上创建一系列的iptables规则，当有流量发向Service的Cluster - IP时，iptables规则会根据设定的算法（如轮询、随机等）将流量转发到对应的Pod，而在IPVS模式下，kube - proxy利用Linux内核中的IPVS（IP Virtual Server）模块，相比iptables模式，它具有更高的性能，尤其是在大规模集群环境下，能够更高效地处理网络流量的负载均衡。
2、Keepalived在K8s负载均衡中的角色
- Keepalived是一种用于实现高可用性（HA）的工具，在K8s环境中，Keepalived可以与负载均衡相结合，进一步提升系统的可靠性，当使用Keepalived结合K8s的负载均衡时，可以为负载均衡器本身提供高可用性，假设我们有两个负载均衡器节点，Keepalived可以通过虚拟路由冗余协议（VRRP）来监控这些节点的状态。
- 如果主负载均衡器节点出现故障，Keepalived会迅速将虚拟IP（VIP）切换到备用节点上，从而保证外部流量能够持续地被负载均衡到K8s集群中的服务，这种方式确保了即使在负载均衡器层面出现问题，整个系统的服务仍然能够正常提供给用户，Keepalived通过发送和接收VRRP包来确定节点的存活状态，并且可以配置相关的优先级等参数来决定哪个节点作为主节点。
Nginx的功能与特点
1、Nginx作为反向代理服务器
- Nginx是一款非常流行的高性能Web服务器、反向代理服务器以及电子邮件（IMAP/POP3）代理服务器，作为反向代理服务器，Nginx可以接收来自互联网的HTTP请求，并将这些请求转发到后端的服务器（如K8s中的Pod），它具有高效的处理能力，能够处理大量并发连接，在处理静态资源请求时，Nginx可以直接从本地缓存中提供服务，大大提高了响应速度。
- Nginx通过配置文件来定义后端服务器的列表以及负载均衡的算法，它支持多种负载均衡算法，如轮询、加权轮询、IP哈希等，对于轮询算法，Nginx会按照顺序依次将请求分发到后端服务器；加权轮询则可以根据后端服务器的性能差异，为不同的服务器分配不同的权重，性能强的服务器可以分配更高的权重，从而接收更多的请求；IP哈希算法则根据客户端的IP地址计算哈希值，将同一个客户端的请求总是转发到同一台后端服务器，适用于需要保持会话状态的场景。
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2、Nginx在安全和优化方面的特性
- 在安全方面，Nginx可以通过配置来限制IP访问、防止SQL注入、XSS攻击等常见的网络安全威胁，通过设置访问控制列表（ACL），可以只允许特定的IP地址或IP段访问后端服务，Nginx可以对请求进行过滤，对于包含恶意脚本的请求进行拦截。
- 在优化方面，Nginx采用了事件驱动的异步非阻塞模型，这种模型使得Nginx在处理高并发连接时具有很高的性能，与传统的基于进程或线程的服务器模型不同，Nginx不会为每个连接创建一个新的进程或线程，而是通过一个少量的进程（或线程）来处理大量的连接事件，这大大减少了系统资源的消耗，提高了服务器的整体性能。
三、在K8s Keepalived负载均衡下是否还需要Nginx
1、从功能补充的角度看
- 虽然K8s本身提供了负载均衡机制，并且Keepalived增强了负载均衡器的高可用性，但是Nginx仍然可以提供一些补充功能，在处理复杂的路由规则方面，Nginx具有更强的灵活性，K8s的Service负载均衡主要是基于简单的Pod选择和流量分发，而Nginx可以根据请求的URL路径、请求头中的特定信息等进行更精细的路由决策。
- 假设我们有一个多租户的应用场景，不同租户的请求需要根据特定的路径规则转发到不同的后端服务，在这种情况下，Nginx可以通过配置不同的location块来实现精确的路由，对于租户A的请求，如果URL路径以/api/tenant - A开头，则转发到专门为租户A服务的一组Pod；而对于租户B的请求，如果URL路径以/api/tenant - B开头，则转发到另一组Pod，这种基于内容的路由在K8s原生的负载均衡机制下较难实现。
2、从性能优化的角度看
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- 在某些特定的性能优化需求下，Nginx也有其存在的价值，尽管K8s的IPVS模式的kube - proxy在负载均衡性能上有了很大提升，但Nginx在处理某些类型的网络流量时可能更具优势，对于大量的静态资源请求，如果在K8s集群的入口处部署Nginx并配置好本地缓存，Nginx可以直接从本地缓存中响应请求，减少了对后端Pod的压力。
- Nginx可以对请求进行一些预处理，如对请求进行压缩、添加特定的响应头信息等，在高并发的情况下，这种预处理可以在一定程度上减轻后端服务的负担，提高整体的响应效率，Nginx可以对发送到后端Pod的请求进行gzip压缩，这样可以减少网络传输的数据量，提高传输速度，同时后端Pod接收到压缩后的请求，在处理时也可以减少资源消耗。
3、从安全防护的角度看
- 在安全防护方面，Nginx可以为K8s集群提供额外的安全层，如前所述，Nginx可以配置多种安全策略来防止网络攻击，在K8s集群中，虽然Pod之间的网络隔离等安全机制存在，但在集群对外的接口处，Nginx可以作为第一道防线，它可以通过配置防火墙规则、限制恶意IP访问等方式，保护K8s集群中的服务免受外部恶意攻击。
- Nginx可以检测到频繁的恶意登录尝试，并通过配置动态的IP封禁规则来阻止这些恶意IP的进一步访问，对于一些可能存在漏洞的后端服务，Nginx可以通过隐藏后端服务的真实架构和IP地址，增加攻击者的攻击难度，从而提高整个K8s集群的安全性。
在K8s已经有负载均衡并且使用Keepalived的情况下，仍然可能需要Nginx，它可以从功能补充、性能优化和安全防护等多个角度为K8s集群提供更多的价值。
标签： #k8s #keepalived #负载均衡 #nginx
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