K8s之Ingress-nginx原理及配置

前言

在Kubernetes中，服务和Pod的IP地址仅可以在集群网络内部使用，对于集群外的应用是不可见的。为了使外部的应用能够访问集群内的服务，在Kubernetes中目前提供了以下几种方案：

• NodePort
• LoadBalancer
• Ingress

在之前的博文中介绍过NodePort，简单来说，就是通过service这种资源对象，为后端pod提供一个统一的访问接口，然后将service的统一访问接口映射到群集节点上，最终实现client通过映射到群集节点上的端口访问到后端pod提供的服务。

但是，这种方式有一个弊端，就是当新生成一个pod服务就需要创建对应的service将其映射到节点端口，当运行的pod过多时，我们节点暴露给client端的端口也会随之增加，这样我们整个k8s群集的危险系数就会增加，因为我们在搭建群集之处，官方明确指出，必须关闭firewalld防火墙及清空iptables规则，现在我们又暴露了那么多端口给client，安全系数可想而知。

有没有更安全又简便的一种方法呢？答案是肯定的，就是来利用Ingress这种资源对象来实现。

博文大纲：
一、Ingress-nginx介绍
二、Ingress-nginx配置示例

一、Ingress-nginx介绍

1、Ingress-nginx组成

• ingress-nginx-controller：根据用户编写的ingress规则（创建的ingress的yaml文件），动态的去更改nginx服务的配置文件，并且reload重载使其生效（是自动化的，通过lua脚本来实现）；
• ingress资源对象：将Nginx的配置抽象成一个Ingress对象，每添加一个新的Service资源对象只需写一个新的Ingress规则的yaml文件即可（或修改已存在的ingress规则的yaml文件）

1、Ingress-nginx可以解决什么问题？

1)动态配置服务
　　如果按照传统方式, 当新增加一个服务时, 我们可能需要在流量入口加一个反向代理指向我们新的k8s服务. 而如果用了Ingress-nginx, 只需要配置好这个服务, 当服务启动时, 会自动注册到Ingress的中, 不需要而外的操作。
2)减少不必要的端口映射
　　配置过k8s的都清楚, 第一步是要关闭防火墙的, 主要原因是k8s的很多服务会以NodePort方式映射出去, 这样就相当于给宿主机打了很多孔, 既不安全也不优雅. 而Ingress可以避免这个问题, 除了Ingress自身服务可能需要映射出去, 其他服务都不要用NodePort方式

2、Ingress-nginx工作原理

1）ingress controller通过和kubernetes api交互，动态的去感知集群中ingress规则变化，
2）然后读取它，按照自定义的规则，规则就是写明了哪个域名对应哪个service，生成一段nginx配置，
3）再写到nginx-ingress-controller的pod里，这个Ingress controller的pod里运行着一个Nginx服务，控制器会把生成的nginx配置写入/etc/nginx.conf文件中，
4）然后reload一下使配置生效。以此达到域名分别配置和动态更新的问题。

二、Ingress-nginx配置示例

注：文中所有的yaml文件及镜像都可以通过我的网盘链接下载（httpd和tomcat除外）。

1、搭建registry私有仓库（可跳过配置私有仓库，选择手动导入所需镜像到相应节点）

#运行registry私有仓库
[root@master ~]# docker run -tid --name registry -p 5000:5000 --restart always registry
[root@master ~]# vim /usr/lib/systemd/system/docker.service      #修改配置文件，指定私有仓库
ExecStart=/usr/bin/dockerd -H unix:// --insecure-registry 192.168.20.6:5000
#将修改后的文件发送到k8s群集中的其他节点
[root@master ~]# scp /usr/lib/systemd/system/docker.service root@node01:/usr/lib/systemd/system/
docker.service                      100% 1637     1.6KB/s   00:00    
[root@master ~]# scp /usr/lib/systemd/system/docker.service root@node02:/usr/lib/systemd/system/
#在各个节点包括master上执行以下命令，重启docker，使更改生效
[root@master ~]# systemctl daemon-reload 
[root@master ~]# systemctl restart docker
#上传测试所需的镜像到私有仓库
[root@master ~]# docker push 192.168.20.6:5000/httpd:v1 
[root@master ~]# docker push 192.168.20.6:5000/tomcat:v1 

2、创建namespace（也可跳过，使用默认的default名称空间也可以，但需要删除下面所有yaml文件中关于自定义的名称空间的配置字段）

[root@master ~]# kubectl create ns test-ns     #创建名称空间test-ns
[root@master ~]# kubectl get ns   #确认创建成功

3、创建Deployment、Service资源对象

1）创建httpd服务及其service

[root@master test]# vim httpd-01.yaml    #编写基于httpd服务的资源对象

kind: Deployment
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
  name: web01
  namespace: test-ns
spec:
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: httpd01
    spec:
      containers:
      - name: httpd
        image: 192.168.20.6:5000/httpd:v1
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: httpd-svc
  namespace: test-ns
spec:
  selector:
    app: httpd01
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
[root@master test]# kubectl apply -f httpd-01.yaml      #执行yaml文件

2）创建tomcat服务及其service

[root@master test]# vim tomcat-01.yaml   #编写yaml文件如下

kind: Deployment
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
  name: web02
  namespace: test-ns
spec:
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: tomcat01
    spec:
      containers:
      - name: tomcat
        image: 192.168.20.6:5000/tomcat:v1
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: tomcat-svc
  namespace: test-ns
spec:
  selector:
    app: tomcat01
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 8080
    targetPort: 8080
[root@master test]# kubectl apply -f tomcat-01.yaml    #执行yaml文件

3）确认成功创建上述资源对象

[root@master test]# kubectl get po -n test-ns        #确定pod是正常运行状态
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web01-757cfc547d-fmjnt   1/1     Running   0          8m24s
web01-757cfc547d-pjrrt   1/1     Running   0          9m30s
web01-757cfc547d-v7tdb   1/1     Running   0          8m24s
web02-57c46c759d-l9qzx   1/1     Running   0          4m9s
web02-57c46c759d-vs6mg   1/1     Running   0          4m9s
web02-57c46c759d-zknrw   1/1     Running   0          4m9s
[root@master test]# kubectl get svc -n test-ns     #确认SVC创建成功
NAME         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
httpd-svc    ClusterIP   10.107.211.219   <none>        80/TCP     10m
tomcat-svc   ClusterIP   10.101.159.1     <none>        8080/TCP   5m8s
#访问SVC的clusterIP+端口，确定可以访问到后端Pod
[root@master test]# curl -I 10.101.159.1:8080    #访问tomcat
HTTP/1.1 200       #返回状态码为200
Content-Type: text/html;charset=UTF-8
Transfer-Encoding: chunked
Date: Fri, 22 Nov 2019 12:34:32 GMT

[root@master test]# curl -I 10.107.211.219:80    #访问httpd
HTTP/1.1 200 OK      #状态码为200
Date: Fri, 22 Nov 2019 12:34:39 GMT
Server: Apache/2.4.41 (Unix)         #版本号也有
Last-Modified: Sat, 16 Nov 2019 10:00:39 GMT
ETag: "1a-59773c95e7fc0"
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 26
Content-Type: text/html
#如果在上述访问测试中，没有访问到相应的pod，建议使用“kubectl describe svc”命令，
#查看相应的service中的Endpoints列中有没有关联后端pod。

4、创建Ingress-nginx资源对象

下载我提供的镜像并导入到需要运行Ingress-nginx的节点上，也可以选择自行下载其他镜像。

方法1：去gitlab搜索Ingress-nginx，点击“deploy”，再点击页面下的跳转链接，即可看到如下命令：

#不要直接复制命令到终端执行，先将yaml文件下载下来
[root@master test]# wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/master/deploy/static/mandatory.yaml
[root@master test]# vim mandatory.yaml      #修改其yaml文件
#修改以下内容
    spec:               #这是在212行的spec字段
      hostNetwork: true          #添加这行，表示使用主机网络
      # wait up to five minutes for the drain of connections
      terminationGracePeriodSeconds: 300
      serviceAccountName: nginx-ingress-serviceaccount
      nodeSelector:
        Ingress: nginx     #设置节点的标签选择器，指定在哪台节点上运行
      containers:
        - name: nginx-ingress-controller
          image: quay.io/kubernetes-ingress-controller/nginx-ingress-controller:0.26.1
#上面是指定使用什么镜像，若需要更改镜像名称，改这里即可，我保持默认。
#修改后保存退出即可
[root@master test]# kubectl label nodes node01 Ingress=nginx 
#对node01节点打相应的标签，以便指定Ingress-nginx运行在node01
#可以执行下面的命令，查看node01的标签是否存在
[root@master test]# kubectl get nodes node01 --show-labels 
#在node01节点执行下面命令，导入Ingress-nginx镜像（自行上传这个包，我提供的网盘链接中有）
[root@node01 ~]# docker load < nginx-ingress-controller.0.26.1.tar 
#手动将ingress-nginx镜像导入到node01节点
#回到master节点，执行yaml文件
[root@master test]# kubectl apply -f mandatory.yaml   #执行ingress-nginx的yaml文件

关于上面yaml文件中写入的“hostNetwork: true”具体解释：如果使用此网络参数，那么pod中运行的应用程序可以直接使用Node节点端口，这样node节点主机所在的网络的其他主机，都可以通过访问到此应用程序。

确定Ingress-nginx的容器运行正常：

[root@master test]# kubectl get pod -n ingress-nginx -o wide
NAME                                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP             NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-ingress-controller-77c8f6577b-6shdc   1/1     Running   0          107s   192.168.20.7   node01   <none>           <none>

5、定义Ingress规则（编写ingress的yaml文件）

[root@master test]# vim ingress.yaml      #编写yaml文件如下

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: test-ingress
  namespace: test-ns
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  rules:
  - host: www.test01.com
    http:
      paths:
      - path: /
        backend:
          serviceName: httpd-svc
          servicePort: 80
      - path: /tomcat
        backend:
          serviceName: tomcat-svc
          servicePort: 8080
[root@master test]# kubectl apply -f ingress.yaml      #执行ingress规则的yaml文件
[root@master test]# kubectl get ingresses -n test-ns      #查看ingresses规则资源对象
NAME           HOSTS            ADDRESS   PORTS   AGE
test-ingress   www.test01.com             80      28s

其实，至此已经实现了我们想要的功能，现在就可以通过www.test01.com 来访问到我们后端httpd容器提供的服务，通过www.test01.com/tomcat 来访问我们后端tomcat提供的服务，当然，前提是自行配置DNS解析，或者直接修改client的hosts文件。访问页面如下（注意：一定要自己解决域名解析的问题，若不知道域名对应的是哪个IP，请跳过这两个图，看下面的文字解释）：

访问httpd服务（首页内容是我自定义的）：

访问tomcat服务：

在上面的访问测试中，虽然访问到了对应的服务，但是有一个弊端，就是在做DNS解析的时候，只能指定Ingress-nginx容器所在的节点IP。而指定k8s集群内部的其他节点IP（包括master）都是不可以访问到的，如果这个节点一旦宕机，Ingress-nginx容器被转移到其他节点上运行（不考虑节点标签的问题，其实保持Ingress-nginx的yaml文件中默认的标签的话，那么每个节点都是有那个标签的）。随之还要我们手动去更改DNS解析的IP（要更改为Ingress-nginx容器所在节点的IP，通过命令“kubectl get pod -n ingress-nginx -o wide”可以查看到其所在节点），很是麻烦。

有没有更简单的一种方法呢？答案是肯定的，就是我们为Ingress-nginx规则再创建一个类型为nodePort的Service，这样，在配置DNS解析时，就可以使用www.test01.com 绑定所有node节点，包括master节点的IP了，很是灵活。

6、为Ingress规则创建一个Service

就在刚才找到Ingress-nginx的yaml文件的页面，然后下拉页面，即可看到以下，可以根据k8s集群环境来选择适合自己的yaml文件，假如自己是在Azure云平台搭建的K8s集群，则选择复制Azure下面的命令即可，我这里是自己的测试环境，所以选择Bare-metal下面的yaml文件：

创建这个Service有两种方法，一是直接复制其web页面的命令到master节点上执行，二是将其链接地址复制到终端使用wget下载下来再执行，我选择第二种方法，因为我想看看里面的内容：

#将其下载到本地
[root@master test]# wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/master/deploy/static/provider/baremetal/service-nodeport.yaml
[root@master test]# cat service-nodeport.yaml      #仅仅是查看一下内容，并不需要修改
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: ingress-nginx
  namespace: ingress-nginx
  labels:
    app.kubernetes.io/name: ingress-nginx
    app.kubernetes.io/part-of: ingress-nginx
spec:
  type: NodePort
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 80
      protocol: TCP
    - name: https
      port: 443
      targetPort: 443
      protocol: TCP
  selector:
    app.kubernetes.io/name: ingress-nginx
    app.kubernetes.io/part-of: ingress-nginx

---
[root@master test]# kubectl apply -f service-nodeport.yaml       #执行下载下来的yaml文件
[root@master test]# kubectl get svc -n ingress-nginx    #查看运行的service
NAME            TYPE       CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)                      AGE
ingress-nginx   NodePort   10.109.106.246   <none>        80:30465/TCP,443:32432/TCP   56s
#可以看到service分别将80和443端口映射到了节点的30645和32432端口（随机映射的，也可以修改yaml文件指定端口）。

至此，这个www.test01.com 的域名即可和群集中任意节点的30465/32432端口进行绑定了。

测试如下（域名解析对应的IP可以是k8s群集内的任意节点IP）：

至此，就实现了最初的需求。

基于虚拟主机的Ingress规则

如果现在是另一种需求，我需要将www.test01.com 和www.test02.com 都对应上我后端的httpd容器提供的服务，那么此时应该怎么配置？

配置如下（基于上面的环境进行配置）：

[root@master test]# vim ingress.yaml       #修改ingress规则的yaml文件如下

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: test-ingress
  namespace: test-ns
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  rules:
  - host: www.test02.com  #增加这一段host配置
    http:
      paths:
      - path: /
        backend:
          serviceName: httpd-svc     #绑定和www.test01相同的service名字即可
          servicePort: 80
  - host: www.test01.com
    http:
      paths:
      - path: /
        backend:
          serviceName: httpd-svc
          servicePort: 80
      - path: /tomcat
        backend:
          serviceName: tomcat-svc
          servicePort: 8080
#增加完上述的host字段保存退出即可
[root@master test]# kubectl apply -f ingress.yaml    #重新执行yaml文件

至此，即可实现访问www.test01.com 和www.test02.com 都可以访问到后端的httpd提供的页面（自行解决域名解析问题），如下：

访问www.test01.com:30465

访问www.test02.com:30465

总结上述示例的pod是如何一步一步可以使client访问到的，总结如下：

后端pod===》service====》ingress规则====》写入Ingress-nginx-controller配置文件并自动重载使更改生效===》对Ingress-nginx创建service====》实现client无论通过哪个K8节点的IP+端口都可以访问到后端pod

三、配置HTTPS

在上面的操作中，实现了使用ingress-nginx为后端所有pod提供一个统一的入口，那么，有一个非常严肃的问题需要考虑，就是如何为我们的pod配置CA证书来实现HTTPS访问？在pod中直接配置CA么？那需要进行多少重复性的操作？而且，pod是随时可能被kubelet杀死再创建的。当然这些问题有很多解决方法，比如直接将CA配置到镜像中，但是这样又需要很多个CA证书。

这里有更简便的一种方法，就拿上面的情况来说，后端有多个pod，pod与service进行关联，service又被ingress规则发现并动态写入到ingress-nginx-controller容器中，然后又为ingress-nginx-controller创建了一个Service映射到群集节点上的端口，来供client来访问。

在上面的一系列流程中，关键的点就在于ingress规则，我们只需要在ingress的yaml文件中，为域名配置CA证书即可，只要可以通过HTTPS访问到域名，至于这个域名是怎么关联到后端提供服务的pod，这就是属于k8s群集内部的通信了，即便是使用http来通信，也无伤大雅。

配置如下：

接下来的配置与上面的配置基本没什么关系，但是由于上面已经运行了Ingress-nginx-controller容器，所以这里就没有必要再运行了。只需要配置pod、service、ingress规则即可。

#创建CA证书（测试环境，自己创建吧）
[root@master https]# openssl req -x509 -sha256 -nodes -days 365 -newkey rsa:2048 -keyout tls.key -out tls.crt -subj "/CN=nginxsvc/O=nginxsvc"
#当前目录下会生成两个文件，如下：
[root@master https]# ls      #确定当前目录下有这两个文件
tls.crt  tls.key
#将生成的CA证书存储到etcd
[root@master https]# kubectl create secret tls tls-secret --key=tls.key --cert tls.crt
#创建deploy、service、ingress资源对象
[root@master https]# vim httpd03.yaml      #编写yaml文件

kind: Deployment
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
  name: web03
spec:
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: httpd03
    spec:
      containers:
      - name: httpd3
        image: 192.168.20.6:5000/httpd:v1
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: httpd-svc3
spec:
  selector:
    app: httpd03
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: test-ingress3
spec:
  tls:
    - hosts:
      - www.test03.com
      secretName: tls-secret         #这里是指定的是etcd存储的CA证书名称
  rules:
  - host: www.test03.com
    http:
      paths:
      - path: /
        backend:
          serviceName: httpd-svc3
          servicePort: 80
[root@master https]# kubectl apply -f httpd03.yaml     #执行yaml文件

确认创建的资源对象正常运行：

[root@master https]# kubectl get svc      #查看svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
httpd-svc3   ClusterIP   10.98.180.104   <none>        80/TCP    31s
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1       <none>        443/TCP   19d
[root@master https]# kubectl get pod      #查看pod
NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web03-66dfbc8cf-w6vvp   1/1     Running   0          34s
web03-66dfbc8cf-zgxd7   1/1     Running   0          34s
[root@master https]# kubectl describe ingresses    #查看ingress规则
Name:             test-ingress3
Namespace:        default
Address:          10.109.106.246
Default backend:  default-http-backend:80 (<none>)
TLS:
  tls-secret terminates www.test03.com
Rules:
  Host            Path  Backends
  ----            ----  --------
  www.test03.com  
                  /   httpd-svc3:80 (10.244.1.13:80,10.244.2.9:80)
#确定关联到对应的service及后端的pod

https访问测试：

使用https://www.test03.com 进行访问（自行解决域名解析问题）

———————— 本文至此结束，感谢阅读 ————————