APISIX Ingress 是如何支持上千个 Pod 副本的应用
作者：容鑫，Apache APISIX Committer
在 K8s 中为什么会遇到上千个 Pod 副本的应用场景？
在 Kubernetes 中，Pod 是最小的调度单元。应用程序实际是以 Pod 在运行的，通常情况下出于可扩展性和降低爆炸半径等方面的考虑，只会给 Pod 设置有限的资源。那么对于大流量的场景，一般都是通过水平扩容的方式进行应对。
例如电商行业在进行促销活动或秒杀抢购活动时，业务流量相对较大。为了应对这种场景，通常会设置弹性扩容。在活动进行时，服务会进行弹性伸缩直到能够承载流量，这时会基于弹性扩容的策略，为业务增加副本数，也就是 Pod 会变多。
每个 Pod 都有各自唯一的 IP ，但同时 Pod 的 IP 也不是固定的。为了及时追踪 Pod IP 的变化，从而进行负载均衡，Endpoints API 提供了在 Kubernetes 中跟踪网络端点的一种简单而直接的方法。 但随着 Kubernetes 集群和服务逐渐开始为更多的后端 Pod 进行处理和发送请求，比如上文提到大流量场景下，Pod 数量会被不断扩容，Endpoints API 也将变得越大。这种情况下，Endpoints API 局限性变得越来越明显，甚至成为性能瓶颈。
为了解决这个局限性问题，在 Kubernetes v1.21 的版本中引入了对 Endpointslice API 的支持，解决了 Endpoints API 处理大量网络端点带来的性能问题，同时提供了可扩展和可伸缩的能力。 通过下图我们可以明显看到它们之间的区别：
-
Endpoints 在流量高峰时的变化：
-
Endpointslices 在流量高峰时的变化：
在 Kubernetes 中，应用之间是如何进行相互访问的呢？Endpoints 和 Endpointslice 具体区别又是什么？和 Pod 有着什么样的关系？APISIX Ingress 中为什么要支持这些特性，以及如何进行安装和使用？本文将着重介绍这些问题。
Kubernetes 中如何访问应用
在 Kubernetes 中，每个 Pod 都有其自己唯一的 IP 地址。通常情况下，Service 通过 selector 和一组 Pod 建立关联，并提供了相同的 DNS 名，并可以在它之间进行负载均衡。Kubernetes 集群内不同应用之间可通过 DNS 进行相互访问。
在 Service 创建时，Kubernetes 会根据 Service 关联一个 Endpoints 资源，若 Service 没有定义 selector 字段，将不会自动创建 Endpoints。
什么是 Endpoints
Endpoints 是 Kubernetes 中的一个资源对象，存储在 etcd 中，用来记录一个 Service 对应一组 Pod 的访问地址，一个 Service 只有一个 Endpoints 资源。Endpoints 资源会去观测 Pod 集合，只要服务中的某个 Pod 发生变更，Endpoints 就会进行同步更新。 比如部署 3 个 httpbin 副本，查看 Pod 的情况，包括 IP 信息。
$ kubectl get pods -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES
httpbin-deployment-fdd7d8dfb-8sxxq 1/1 Running 0 49m 10.1.36.133 docker-desktop <none> <none>
httpbin-deployment-fdd7d8dfb-bjw99 1/1 Running 4 (5h39m ago) 23d 10.1.36.125 docker-desktop <none> <none>
httpbin-deployment-fdd7d8dfb-r5nf9 1/1 Running 0 49m 10.1.36.131 docker-desktop <none> <none>
创建 httpbin 服务，并查看应 Endpoints 端点情况。
$ kubectl get endpoints httpbin
NAME ENDPOINTS AGE
httpbin 10.1.36.125:80,10.1.36.131:80,10.1.36.133:80 23d
从上述示例可以看到，Endpoints 中 httpbin 资源对象的所有网络端点，分别对应了每个 Pod 的 IP 地址。
当然， Endpoints 也有它的一些不足之处，比如：
- Endpoints 具有容量限制，如果某个 Endpoints 资源中端口的个数超过 1000，那么 Endpoints 控制器会将其截断为 1000。
- 一个 Service 只有一个 Endpoints 资源，这意味着它需要为支持相应服务的每个 Pod 存储 IP 等网络信息。这导致 Endpoints 资源变的十分巨大，其中一个端点发生了变更，将会导致整个 Endpoints 资源更新。当业务需要进行频繁端点更新时，一个巨大的 API 资源被相互传递，而这会影响到 Kubernetes 组件的性能，并且会产生大量的网络流量和额外的处理。
什么是 Endpointslices
Endpointslices 为 Endpoints 提供了一种可扩缩和可拓展的替代方案，缓解处理大量网络端点带来的性能问题，还能为一些诸如拓扑路由的额外功能提供一个可扩展的平台。该特性在 Kubernetes v1.21+ 的版本中已提供支持。
EndpointSlice 旨在通过分片的方式来解决此问题，并没有使用单个 Endpoints 资源跟踪服务的所有网络端点，而是将它们拆分为多个较小的 EndpointSlice。
默认情况下，控制面创建和管理的 EndpointSlice 将包含不超过 100 个端点。 你可以使用 kube-controller-manager 的 --max-endpoints-per-slice 标志设置此值，其最大值为 1000。
为什么需要 Endpointslices
首先，我们考虑具有 2000 个 Pod 的服务它最终可能具有 1.0 MB 的 Endpoints 资源。在生产环境中，如果该服务发生滚动更新或节点迁移，那么 Endpoints 资源将会频繁变更。
想象一下，如果滚动更新会导致全部 Pod 都被替换，由于 etcd 具有最大请求大小限制，Kubernetes 对 Endpoints 最大容量限制为 1000，如果网络端点数量超出了 1000，那么多出来的网络端点，将不会被 Endpoints 资源记录。
当然也可能因为一些需求，需要多次进行滚动更新，那么这个巨大的 API 资源对象将会 Kubernetes 组件中来回传递，极大影响了 Kubernetes 组件的性能。
如果使用了 Endpointslices，假设一个服务后端有 2000 个 Pod。如果将配置修改为每个 Endpointslices 存储 100 个端点，最终将获得 20 个 Endpointslices。添加或删除 Pod 时，只需要更新其中 1 个 Endpointslice 资源即可，这样操作后，可扩展性和网络可伸缩有了很大的提升。
比起在流量高峰时，服务为了承载流量，扩容出大量的 Pod，Endpoints 资源会被频繁更新，两个使用场景的差异就变得非常明显。更重要的是，既然服务的所有 Pod IP 都不需要存储在单个资源中，那么我们就不必担心 etcd 中存储的对象的大小限制。
Endpoints VS Endpointslice
因为 Endpointslice 是在 Kubernetes v1.21+ 的版本得到支持，所以该结论是基于 Kubernetes v1.21+ 版本。
通过上文的描述我们总结一下两种资源的适用情况。
Endpoints 适用场景：
- 有弹性伸缩需求，Pod 数量较少，传递资源不会造成大量网络流量和额外处理。
- 无弹性伸缩需求，Pod 数量不会太多。哪怕 Pod 数量是固定，但是总是要滚动更新或者出现故障的。
Endpointslice 适用场景:
- 有弹性需求，且 Pod 数量较多（几百上千）。
- Pod 数量很多（几百上千），因为 Endpoints 网络端点最大数量限制为 1000，所以超过 1000 的 Pod 必须得用 Endpointslice。
在 APISIX Ingress 中的实践
APISIX Ingress Controller 是一个 Ingress 控制器的实现。可以将用户配置的规则转换为 Apache APISIX中的规则，从而使用 APISIX 完成具体的流量承载。
在具体实现过程中，APISIX Ingress 通过 watch Endpoints 或 Endpointslice 资源的变化，从而让 APISIX 能够对 Pod 进行负载均衡和健康检查等。为了能够支持 Kubernetes v1.16+ 的版本，APISIX Ingress 在安装时，默认使用 Endpoints 的特性。
如果你的集群版本为 Kubernetes v1.21+，在安装 APISIX Ingress 时，需要指定 watchEndpointSlice=true 标志来开启 Endpointslice 特性的支持。
注意：在集群的版本为 Kubernetes v1.21+ 时，我们推荐使用 Endpointslice 特性。否则当服务中 Pod 数量超过
--max-endpoints-per-slice标志设定的值时，由于 APISIX Ingress watch 的是 Endpoints 资源对象，则会导致配置的丢失。开启此特性，就不额外关注--max-endpoints-per-slice的值。
以下将为你简单介绍如何在 APISIX Ingress 中应用 Endpointslice 特性。
创建包含 20 个副本的 Service
使用 kubectl apply -f httpbin-deploy.yaml 命令，在 Kuernetes 中部署 httpbin 应用服务，并创建 20 个 Pod 副本。具体 htppbin-deploy.yaml 文件配置可参考下方代码。
# htppbin-deploy.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: httpbin-deployment
spec:
replicas: 20
selector:
matchLabels:
app: httpbin-deployment
strategy:
rollingUpdate:
maxSurge: 50%
maxUnavailable: 1
type: RollingUpdate
template:
metadata:
labels:
app: httpbin-deployment
spec:
terminationGracePeriodSeconds: 0
containers:
- livenessProbe:
failureThreshold: 3
initialDelaySeconds: 2
periodSeconds: 5
successThreshold: 1
tcpSocket:
port: 80
timeoutSeconds: 2
readinessProbe:
failureThreshold: 3
initialDelaySeconds: 2
periodSeconds: 5
successThreshold: 1
tcpSocket:
port: 80
timeoutSeconds: 2
image: "kennethreitz/httpbin:latest"
imagePullPolicy: IfNotPresent
name: httpbin-deployment
ports:
- containerPort: 80
name: "http"
protocol: "TCP"
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: httpbin
spec:
selector:
app: httpbin-deployment
ports:
- name: http
port: 80
protocol: TCP
targetPort: 80
type: ClusterIP
通过 APISIX Ingress 代理
第一步，使用 Helm 安装 APISIX Ingress。 通过 ·--set ingress-controller.config.kubernetes.watchEndpointSlice=true` 开启 Endpointslice 特性的支持。
helm repo add apisix https://charts.apiseven.com
helm repo add bitnami https://charts.bitnami.com/bitnami
helm repo update
kubectl create ns ingress-apisix
helm install apisix apisix/apisix \
--set gateway.type=NodePort \
--set ingress-controller.enabled=true \
--namespace ingress-apisix \
--set ingress-controller.config.apisix.serviceNamespace=ingress-apisix \
--set ingress-controller.config.kubernetes.watchEndpointSlice=true
第二步，使用 CRD 资源进行代理。注意，APISIX Ingress 中对 Endpoints 和 Endpointslice 特性的支持，使用者是感知不到的，它们的配置都是一致的。
apiVersion: apisix.apache.org/v2
kind: ApisixRoute
metadata:
name: httpbin-route
spec:
http:
- name: rule
match:
hosts:
- httpbin.org
paths:
- /get
backends:
- serviceName: httpbin
servicePort: 80
第三步，进入 APISIX Pod 中查看。可以看到在 APISIX 中的 upstream 对象 nodes 字段包含了 20 个 Pod 的 IP 地址。
kubectl exec -it ${Pod for APISIX} -n ingress-apisix -- curl "http://127.0.0.1:9180/apisix/admin/upstreams" -H 'X-API-KEY: edd1c9f034335f136f87ad84b625c8f1'
{
"action": "get",
"count": 1,
"node": {
"key": "\/apisix\/upstreams",
"nodes": [
{
"value": {
"hash_on": "vars",
"desc": "Created by apisix-ingress-controller, DO NOT modify it manually",
"pass_host": "pass",
"nodes": [
{
"weight": 100,
"host": "10.1.36.100",
"priority": 0,
"port": 80
},
{
"weight": 100,
"host": "10.1.36.101",
"priority": 0,
"port": 80
},
{
"weight": 100,
"host": "10.1.36.102",
"priority": 0,
"port": 80
},
{
"weight": 100,
"host": "10.1.36.103",
"priority": 0,
"port": 80
},
{
"weight": 100,
"host": "10.1.36.104",
"priority": 0,
"port": 80
},
{
"weight": 100,
"host": "10.1.36.109",
"priority": 0,
"port": 80
},
{
"weight": 100,
"host": "10.1.36.92",
"priority": 0,
"port": 80
}
... // 以下省略 13 个节点
// 10.1.36.118
// 10.1.36.115
// 10.1.36.116
// 10.1.36.106
// 10.1.36.113
// 10.1.36.111
// 10.1.36.108
// 10.1.36.114
// 10.1.36.107
// 10.1.36.110
// 10.1.36.105
// 10.1.36.112
// 10.1.36.117
],
"labels": {
"managed-by": "apisix-ingress-controller"
},
"type": "roundrobin",
"name": "default_httpbin_80",
"scheme": "http"
},
"key": "\/apisix\/upstreams\/5ce57b8e"
}
],
"dir": true
}
}
上述信息与 Endpointslice 中的网络端点相对应。
addressType: IPv4
apiVersion: discovery.k8s.io/v1
endpoints:
- addresses:
- 10.1.36.92
...
- addresses:
- 10.1.36.100
...
- addresses:
- 10.1.36.104
...
- addresses:
- 10.1.36.102
...
- addresses:
- 10.1.36.101
...
- addresses:
- 10.1.36.103
...
- addresses:
- 10.1.36.109
...
- addresses:
- 10.1.36.118
...
- addresses:
- 10.1.36.115
...
- addresses:
- 10.1.36.116
...
- addresses:
- 10.1.36.106
...
- addresses:
- 10.1.36.113
...
- addresses:
- 10.1.36.111
...
- addresses:
- 10.1.36.108
...
- addresses:
- 10.1.36.114
...
- addresses:
- 10.1.36.107
...
- addresses:
- 10.1.36.110
...
- addresses:
- 10.1.36.105
...
- addresses:
- 10.1.36.112
...
- addresses:
- 10.1.36.117
...
kind: EndpointSlice
metadata:
labels:
endpointslice.kubernetes.io/managed-by: endpointslice-controller.k8s.io
kubernetes.io/service-name: httpbin
name: httpbin-dkvtr
namespace: default
ports:
- name: http
port: 80
protocol: TCP
总结
本文介绍了 Kubernetes 需要部署大量 Pod 的场景和遇到的问题，对比了 Endpoints 和 Endpointslice 之间区别，以及如何安装 APISIX Ingress 来使用 Endpointslice 的特性。
如果你的集群版本为 Kubernetes v1.21+，推荐在安装 APISIX Ingress 时开启 Endpointslice 特性支持，这样就不用关注 --max-endpoints-per-slice 标志设定的值，从而避免配置丢失。
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