有图有真相！一文全解Kubernetes 负载均衡+最佳实践

原创已于 2025-05-27 13:37:40 修改 · 1.2k 阅读

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#kubernetes #负载均衡 #贪心算法

于 2025-05-26 15:56:03 首次发布

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前言

前言

在 Kubernetes 中，负载均衡（Load Balancing）是多层次的，涵盖 服务内部（Pod 间）、节点间 和 外部流量入口 等多个层面。
本文对 Kubernetes 负载均衡进行详解，按照详细分类、实现原理及生产/测试环境中的实践，逐层清晰呈现各组件关系及生产/测试环境实现差异，有图有真相。

Kubernetes 负载均衡架构全景

一、Kubernetes 负载均衡分类

1. 服务内部负载均衡（Pod 级别）

适用场景：同一 Service 后端的多个 Pod 之间流量分配
实现方式：kube-proxy + Service 机制
类型：
- ClusterIP Service（默认）
- Headless Service（无头服务，直连 Pod）

内部负载均衡

2. 节点间负载均衡（Node 级别）

适用场景：将外部流量分发到不同 Node
实现方式：NodePort、LoadBalancer 或 Ingress
类型：
- NodePort Service
- LoadBalancer Service（云厂商或 MetalLB）

节点间负载均衡

3. 外部入口负载均衡（L7 路由）

适用场景：基于域名/路径的 HTTP(S) 流量分发
实现方式：Ingress Controller（如 Nginx、Traefik）
类型：
- Ingress（需配合 Ingress Controller）

外部入口负载均衡

二、实现原理详解

1. 服务内部负载均衡（kube-proxy）

工作原理

Service 创建：定义 selector 选择一组 Pod，分配 ClusterIP（虚拟 IP）。
kube-proxy 监听：每个 Node 上的 kube-proxy 监听 Service 和 Endpoints 变化。
规则生成：
- iptables 模式（默认）：生成随机规则的 iptables 链，流量被 DNAT 到后端 Pod。
- IPVS 模式（高性能）：基于内核的负载均衡，支持 rr（轮询）、wrr（加权轮询）等算法。
流量分发：请求到达 ClusterIP 后，由 kube-proxy 按规则转发到 Pod。

生产 vs 测试环境

环境	实现方式	特点
生产环境	IPVS 模式（高性能，支持更多调度算法）	适用于高并发场景，减少 iptables 性能损耗
测试环境	iptables 模式（默认，简单）	适合低流量场景，配置简单

2. 节点间负载均衡（NodePort / LoadBalancer）

工作原理

NodePort Service：
- 在每个 Node 上开放一个固定端口（如 30080）。
- 外部流量通过任意 NodeIP:Port 访问，由 kube-proxy 转发到后端 Pod。
LoadBalancer Service
- 云厂商自动创建外部负载均衡器（如 AWS ALB、GCP LB）。
- 负载均衡器将流量分发到各 Node 的 NodePort，再由 kube-proxy 转发到 Pod。

生产 vs 测试环境

环境	实现方式	特点
生产环境	LoadBalancer（云厂商 LB 或 MetalLB）	高可用，自动健康检查，支持 TLS 终止
测试环境	NodePort（手动访问 NodeIP:Port）	简单，无需云厂商依赖

3. 外部入口负载均衡（Ingress Controller）

工作原理

Ingress 资源定义规则：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: my-ingress
spec:
  rules:
  - host: foo.example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: my-service
            port:
              number: 80

Ingress Controller 监听并配置：
- Nginx/Traefik 等控制器动态生成负载均衡规则。
- 将 HTTP/HTTPS 流量按域名或路径路由到不同 Service。

生产 vs 测试环境

环境	实现方式	特点
生产环境	Nginx Ingress + TLS 终止 + 云 LB	支持金丝雀发布、限流、WAF 集成
测试环境	简易 Ingress（如 `kubectl port-forward`）	快速验证路由规则

三、生产环境最佳实践

Pod 级别负载均衡：
- 使用 IPVS 模式 的 kube-proxy。
- 为关键 Service 配置 PodAntiAffinity，避免单节点瓶颈。
节点间负载均衡：
- 云环境：LoadBalancer Service + 多可用区部署。
- 本地集群：MetalLB（替代云厂商 LB）。
入口负载均衡：
- 使用 Nginx Ingress Controller 并启用 HPA（自动扩缩容）。
- 配置 TLS 终止 和 全局速率限制。

AWS EKS 生产环境负载均衡架构：

四、测试环境简化方案

快速暴露服务：

kubectl port-forward svc/my-service 8080:80  # 临时端口转发

使用 NodePort 替代 LoadBalancer：

apiVersion: v1
kind: Service
spec:
  type: NodePort
  ports:
    - port: 80
      nodePort: 30080

轻量级 Ingress：
- 使用 minikube addons enable ingress 或 kind 集群内置 Ingress。

测试环境（Minikube 方案）：

五、总结

负载均衡类型	实现原理	生产环境方案	测试环境方案
服务内部（Pod 间）	kube-proxy + iptables/IPVS	IPVS 模式 + Pod 反亲和性	iptables 模式
节点间（Node 级别）	NodePort/LoadBalancer	云厂商 LB + 多可用区	NodePort + 手动访问
外部入口（L7）	Ingress Controller	Nginx Ingress + TLS + HPA	简易 Ingress 或 port-forward

关键架构组件联动

关键架构组件联动

通过合理选择负载均衡策略，可以满足从开发测试到高并发生产场景的需求。