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= Kubernetes ClusterIP =

== 介绍 ==
'''ClusterIP''' 是 Kubernetes 中默认的 Service 类型，它为集群内部的其他组件提供一个稳定的虚拟 IP 地址（VIP），用于访问一组 Pod。ClusterIP 服务仅在集群内部可用，外部流量无法直接访问它。它通常用于微服务架构中的内部通信，例如后端服务之间的调用。

ClusterIP 的主要特点：
* 提供一个稳定的 IP 地址和 DNS 名称，供集群内部使用。
* 通过标签选择器（Label Selector）动态关联后端 Pod。
* 支持 TCP、UDP 和 SCTP 协议。
* 默认情况下，ClusterIP 是自动分配的，但也可以手动指定。

== 工作原理 ==
ClusterIP 服务通过以下机制工作：
1. 用户创建一个 ClusterIP 类型的 Service，并定义标签选择器（Selector）来匹配目标 Pod。
2. Kubernetes 的控制平面会为该 Service 分配一个虚拟 IP（ClusterIP）。
3. kube-proxy 组件在每个节点上配置 iptables 或 IPVS 规则，将发往 ClusterIP 的流量转发到后端 Pod。
4. 集群内的其他组件可以通过 ClusterIP 或 Service 的 DNS 名称访问该服务。

<mermaid>
graph LR
    A[Client Pod] -->|Request| B(ClusterIP: 10.96.123.456)
    B --> C[Pod 1]
    B --> D[Pod 2]
    B --> E[Pod 3]
</mermaid>

== 创建 ClusterIP 服务 ==
以下是一个典型的 ClusterIP Service 的 YAML 定义示例：

<syntaxhighlight lang="yaml">
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  type: ClusterIP  # 可省略，因为这是默认类型
  selector:
    app: my-app    # 匹配具有标签 app=my-app 的 Pod
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80     # Service 监听的端口
      targetPort: 9376  # Pod 上实际暴露的端口
</syntaxhighlight>

应用此配置：
<syntaxhighlight lang="bash">
kubectl apply -f service.yaml
</syntaxhighlight>

验证服务：
<syntaxhighlight lang="bash">
kubectl get svc my-service
</syntaxhighlight>
输出示例：
<pre>
NAME         TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
my-service   ClusterIP   10.96.123.456   <none>        80/TCP    5s
</pre>

== DNS 解析 ==
Kubernetes 为每个 Service 提供 DNS 名称解析。在同一个命名空间中，可以通过 <code>my-service</code> 访问该服务。跨命名空间则需要使用完全限定域名（FQDN）：
<code>my-service.my-namespace.svc.cluster.local</code>

示例（在 Pod 内部测试）：
<syntaxhighlight lang="bash">
nslookup my-service
</syntaxhighlight>

== 实际应用场景 ==
'''场景1：前端访问后端API'''
假设您有一个前端应用（frontend）需要访问后端API服务（backend-api）：
1. 后端部署：
<syntaxhighlight lang="yaml">
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: backend-api
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: backend-api
  template:
    metadata:
      labels:
        app: backend-api
    spec:
      containers:
      - name: api
        image: my-api-image
        ports:
        - containerPort: 8080
</syntaxhighlight>

2. 后端服务：
<syntaxhighlight lang="yaml">
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: backend-api
spec:
  selector:
    app: backend-api
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
</syntaxhighlight>

3. 前端配置可以通过 <code>http://backend-api</code> 访问后端服务。

'''场景2：数据库访问'''
为数据库创建 ClusterIP 服务可以确保应用始终通过固定地址访问数据库，即使数据库 Pod 重启或重新调度：
<syntaxhighlight lang="yaml">
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-service
spec:
  selector:
    app: mysql
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 3306
      targetPort: 3306
</syntaxhighlight>

应用可以通过 <code>mysql-service:3306</code> 访问 MySQL 数据库。

== 高级配置 ==
=== 手动指定 ClusterIP ===
您可以在创建 Service 时指定特定的 ClusterIP（必须在有效的 ClusterIP 范围内）：
<syntaxhighlight lang="yaml">
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: static-ip-service
spec:
  clusterIP: 10.96.100.100  # 手动指定的 IP
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
</syntaxhighlight>

=== 多端口服务 ===
ClusterIP 服务可以暴露多个端口：
<syntaxhighlight lang="yaml">
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: multi-port-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - name: http
      protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
    - name: metrics
      protocol: TCP
      port: 9090
      targetPort: 9090
</syntaxhighlight>

== 负载均衡机制 ==
ClusterIP 服务默认使用 kube-proxy 实现负载均衡：
* '''iptables 模式'''：默认模式，通过 iptables 规则随机选择后端 Pod
* '''IPVS 模式'''：更高效的负载均衡，支持多种调度算法（rr, wrr, lc, wlc 等）

可以通过以下命令检查 kube-proxy 模式：
<syntaxhighlight lang="bash">
kubectl get configmap -n kube-system kube-proxy -o yaml | grep mode
</syntaxhighlight>

== 限制与注意事项 ==
1. ClusterIP 只能在集群内部访问
2. ClusterIP 是虚拟IP，无法 ping 通
3. 服务发现依赖于 Kubernetes DNS
4. 如果 Pod 没有正确标签，服务将无法关联到任何端点

== 故障排查 ==
如果 ClusterIP 服务无法正常工作：
1. 检查服务是否已创建：
   <syntaxhighlight lang="bash">
   kubectl get svc
   </syntaxhighlight>

2. 检查端点是否正确：
   <syntaxhighlight lang="bash">
   kubectl get endpoints <service-name>
   </syntaxhighlight>

3. 检查 Pod 标签是否匹配服务的选择器：
   <syntaxhighlight lang="bash">
   kubectl get pods --show-labels
   </syntaxhighlight>

4. 从集群内部测试连接：
   <syntaxhighlight lang="bash">
   kubectl run -it --rm test --image=busybox --restart=Never -- sh
   wget -O- http://my-service:80
   </syntaxhighlight>

== 数学表示 ==
ClusterIP 服务的负载均衡可以表示为：
<math>
P_i = \frac{1}{N}, \quad i = 1,2,...,N
</math>
其中：
* <math>P_i</math> 是请求被路由到第 i 个 Pod 的概率
* <math>N</math> 是后端 Pod 的数量

== 总结 ==
ClusterIP 是 Kubernetes 网络模型的基础组件，为集群内部通信提供了稳定可靠的抽象层。通过理解 ClusterIP 的工作原理和配置方法，您可以更好地设计和管理 Kubernetes 中的微服务架构。

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