使用 Kubernetes 实现负载均衡

使用 Kubernetes 实现负载均衡，可以通过 Kubernetes 的内置服务（Service）资源，配合负载均衡器（如云平台提供的负载均衡器或 Ingress 控制器）来完成。以下是详细的步骤和调优案例。

一、Kubernetes 负载均衡的基本概念

1. ClusterIP（默认类型）
   只能在集群内部访问，分发到 Pod 的流量通过 IPtables 或 IPVS 转发。

2. NodePort
   通过每个节点的固定端口将流量暴露给外部，适合简单的开发或测试环境。

3. LoadBalancer
   在云平台中使用负载均衡服务，将流量从外部分发到节点。

4. Ingress
   提供基于域名和路径的 HTTP/HTTPS 负载均衡。

二、实现负载均衡的步骤

1. 创建 Deployment

一个 Deployment 管理 Pod 副本，确保应用具有高可用性。

示例：运行一个 Nginx 服务的 Deployment。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3  # 创建三个副本
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.23
        ports:
        - containerPort: 80

创建 Deployment：

kubectl apply -f nginx-deployment.yaml 

2. 创建 Service

定义 Service 类型为 LoadBalancer，为 Nginx 提供外部访问能力。

示例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx  # 关联到 Deployment 的标签
  type: LoadBalancer  # 使用云平台负载均衡器
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80  # Service 端口
    targetPort: 80  # Pod 的端口

创建 Service：

kubectl apply -f nginx-service.yaml 

3. 使用 Ingress 提供基于域名的访问

Ingress 控制器（如 NGINX-Ingress）用于 HTTP/HTTPS 流量的负载均衡。

安装 NGINX-Ingress 控制器：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/main/deploy/static/provider/cloud/deploy.yaml 

定义 Ingress 资源：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  rules:
  - host: example.com  # 替换为你的域名
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-service
            port:
              number: 80

创建 Ingress：

kubectl apply -f nginx-ingress.yaml 

三、调优案例

1. 调整 Pod 副本数

通过 HPA（Horizontal Pod Autoscaler）实现自动扩缩容：

以下是一个完整的 HPA YAML 文件，将其保存为 nginx-hpa.yaml：

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: nginx-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: nginx-deployment
  minReplicas: 3
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50  # CPU 使用率超过 50% 时扩容

2. 优化负载均衡算法

在 Ingress 的注解中 annotations：调整负载均衡策略：

nginx.ingress.kubernetes.io/load-balance: "least_conn" # 使用最少连接算法 

常用策略：

• round_robin：默认轮询分发。
• least_conn：最少连接优先。
• ip_hash：基于客户端 IP 哈希。

3. 使用 readinessProbe 健康检查

这段代码用于 Deployment 或 Pod，修改的是容器的 readinessProbe。

配置 Pod 的健康检查，确保只有健康的实例接收流量：

readinessProbe: httpGet: path: / port: 80 initialDelaySeconds: 5 periodSeconds: 10 

4. 优化 Service 的 Session Sticky

通过设置 sessionAffinity 实现会话保持：

spec: sessionAffinity: ClientIP # 基于客户端 IP 保持会话 

四、完整部署命令

1. 部署 Deployment 和 Service：

   kubectl apply -f nginx-deployment.yaml kubectl apply -f nginx-service.yaml 

2. 部署 Ingress：

   kubectl apply -f nginx-ingress.yaml 

3. 配置 HPA：

   kubectl apply -f nginx-hpa.yaml 

4. 查看负载均衡服务的外部 IP：

   kubectl get service nginx-service 

五、总结

Kubernetes 提供了灵活的负载均衡机制，从基础的 ClusterIP 到基于域名的 Ingress，再到云平台的 LoadBalancer，都可以根据需求进行配置和优化。通过结合 HPA、负载均衡策略以及健康检查，可以实现高性能和高可用的系统架构。