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在K8S中，负载均衡器有何作用?

news 2025/10/11 13:00:10

在 Kubernetes 中，负载均衡器（Load Balancer） 是流量分发的核心枢纽，其核心作用可概括为：将外部请求智能分发到多个后端 Pod，实现高可用、高性能的服务暴露。以下是其核心作用及实现原理的深度解析：

一、负载均衡器的四大核心作用

1. 服务高可用（容灾防单点故障）

场景：
当某个 Pod 故障时，负载均衡器自动将流量切换到健康 Pod。
机制：
graph LR A[客户端] --> B(负载均衡器) B --> C[Pod 1] B --> D[Pod 2] B --> E[Pod 3] style C stroke:#f66,stroke-width:2px // 标记故障 Pod
效果：

🛡️ 避免单点故障导致服务中断，保障业务连续性。

2. 横向扩展（应对流量洪峰）

场景：
促销活动导致流量激增 10 倍，负载均衡器将请求均匀分发到新扩容的 Pod。

数据流：

\text{总吞吐量} = \sum_{i=1}^{n} (\text{Pod}_i \text{ 处理能力}) \quad (n = \text{Pod 数量})

效果：

📈 通过水平扩展 + 负载均衡，轻松应对百万级并发请求。

3. 统一访问入口（简化网络拓扑）

场景：
客户端无需知道后端有 100 个 Pod，只需访问负载均衡器的 IP。

实现：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: my-service
spec:type: LoadBalancer  # 关键配置ports:- port: 80targetPort: 9376selector:app: my-app

效果：

🌐 对外暴露单一 IP/DNS，隐藏后端复杂的 Pod 动态变化。

4. 会话保持（有状态服务支持）

场景：
用户购物车需保证同一会话的请求始终路由到同一 Pod。

配置：

spec:sessionAffinity: ClientIP  # 基于客户端 IP 保持会话sessionAffinityConfig:clientIP:timeoutSeconds: 3600  # 会话保持 1 小时

效果：

🛒 确保用户登录状态、事务处理等连续性。

二、Kubernetes 负载均衡器的三层实现

1. 云厂商托管负载均衡器（如 AWS ALB, GCP CLB）

工作原理：
graph LR A[客户端] --> B(云负载均衡器) B --> C[NodePort 1:30001] B --> D[NodePort 2:30001] C --> E[Pod A] D --> F[Pod B]
优势：
- 自动创建公网 IP + DNS
- 集成云监控/自动扩缩容
- 支持 TLS 终止、WAF 防护

配置示例（AWS）：

kubectl get svc my-service
# 输出 EXTERNAL-IP 为 a1234567890.us-east-1.elb.amazonaws.com

2. Ingress Controller（七层负载均衡）

核心组件：Nginx / HAProxy / Traefik
场景：
- 基于域名和路径路由（www.example.com/api → 后端服务）
- HTTPS 证书自动管理

流量路径：

客户端 → Ingress LB → Ingress Controller → Service → Pod

配置示例：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:name: my-ingress
spec:rules:- host: shop.example.comhttp:paths:- path: /pathType: Prefixbackend:service:name: frontendport: number: 80

3. Service Mesh（如 Istio）

高级特性：
- 细粒度流量控制（金丝雀发布、A/B 测试）
- 熔断、重试、超时策略

架构：

客户端 → Istio IngressGateway → Sidecar Proxy（Envoy） → Pod

三、负载均衡算法（调度策略）

算法	原理	适用场景
轮询（Round Robin）	依次分发到每个 Pod	无状态服务（如 API）
最小连接（Least Connections）	选择当前连接数最少的 Pod	长连接服务（如 WebSocket）
源 IP 哈希（Source IP Hash）	相同客户端 IP 路由到固定 Pod	会话保持需求
加权轮询（Weighted）	按 Pod 配置的权重分配流量	混合机型集群（如 CPU 差异）

四、生产环境最佳实践

1. 健康检查配置

spec:ports:- name: httpport: 80selector:app: web# 关键健康检查参数externalTrafficPolicy: Local  # 避免跨节点跳转healthCheckNodePort: 30000    # 自定义健康检查端口

2. 成本优化方案

共享负载均衡器：多个 Service 复用同一 Ingress
NodePort + 自建 LB：避免云厂商 LB 小时计费
使用 NLB 替代 ALB：当不需要七层功能时降低费用

3. 安全加固

限制访问 IP：

spec:loadBalancerSourceRanges:- "192.168.1.0/24"  # 仅允许指定 IP 段访问

启用 TLS 1.3：

# Ingress 中配置 TLS
tls:- secretName: tls-certhosts:- "*.example.com"

五、常见问题与排查

现象	原因	排查命令
负载不均衡	Pod 健康检查失败 / 调度策略配置错误	`kubectl describe endpoints <svc>`
连接超时	后端 Pod 未就绪 / NodePort 未开放	`kubectl get pods -l app=my-app`
HTTPS 证书失效	Secret 证书过期 / 域名不匹配	`kubectl get secret tls-cert -o yaml`
客户端 IP 丢失	`externalTrafficPolicy` 未设为 `Local`	`kubectl get svc -o jsonpath='{.spec.externalTrafficPolicy}'`