[Kubernetes] 서비스 Port 유형 정리

[순서] 

• 1) 서비스란??
• 2) 포트(Port) 유형 정리
• 3) 서비스의 유형
  • 3-1) ClusterIP (기본 형태)
  • 3-2) NodePort
  • 3-3) LoadBalancer
  • 3-4) ExternalName
• 4) CLI 명령어로 파드에 서비스 정의하기

---

1) 서비스란??

• 쿠버네티스 환경에서 서비스(Service)는 파드들을 통해 실행되고 있는 애플리케이션을 네트워크에 노출(expose)시키는 가상의 컴포넌트다. 
• 쿠버네티스 내부의 다양한 객체들이 애플리케이션과, 그리고 애플리케이션이 다른 외부의 애플리케이션이나 사용자와 연결될 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
• 쿠버네티스에서의 파드는 무언가가 구동 중인 상태를 유지하기 위해 동원되는 일회성 자원으로 언제든 다른 노드로 옮겨지거나 삭제될 수 있다. 또한 파드는 생성될 때마다 새로운 내부 IP를 받게 되므로, 이것만으로 클러스터 내/외부와 통신을 계속 유지하기는 어렵다.
• 따라서 쿠버네티스에서는 파드가 외부와 통신할 수 있도록 클러스터 내부에서 고정적인 IP를 갖는 서비스(Service)를 이용하도록 하고 있다.
• 서비스를 정의하고 생성할 때에는 spec.ports 아래에 연결하고자 하는 항목 별로 각각 2개씩의 포트가 지정되어야 한다.
  • targetPort : 파드의 애플리케이션 쪽에서 열려있는 포트를 의미한다. 서비스로 들어온 트래픽은 해당 파드의 <클러스터 내부 IP>:<targetPort>로 넘어가게 된다.
  • port : 서비스 쪽에서 해당 파드를 향해 열려있는 포트를 의미한다.

---

2) 포트(Port) 유형 도식화

• NodePort : 외부에서 접속하기 위해 사용하는 포트(아래 나올 4가지 k8s 서비스 유형 중 하나)
• port : Cluster 내부에서 사용할 Service 객체의 포트
• target Port: Service 객체로 전달된 요청을 Pod(deployment)로 전달할 때 사용하는 포트

전체 서비스 흐름으로 보면 NodePort( k8s 서비스) --> Port --> targetPort

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: semizero-service
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - nodePort: 31001
    port: 8080
    targetPort: 80
    protocol: TCP
  selector:
    app: semizero

 

---

3) 서비스의 유형

쿠버네티스에서 서비스의 유형은 크게 4가지로 분류된다. 명세(spec) 상에 type가 별도로 지정되지 않았다면 ClusterIP로 고정된다.

1. ClusterIP (기본 형태)
2. NodePort
3. LoadBalancer
4. ExternalName

---

3-1) ClusterIP (기본 형태)

• ClusterIP는 파드들이 클러스터 내부의 다른 리소스들과 통신할 수 있도록 해주는 가상의 클러스터 전용 IP다.
• 이 유형의 서비스는 <ClusterIP>로 들어온 클러스터 내부 트래픽을 해당 파드의 <파드IP>:<targetPort>로 넘겨주도록 동작하므로, 오직 클러스터 내부에서만 접근 가능하게 된다.
• 쿠버네티스가 지원하는 기본적인 형태의 서비스다.
• 크게 Selector를 포함하는 형태와 Selector를 포함하지 않는 형태로 나뉜다.

출처: Google Cloud

Selector를 포함하는 형태

TCP 포트 9376을 수신 대기(listen)하며 app=semizero, type=frontend라는 레이블을 공유하는 파드들에게 semizero-service라는 이름으로 접근할 수 있게 해주는 ClusterIP 유형의 서비스를 정의하면 다음과 같다.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: semizero-service
spec:
  type: ClusterIP		# 생략 가능
  ports:
  - protocol: TCP
    targetPort: 9376	# 애플리케이션(파드)을 노출하는 포트
    port: 80			# 서비스를 노출하는 포트
  selector:				# 이 서비스가 적용될 파드 정보를 지정 (선택이나 권장 사항)
    app: semmizero
    type: frontend

• 위에서 spec.selector에서 지정된 레이블로 여러 파드들이 존재할 경우, 서비스는 그 파드들을 외부 요청(request)을 전달할 엔드포인트(endpoints)로 선택하여 트래픽을 분배하게 된다. 이를 이용하여 한 노드 안에 여러 파드, 또는 여러 노드에 걸쳐 있는 여러 파드에 동일한 서비스를 적용할 수 있다.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: semizero-service
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - name: http
    protocol: TCP
    targetPort: 9376
    port: 80
  - name: https
    protocol: TCP
    targetPort: 9377
    port: 443
  selector:
    app: semizero
    type: frontend

• 때로는 여러 포트들의 연결이 필요할 때도 있다. (예: HTTP/HTTPS) 이럴 땐 spec.ports에 리스트 형태로 name 값을 부여하여 각각 추가해주면 된다.
• 이때 name 필드에 들어가는 값은 반드시 영문/소문자 및 숫자와 -로만 이루어져야 하며, 첫 글자와 마지막 글자는 반드시 영문/소문자 및 숫자로만 쓰여야 한다.

 

Selector가 제외된 형태

필요에 따라 엔드포인트(Endpoints)를 수동으로 직접 지정해줘야 할 때가 있다. 테스트 환경과 상용 환경의 설정이 서로 다르거나, 다른 네임스페이스 또는 클러스터에 존재하는 파드와의 네트워크를 위해 서비스-서비스 간의 연결을 만들어야 하는 상황 등이 있다.

이런 경우에는 spec.selector 없이 서비스를 만들고, 해당 서비스가 가리킬 엔드포인트(Endpoints) 객체를 직접 만들어 해당 서비스에 맵핑하는 방법이 있다.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: semizero-service
spec:
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376

apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: semizero-service		# 연결할 서비스와 동일한 name을 메타데이터로 입력
subsets:					# 해당 서비스로 가리킬 endpoint를 명시
  - addresses:
      - ip: 192.0.2.42
    ports:
      - port: 9376

이때 주의해야 할 점은, 엔드포인트로 명시할 IP는 loopback(127.0.0.0/8) 또는 link-local(169.254.0.0/16, 224.0.0.0/24) 이어서는 안 된다는 것이다. 이에 대한 자세한 내용은 쿠버네티스 공식 메뉴얼 문서에서 확인할 수 있다.

Service

---

3-2) NodePort

• NodePort는 외부에서 노드 IP의 특정 포트(<NodeIP>:<NodePort>)로 들어오는 요청을 감지하여, 해당 포트와 연결된 파드로 트래픽을 전달하는 유형의 서비스다.
• 이때 클러스터 내부로 들어온 트래픽을 특정 파드로 연결하기 위한 ClusterIP 역시 자동으로 생성된다.

Google Cloud

• 이 유형의 서비스에서는 spec.ports 아래에 nodePort를 추가로 지정할 수 있다. nodePort는 외부에서 노드 안의 특정 서비스로 접근할 수 있도록 지정된 노드의 특정 포트를 의미한다. 
• nodePort로 할당 가능한 포트 번호의 범위는 30000에서 32767 사이이며, 미지정시 해당 범위 안에서 임의로 부여된다.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: semizero-service
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - targetPort: 80		# 애플리케이션(파드)을 노출하는 포트
    port: 80			# 서비스를 노출하는 포트
    nodePort: 30008		# 외부 사용자가 애플리케이션에 접근하기 위한 포트번호(선택)
  selector:				# 이 서비스가 적용될 파드 정보를 지정
    app: semizero
    type: frontend

 

• NodePort의 경우에도 spec.selector에 해당하는 모든 파드들에 동일한 로드 밸런싱이 적용된다.
• 만약 같은 레이블의 파드들이 다른 여러 노드에 걸쳐 존재한다면, 해당 노드들에도 같은 서비스가 자동으로 생성되면서 같은 번호의 노드포트를 통한 해당 파드들의 접근이 허용된다.
• 예를 들어 192.168.1.2 노드와 192.168.1.3 노드에 각각 같은 레이블의 파드가 존재할 경우, NodePort 서비스를 통해 192.168.1.2:<nodePort> 또는 192.168.1.3:<nodePort> 중 어떤 경로를 이용하더라도 해당되는 파드들에 연결이 가능해진다.

---

3-3) LoadBalancer

• 별도의 외부 로드 밸런서를 제공하는 클라우드(AWS, Azure, GCP 등) 환경을 고려하여, 해당 로드 밸런서를 클러스터의 서비스로 프로비저닝할 수 있는 LoadBalancer 유형도 제공된다.

Google Cloud

• 이 유형은 서비스를 클라우드 제공자 측의 자체 로드 밸런서로 노출시키며, 이에 필요한 NodePort와 ClusterIP 역시 자동 생성된다.
• 이때 프로비저닝된 로드 밸런서의 정보는 서비스의 status.loadBalancer 필드에 게재된다.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: semizero-service
spec:
  type: LoadBalancer
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80				# 서비스를 노출하는 포트
      targetPort: 80		# 애플리케이션(파드)를 노출하는 포트
  clusterIP: 10.0.171.239	# 클러스터 IP
  selector:
    app: semizero
    type: frontend
status:
  loadBalancer:				# 프로비저닝된 로드 밸런서 정보
    ingress:
    - ip: 192.0.2.127

• 이렇게 구성된 환경에서는, 외부의 로드 밸런서를 통해 들어온 트래픽이 서비스의 설정값을 따라 해당되는 파드들로 연결된다. 이 트래픽이 어떻게 로드 밸런싱이 될지는 클라우드 제공자의 설정에 따르게 된다.
• 만약 이러한 방식의 로드 밸런서 프로비저닝을 지원하지 않는 클라우드 환경(예: Virtualbox)일 경우, 이 유형으로 지정된 서비스는 NodePort와 동일한 방식으로 동작하게 된다.

---

3-4) ExternalName

• 서비스에 selector 대신 DNS name을 직접 명시하고자 할 때에 쓰인다. 
• spec.externalName 항목에 필요한 DNS 주소를 기입하면, 클러스터의 DNS 서비스가 해당 주소에 대한 CNAME 레코드를 반환하게 된다.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: semizero-service
  namespace: prod
spec:
  type: ExternalName
  externalName: my.database.example.com

---

4) CLI 명령어로 파드에 서비스 적용하기

• 서비스는 YAML 형태로 정의하는 것이 좋지만, 생성된 파드를 간단히 외부에 노출시키고자 할 때에는 CLI 명령어로 보다 간편하게 수행할 수도 있다. 
• 특정 리소스에 한해 즉시 노출시키고자 한다면 kubectl expose 명령을 이용하여 서비스 배포와 노출을 동시에 진행 가능하다.

# Create a new pod called custom-nginx using the nginx image and expose it on container port 8080.
kubectl run custom-nginx --image=nginx --port=8080 && kubectl expose pod custom-nginx

예를 들어 redis라는 파드의 6379 포트를 ClusterIP로 클러스터에 노출시켜야 한다고 가정해보자. 서비스를 직접 생성하여 연결하려면 아래와 같은 명령을 생각해 볼 수 있다.

kubectl create service clusterip redis --tcp=6379:6379

그러나 위와 같은 접근법에는 문제가 하나 있다. 명령어를 통한 서비스 생성시 spec.selector는 app=redis로 고정되며, 따로 YAML로 빼서 다시 수정하지 않는 이상 실제 연결하고자 하는 파드의 레이블 정보를 반영할 수 없다. 따라서 이런 경우에는 서비스를 직접 만들기보다는, 다음과 같이 kubectl expose pod 명령을 사용하는 것이 좋다.

kubectl expose pod redis --port=6379 --name redis-service