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关于云计算:在-Kubernetes-集群中使用-MetalLB-作为-LoadBalancer上

jiezi

TL;DR

网络方面的常识又多又杂，很多又是零碎内核的局部。本来本人不是做网络方面的，零碎内核常识也单薄。但恰好是这些生疏的内容满满的引诱，加上当初的工作跟网络关联更多了，逮住机会就学习下。

这篇以 Kubernetes LoadBalancer 为终点，应用 MetalLB 去实现集群的负载均衡器，在探索其工作原理的同时理解一些网络的常识。

因为 MetalLB 的内容有点多，一步步来，明天这篇仅介绍其中简略又容易了解的局部，不出意外还会有下篇（太简单，等我搞明确先 :D）。

LoadBalancer 类型 Service

因为 Kubernets 中 Pod 的 IP 地址不固定，重启后 IP 会发生变化，无奈作为通信的地址。Kubernets 提供了 Service 来解决这个问题，对外裸露。

Kubernetes 为一组 Pod 提供雷同的 DNS 名和虚构 IP，同时还提供了负载平衡的能力。这里 Pod 的分组通过给 Pod 打标签（Label）来实现，定义 Service 时会申明标签选择器（selector）将 Service 与 这组 Pod 关联起来。

依据应用场景的不同，Service 又分为 4 种类型：ClusterIP、NodePort、LoadBalancer 和 ExternalName，默认是 ClusterIP。这里不一一具体介绍，有趣味的查看 Service 官网文档。

除了明天的配角 LoadBalancer 外，其余 3 种都是比拟罕用的类型。LoadBalancer 官网的解释是：

应用云提供商的负载均衡器向内部裸露服务。内部负载均衡器能够将流量路由到主动创立的 NodePort 服务和 ClusterIP 服务上。

看到“云提供商提供”几个字时往往望而生畏，有时又须要 LoadBalancer 对外裸露服务做些验证工作（尽管除了 7 层的 Ingress 以外，还能够应用 NodePort 类型的 Service），而 Kubernetes 官网并没有提供实现。比方上面要介绍的 MetalLB 就是个不错的抉择。

MetalLB 介绍

MetalLB 是裸机 Kubernetes 集群的负载均衡器实现，应用规范路由协定。

留神： MetalLB 目前还是 beta 阶段。

前文提到 Kubernetes 官网并没有提供 LoadBalancer 的实现。各家云厂商有提供实现，但如果不是运行在这些云环境上，创立的 LoadBalancer Service 会始终处于 Pending 状态（见下文 Demo 局部）。

MetalLB 提供了两个性能：

  • 地址调配：当创立 LoadBalancer Service 时，MetalLB 会为其调配 IP 地址。这个 IP 地址是从 <u>事后配置的 IP 地址库</u> 获取的。同样，当 Service 删除后，已调配的 IP 地址会从新回到地址库。
  • 对外播送：调配了 IP 地址之后，须要让集群外的网络晓得这个地址的存在。MetalLB 应用了规范路由协定实现：ARP、NDP 或者 BGP。

播送的形式有两种，第一种是 Layer 2 模式，应用 ARP（ipv4）/NDP（ipv6）协定；第二种是 BPG。

<u> 明天次要介绍简略的 Layer 2 模式 </u>，顾名思义是 OSI 二层的实现。

具体实现原理，看完 Demo 再做剖析，等不及的同学请间接跳到最初。

运行时

MetalLB 运行时有两种工作负载：

  • Controler：Deployment，用于监听 Service 的变更，调配 / 回收 IP 地址。
  • Speaker：DaemonSet，对外播送 Service 的 IP 地址。

Demo

装置之前介绍下网络环境，Kubernetes 应用 K8s 装置在 Proxmox 的虚拟机上。

装置 K3s

装置 K3s，这里须要通过 --disable servicelb 禁用 k3s 默认的 servicelb。

参考 K3s 文档，默认状况下 K3s 应用 Traefik ingress 控制器 和 Klipper Service 负载均衡器来对外裸露服务。

curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - --disable traefik --disable servicelb --write-kubeconfig-mode 644 --write-kubeconfig ~/.kube/config

创立工作负载

应用 nginx 镜像，创立两个工作负载：

kubectl create deploy nginx --image nginx:latest --port 80 -n default
kubectl create deploy nginx2 --image nginx:latest --port 80 -n default

同时为两个 Deployment 创立 Service，这里类型抉择 LoadBalancer：

kubectl expose deployment nginx --name nginx-lb --port 8080 --target-port 80 --type LoadBalancer -n default
kubectl expose deployment nginx2 --name nginx2-lb --port 8080 --target-port 80 --type LoadBalancer -n default

查看 Service 发现状态都是 Pending 的，这是因为装置 K3s 的时候咱们禁用了 LoadBalancer 的实现：

kubectl get svc -n default
NAME         TYPE           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
kubernetes   ClusterIP      10.43.0.1       <none>        443/TCP          14m
nginx-lb     LoadBalancer   10.43.108.233   <pending>     8080:31655/TCP   35s
nginx2-lb    LoadBalancer   10.43.26.30     <pending>     8080:31274/TCP   16s

这时就须要 MetalLB 退场了。

装置 MetalLB

应用官网提供 manifest 来装置，目前最新的版本是 0.12.1。此外，还能够其余装置形式供选择，比方 Helm、Kustomize 或者 MetalLB Operator。

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.12.1/manifests/namespace.yaml
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.12.1/manifests/metallb.yaml

kubectl get po -n metallb-system
NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
speaker-98t5t                 1/1     Running   0          22s
controller-66445f859d-gt9tn   1/1     Running   0          22s

此时再查看 LoadBalancer Service 的状态依然是 Pending 的，嗯？因为，MetalLB 要为 Service 调配 IP 地址，但 IP 地址不是凭空来的，而是须要事后提供一个地址库。

这里咱们应用 Layer 2 模式，通过 Configmap 为其提供一个 IP 段：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  namespace: metallb-system
  name: config
data:
  config: |
    address-pools:
    - name: default
      protocol: layer2
      addresses:
      - 192.168.1.30-192.168.1.49

此时再查看 Service 的状态，能够看到 MetalLB 为两个 Service 调配了 IP 地址 192.168.1.30、192.168.1.31：

kubectl get svc -n default
NAME         TYPE           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP    PORT(S)          AGE
kubernetes   ClusterIP      10.43.0.1       <none>         443/TCP          28m
nginx-lb     LoadBalancer   10.43.201.249   192.168.1.30   8080:30089/TCP   14m
nginx2-lb    LoadBalancer   10.43.152.236   192.168.1.31   8080:31878/TCP   14m

能够申请测试下：

curl -I 192.168.1.30:8080
HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx/1.21.6
Date: Wed, 02 Mar 2022 15:31:15 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 615
Last-Modified: Tue, 25 Jan 2022 15:03:52 GMT
Connection: keep-alive
ETag: "61f01158-267"
Accept-Ranges: bytes

curl -I 192.168.1.31:8080
HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx/1.21.6
Date: Wed, 02 Mar 2022 15:31:18 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 615
Last-Modified: Tue, 25 Jan 2022 15:03:52 GMT
Connection: keep-alive
ETag: "61f01158-267"
Accept-Ranges: bytes

macOS 本地应用 arp -a 查看 ARP 表能够找到这两个 IP 及 mac 地址，能够看出两个 IP 都绑定在同一个网卡上，此外还有虚拟机的 IP 地址。也就是说 3 个 IP 绑定在该虚拟机的 en0 上：

而去虚拟机（节点）查看网卡（这里只能看到零碎绑定的 IP）：

Layer 2 工作原理

Layer 2 中的 Speaker 工作负载是 DeamonSet 类型，在每台节点上都调度一个 Pod。首先，几个 Pod 会先进行选举，选举出 Leader。Leader 获取所有 LoadBalancer 类型的 Service，将已调配的 IP 地址绑定到以后主机到网卡上。也就是说，所有 LoadBalancer 类型的 Service 的 IP 同一时间都是绑定在同一台节点的网卡上。

当内部主机有申请要发往集群内的某个 Service，须要先确定指标主机网卡的 mac 地址（至于为什么，参考维基百科）。这是通过发送 ARP 申请，Leader 节点的会以其 mac 地址作为响应。内部主机会在本地 ARP 表中缓存下来，下次会间接从 ARP 表中获取。

申请达到节点后，节点再通过 kube-proxy 将申请负载平衡指标 Pod。所以说，如果 Service 是多 Pod 这里有可能会再跳去另一台主机。

优缺点

长处很显著，实现起来简略（绝对于另一种 BGP 模式下路由器要反对 BPG）。就像笔者的环境一样，只有保障 IP 地址库与集群是同一个网段即可。

当然毛病更加显著了，Leader 节点的带宽会成为瓶颈；与此同时，可用性欠佳，故障转移须要 10 秒钟的工夫（每个 speaker 过程有个 10s 的循环）。

参考

  • 地址解析协定

  • MetalLB 概念

    文章对立公布在公众号 云原生指北

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