在 Kubernetes 集群中使用 MetalLB 作为 Load Balancer（上）

TL;DR

网络方面的知识又多又杂，很多又是系统内核的部分。原本自己不是做网络方面的，系统内核知识也薄弱。但恰恰是这些陌生的内容满满的诱惑，加上现在的工作跟网络关联更多了，逮住机会就学习下。

这篇以 Kubernetes LoadBalancer 为起点，使用 MetalLB 去实现集群的负载均衡器，在探究其工作原理的同时了解一些网络的知识。

由于 MetalLB 的内容有点多，一步步来，今天这篇仅介绍其中简单又容易理解的部分，不出意外还会有下篇（太复杂，等我搞明白先 :D）。

LoadBalancer 类型 Service

由于 Kubernets 中 Pod 的 IP 地址不固定，重启后 IP 会发生变化，无法作为通信的地址。Kubernets 提供了 Service 来解决这个问题，对外暴露。

Kubernetes 为一组 Pod 提供相同的 DNS 名和虚拟 IP，同时还提供了负载均衡的能力。这里 Pod 的分组通过给 Pod 打标签（ Label ）来完成，定义 Service 时会声明标签选择器（ selector ）将  Service 与 这组 Pod 关联起来。

根据使用场景的不同，Service 又分为 4 种类型： ClusterIP 、 NodePort 、 LoadBalancer 和  ExternalName ，默认是  ClusterIP 。这里不一一详细介绍，有兴趣的查看  Service 官方文档 ^[1] 。

除了今天的主角 LoadBalancer 外，其他 3 种都是比较常用的类型。 LoadBalancer 官方的解释是：

使用云提供商的负载均衡器向外部暴露服务。外部负载均衡器可以将流量路由到自动创建的 NodePort 服务和  ClusterIP 服务上。

看到“云提供商提供”几个字时往往望而却步，有时又需要 LoadBalancer 对外暴露服务做些验证工作（虽然除了 7 层的 Ingress 以外，还可以使用 NodePort 类型的 Service），而 Kubernetes 官方并没有提供实现。比如下面要介绍的  MetalLB ^[2] 就是个不错的选择。

MetalLB 介绍

MetalLB 是裸机 Kubernetes 集群的负载均衡器实现，使用标准路由协议。

注意：MetalLB 目前还是 beta 阶段。

前文提到 Kubernetes 官方并没有提供 LoadBalancer 的实现。各家云厂商有提供实现，但假如不是运行在这些云环境上，创建的  LoadBalancer Service 会一直处于  Pending 状态（见下文 Demo 部分）。

MetalLB 提供了两个功能：

• 地址分配：当创建  LoadBalancer Service 时，MetalLB 会为其分配 IP 地址。这个 IP 地址是从 预先配置的 IP 地址库 获取的。同样，当 Service 删除后，已分配的 IP 地址会重新回到地址库。

• 对外广播：分配了 IP 地址之后，需要让集群外的网络知道这个地址的存在。MetalLB 使用了标准路由协议实现：ARP、NDP 或者 BGP。

广播的方式有两种，第一种是 Layer 2 模式，使用 ARP（ipv4）/NDP（ipv6） 协议；第二种是 BPG。

今天主要介绍简单的 Layer 2 模式 ，顾名思义是 OSI 二层的实现。

具体实现原理，看完 Demo 再做分析，等不及的同学请直接跳到最后。

运行时

MetalLB 运行时有两种工作负载：

• Controler： Deployment ，用于监听 Service 的变更，分配/回收 IP 地址。

• Speaker： DaemonSet ，对外广播 Service 的 IP 地址。

Demo

安装之前介绍下网络环境，Kubernetes 使用 K8s 安装在 Proxmox 的虚拟机 ^[3] 上。

安装 K3s

安装 K3s，这里需要通过 --disable servicelb 禁用 k3s 默认的 servicelb。

参考 K3s 文档 ^[4] ，默认情况下 K3s 使用  Traefik ^[5] ingress 控制器 和  Klipper ^[6] Service 负载均衡器来对外暴露服务。

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

创建工作负载

使用 nginx 镜像，创建两个工作负载：

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 创建 Service，这里类型选择 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

检查 Service 发现状态都是 Pending 的，这是因为安装 K3s 的时候我们禁用了 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

这时就需要 MetalLB 登场了。

安装 MetalLB

使用官方提供 manifest 来安装，目前最新的版本是 0.12.1 。此外，还可以其他安装方式供选择，比如  Helm ^[7] 、 Kustomize ^[8] 或者  MetalLB Operator ^[9] 。

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

此时再检查 LoadBalancer Service 的状态仍然是 Pending 的，嗯？因为，MetalLB 要为 Service 分配 IP 地址，但 IP 地址不是凭空来的，而是需要预先提供一个地址库。

这里我们使用 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，可以看到 MetalLB 为两个 Service 分配了 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

可以请求测试下：

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 本地使用 arp -a 查看 ARP 表可以找到这两个 IP 及 mac 地址，可以看出两个 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（这里只能看到系统绑定的 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，将已分配的 IP 地址绑定到当前主机到网卡上。 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。

当外部主机有请求要发往集群内的某个 Service，需要先确定目标主机网卡的 mac 地址（至于为什么，参考 维基百科 ^[10] ）。这是通过发送 ARP 请求， Leader 节点的会以其 mac 地址作为响应。外部主机会在本地 ARP 表中缓存下来，下次会直接从 ARP 表中获取。

请求到达节点后，节点再通过 kube-proxy 将请求负载均衡目标 Pod。所以说，假如Service 是多 Pod 这里有可能会再跳去另一台主机。

优缺点

优点很明显，实现起来简单（相对于另一种 BGP 模式下路由器要支持 BPG）。就像笔者的环境一样，只要保证 IP 地址库与集群是同一个网段即可。

当然缺点更加明显了， Leader 节点的带宽会成为瓶颈；与此同时，可用性欠佳，故障转移需要 10 秒钟的时间（ 每个 speaker 进程有个 10s 的循环 ^[11] ）。

参考