Kubernetes 1.24: 避免为 Services 分配 IP 地址时发生冲突

作者： Antonio Ojea (Red Hat)

在 Kubernetes 中，Services 是一种抽象，用来暴露运行在一组 Pod 上的应用。 Service 可以有一个集群范围的虚拟 IP 地址（使用 type: ClusterIP 的 Service）。 客户端可以使用该虚拟 IP 地址进行连接， Kubernetes 为对该 Service 的访问流量提供负载均衡，以访问不同的后端 Pod。

Service ClusterIP 是如何分配的？

Service ClusterIP 有如下分配方式：

动态 ：集群的控制平面会自动从配置的 IP 范围内为 type:ClusterIP 的 Service 选择一个空闲 IP 地址。

静态 ：你可以指定一个来自 Service 配置的 IP 范围内的 IP 地址。

在整个集群中，每个 Service 的 ClusterIP 必须是唯一的。 尝试创建一个已经被分配了 ClusterIP 的 Service 将会返回错误。

为什么需要预留 Service Cluster IP？

有时，你可能希望让 Service 运行在众所周知的 IP 地址上，以便集群中的其他组件和用户可以使用它们。

最好的例子是集群的 DNS Service。一些 Kubernetes 安装程序将 Service IP 范围中的第 10 个地址分配给 DNS Service。 假设你配置集群 Service IP 范围是 10.96.0.0/16，并且希望 DNS Service IP 为 10.96.0.10， 那么你必须创建一个如下所示的 Service：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    k8s-app: kube-dns
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
    kubernetes.io/name: CoreDNS
  name: kube-dns
  namespace: kube-system
spec:
  clusterIP: 10.96.0.10
  ports:
  - name: dns
    port: 53
    protocol: UDP
    targetPort: 53
  - name: dns-tcp
    port: 53
    protocol: TCP
    targetPort: 53
  selector:
    k8s-app: kube-dns
  type: ClusterIP

但正如我之前解释的，IP 地址 10.96.0.10 没有被保留； 如果其他 Service 在动态分配之前创建或与动态分配并行创建，则它们有可能分配此 IP 地址， 因此，你将无法创建 DNS Service，因为它将因冲突错误而失败。

如何避免 Service ClusterIP 冲突？

在 Kubernetes 1.24 中，你可以启用一个新的特性门控 ServiceIPStaticSubrange。 启用此特性允许你为 Service 使用不同的 IP 分配策略，减少冲突的风险。

ClusterIP 范围将根据公式 min(max(16, cidrSize / 16), 256) 进行划分， 该公式可描述为 “在不小于 16 且不大于 256 之间有一个步进量（Graduated Step）”。

分配默认使用上半段地址，当上半段地址耗尽后，将使用下半段地址范围。 这将允许用户在下半段地址中使用静态分配从而降低冲突的风险。

举例：

Service IP CIDR 地址段： 10.96.0.0/24

地址段大小：2⁸ - 2 = 254
地址段偏移：min(max(16, 256/16), 256) = min(16, 256) = 16
静态地址段起点：10.96.0.1
静态地址段终点：10.96.0.16
地址范围终点：10.96.0.254

Service IP CIDR 地址段： 10.96.0.0/20

地址段大小：2¹² - 2 = 4094
地址段偏移：min(max(16, 4096/16), 256) = min(256, 256) = 256
静态地址段起点：10.96.0.1
静态地址段终点：10.96.1.0
地址范围终点：10.96.15.254

Service IP CIDR 地址段： 10.96.0.0/16

地址段大小：2¹⁶ - 2 = 65534
地址段偏移：min(max(16, 65536/16), 256) = min(4096, 256) = 256
静态地址段起点：10.96.0.1
静态地址段终点：10.96.1.0
地址范围终点：10.96.255.254

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