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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

pie showData title 10.96.0.0/24 "静态" : 16 "动态" : 238

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

pie showData title 10.96.0.0/20 "静态" : 256 "动态" : 3838

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

pie showData title 10.96.0.0/16 "静态" : 256 "动态" : 65278

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