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K8s 集群 IP 地址管理指南

概述

你是否在小型初创公司或大型企业工作，并正在为公司评估 Kubernetes？你可能正在考虑运行十几个或更多的 Kubernetes (K8s) 集群。你期望每个集群支持几百个 K8s 节点，每个节点可能有 50 到 100 个 K8s Pod。这是否足以作为你的 IP 地址管理 (IPAM) 策略的一部分？那么K8s 服务 呢？你是否有运行在 K8s 之外的应用程序需要与 K8s 上的应用程序通信？反之亦然？

为了理解 K8s 集群的 IP 地址需求，我们首先深入了解它支持的网络模型及其背后的原因。

网络模型

1. 所有 Pod 可以在同一集群内相互通信，无需 NAT

2. 所有 Pod 可以与服务通信，无需 NAT

3. 不应有 IP 重叠

上述网络模型提供了以下优势：

1. Pod 可移动性：每个 Pod 都有自己的 IP，该 IP 不与 Pod 运行的节点绑定。这意味着 Pod 可以移动到任何节点，而无需更改其 IP 或网络身份。

2. 网络效率：由于 POD IP 有独立的、不重叠的 IP 块，Pod 之间可以相互通信，无需复杂的 NAT。

3. 可重用的 POD IP：Pod 是短暂的。当 Pod 被删除时，其 IP 可以重新分配给另一个 Pod。

每个 K8s 集群所需的 CIDR 块

在了解了网络模型及其优势后，我们来看看 K8s 集群中需要 IP 的所有组件：

1. K8s 节点

2. K8s Pod

3. K8s 服务

4. 外部 IP

5. 入口 IP

运行 Pod 的 K8s 节点需要一个 IP，同样，每个运行在节点上的 Pod 也需要自己的 IP。

由于 K8s Pod 是短暂的，它们会被随机分配 IP。K8s 服务用于为 Pod 提供稳定的 IP。K8s 服务 IP 还充当无状态 Pod 的内部负载均衡器。

如果 Pod 位于外部负载均衡器（如 AWS ELB）后面，外部负载均衡器也需要 IP，如上文第 4 点所述。

如果 Pod 位于 Ingress 后面，Ingress 也需要外部 IP 块来暴露这些 HTTP/HTTPS 服务。这些 IP 通常也通过外部负载均衡器（如 AWS ELB）分配。

K8s 集群中 CIDR 块的配置方式

本节假设你熟悉 K8s 集群的组件。我们来看看 K8s 的四个重要部分的配置，了解它们如何使用各种 CIDR：

kube-apiserver \--service-cluster-ip-range=10.96.0.0/12 \        # 服务 CIDR--service-node-port-range=30000-32767 \          # NodePort 范围--allow-privileged=true \--apiserver-count=3 \                            # 用于高可用设置--bind-address=0.0.0.0 \--secure-port=6443 \--feature-gates=RemoveSelfLink=false

kube-controller-manager \--cluster-cidr=10.244.0.0/16 \                   # Pod CIDR--service-cluster-ip-range=10.96.0.0/12 \        # 必须与 apiserver 匹配--node-cidr-mask-size=24 \                       # 每个节点的子网大小--allocate-node-cidrs=true \--cluster-name=kubernetes \--controllers=*,bootstrapsigner,tokencleaner

kubelet \--pod-cidr=10.244.1.0/24 \                      # 节点特定的 Pod CIDR--node-ip=192.168.1.10 \                        # 节点的物理 IP--cluster-dns=10.96.0.10 \                      # kube-dns 服务 IP--cluster-domain=cluster.local \--network-plugin=cni \--cni-conf-dir=/etc/cni/net.d \--cni-bin-dir=/opt/cni/bin

kube-proxy \--cluster-cidr=10.244.0.0/16 \                  # Pod CIDR--proxy-mode=ipvs \                             # 或 iptables--ipvs-min-sync-period=5s \--ipvs-sync-period=30s

你会注意到 K8s 服务 CIDR 在两个地方指定：kube-apiserver 和 kube-controller-manager，作为命令行参数 _— service-cluster-ip-range_，并且两者必须相同。这是用于分配ClusterIP 类型的 K8s 服务的 IP 地址块。

— cluster-cidr 在 kube-controller-manager 和 kube-proxy 中指定。此 CIDR 块用于分配集群中所有 K8s Pod 的 IP 地址。

此外，每个节点的 POD CIDR 作为命令行参数— pod-cidr 传递给 kubelet。kubelet 使用此 IP 地址块为运行在其所在节点上的 Pod 分配 IP。此块必须来自— cluster-cidr 指定的超块。

CNI 和 IPAM

上述讨论假设 IP 地址通过直接配置 K8s 组件来管理。通常，Kubernetes 集群使用 CNI（容器网络接口）模块来实现网络模型。CNI 主要负责：

• POD IP 分配（接管或覆盖— pod-cidr 和 _— cluster-cidr_）

• Pod 之间的连接

• 控制哪些 Pod 可以与哪些其他 Pod 通信的网络策略

CNI 还可以用于与企业现有的 IPAM 系统集成或创建自定义 IP 分配策略。

K8s 集群 IP 地址管理的其他注意事项

我想以一些 IP 地址管理的额外考虑结束本文，这些内容我们之前没有涵盖，但在你扩展 Kubernetes 使用时（无论是在本地还是在云中）至关重要。

1. 节点本地 IPAM https://www.cni.dev/plugins/current/ipam/host-local/：Kubernetes 现在支持节点本地 IPAM，允许每个节点管理自己的 IP 池。这减少了 API 服务器负载并提高了 Pod 启动时间。这在大型集群中特别有用，因为集中式 IPAM 可能成为瓶颈。

2. 双栈考虑 https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/dual-stack/：每个 Pod 可以同时获得 IPv4 和 IPv6 地址。我们需要确保为两种协议提供足够的地址空间。

3. Pod IP 范围耗尽：这通常被忽视，直到成为问题。我们需要考虑 Pod 的流失率和集群扩展计划。监控 IP 地址利用率很重要。最好设置 IP 池耗尽的警报。

4. 地址回收：需要为终止的 Pod 进行适当的垃圾回收。一些 CNI 插件有不同的等待期。这对于防止 IP 冲突很重要。

5. 多集群考虑：我们需要确保集群之间的 Pod 和服务 CIDR 不重叠。这对于集群联邦和跨集群通信很重要。我们还应考虑未来集群合并的场景。此外，我们还没有讨论跨多个集群的网格，这带来了额外的 IP 寻址考虑。

6. 云提供商集成：不同的云提供商有不同的 IPAM 限制。一些云提供商需要特定的 CIDR 范围，可能需要与云 VPC IPAM 协调。例如，EKS 支持自定义网络，并允许为节点上的 Pod 使用不同的子网。

7. 安全考虑：IPAM 也可用于网络分段。考虑为不同的安全区域使用不同的 IP 范围。这对于合规性要求很重要。

这并不详尽，但希望我已经涵盖了从扩展公司 Kubernetes 策略和运行基于我过去八年运行生产就绪集群的角度来看的所有 IP 地址管理方面。