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

在 Kubernetes 中，Service 是一种抽象方式，用于公开运行在一组 Pods 上的应用程序。Service 可以拥有集群范围的虚拟 IP 地址（使用 type: ClusterIP 的 Service）。客户端可以使用该虚拟 IP 地址连接，然后 Kubernetes 会将流量负载均衡到该 Service 的不同后端 Pods 上。

Service ClusterIP 如何分配？

可以为 Service 的 ClusterIP 分配以下类型：

动态分配

集群的控制平面从为 type: ClusterIP Service 配置的 IP 范围内自动选择一个空闲的 IP 地址。

静态分配

您可以从为 Service 配置的 IP 范围内指定一个您选择的 IP 地址。

在整个集群中，每个 Service 的 ClusterIP 都必须是唯一的。尝试创建一个指定了已被分配的 ClusterIP 的 Service 将返回错误。

为什么需要保留 Service Cluster IP？

有时您可能希望 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 安装程序会将 Service IP 范围内的第 10 个地址分配给 DNS Service。假设您使用 Service IP 范围 10.96.0.0/16 配置了集群，并且希望 DNS Service IP 为 10.96.0.10，则必须像这样创建一个 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 尚未保留；如果在动态分配之前或同时创建其他 Service，它们可能会分配此 IP，因此，您将无法创建 DNS Service，因为它会因冲突错误而失败。

如何避免 Service ClusterIP 冲突？

在 Kubernetes 1.24 中，您可以启用新的特性门控 ServiceIPStaticSubrange。启用此特性门控后，您可以对 Service 使用不同的 IP 分配策略，从而降低冲突风险。

ClusterIP 范围将被划分，划分基于公式 min(max(16, cidrSize / 16), 256)，该公式被描述为永不小于 16 或大于 256，并在两者之间采取渐进式步长。

动态 IP 分配默认将使用较高段，一旦该段耗尽，将使用较低段。这将允许用户在较低段上进行静态分配，从而降低冲突风险。

示例

Service IP CIDR 块：10.96.0.0/24

范围大小：2⁸ - 2 = 254
段偏移：min(max(16, 256/16), 256) = min(16, 256) = 16
静态分配段起始：10.96.0.1
静态分配段结束：10.96.0.16
范围结束：10.96.0.254

Service IP CIDR 块：10.96.0.0/20

范围大小：2¹² - 2 = 4094
段偏移：min(max(16, 4096/16), 256) = min(256, 256) = 256
静态分配段起始：10.96.0.1
静态分配段结束：10.96.1.0
范围结束：10.96.15.254

Service IP CIDR 块：10.96.0.0/16

范围大小：2¹⁶ - 2 = 65534
段偏移：min(max(16, 65536/16), 256) = min(4096, 256) = 256
静态分配段起始：10.96.0.1
静态分配段结束：10.96.1.0
范围结束：10.96.255.254

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