k8sのMetalLBのセットアップ

はじめに

Kubernetesとは何か？

Kubernetesは、コンテナ化されたアプリケーションのデプロイ、スケーリング、および管理を自動化するオープンソースのプラットフォームです。このシステムはクラウド環境においてマイクロサービスアーキテクチャを支え、アプリケーションのリリースとスケーラビリティを向上させます。

ロードバランサーの必要性

ロードバランサーは、受信トラフィックを複数のサーバーに分散することで、アプリケーションの可用性とレスポンスタイムを改善します。Kubernetes環境では、外部からのアクセスをサービスやポッドに効率的にルーティングするために不可欠です。

MetalLBの概要

MetalLBとは？

MetalLBは、オンプレミスのKubernetesクラスター（クラウド環境外）でLoadBalancerタイプのサービスをサポートするためのコントローラーです。これにより、クラスターが自己完結型でありながら、外部のトラフィックを適切にルーティングできます。

MetalLBの主な特徴

MetalLBは独自のネットワークプロトコルを使用せず、標準のレイヤ2ネットワークプロトコル（ARP/NDP）またはBGPを使用して機能します。これにより、既存のネットワークインフラストラクチャに容易に統合できるという利点があります。

MetalLBのセットアップ:

MetalLBのインストール:

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.9.5/manifests/namespace.yaml
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.9.5/manifests/metallb.yaml

Secretの作成: (オプションで、BGPモードで使用する場合)

kubectl create secret generic -n metallb-system memberlist --from-literal=secretkey="$(openssl rand -base64 128)"

ConfigMapの作成:
これにより、使用可能なIPアドレスの範囲を指定します。

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  namespace: metallb-system
  name: config
data:
  config: |
    address-pools:
    - name: default
      protocol: layer2
      addresses:
      - 192.168.1.240/28

MetalLBの動作モード:

MetalLBは主に2つのモードで動作します。

Layer 2 (ARP/NDP): このモードでは、MetalLBはARP (IPv4) や NDP (IPv6) を使用してトラフィックをKubernetesサービスにルーティングします。
BGP: BGPモードでは、MetalLBはBGPを使用してルーティング情報を広告します。

トラフィックの操作:

Layer 2モード: サービスにIPアドレスが割り当てられると、そのノードはARPリクエストに応答して、トラフィックをそのサービスにルーティングします。
BGPモード: BGPネイバー（通常はネットワークルーター）とのセッションを確立し、サービスのIPアドレスに関するルーティング情報を広告します。これにより、トラフィックが正しくサービスにルーティングされます。

その他の機能:

IPアドレスの共有: 複数のサービスが同じIPアドレスを共有することができますが、異なるポートで動作する必要があります。
IPアドレスの割り当て: IPアドレスは自動的に割り当てられるか、または特定のサービスに静的に割り当てることができます。

ロードバランサリングのメカニズム

KubernetesにおけるLoadBalancerサービスの概要

KubernetesのLoadBalancerタイプのサービスは、外部トラフィックをクラスター内の特定のサービスにルーティングする機能を提供します。これは、クラウドプロバイダーのロードバランサーを活用することが多いですが、オンプレミス環境では、MetalLBのようなソリューションがこの役割を果たします。

MetalLBが解決する問題

オンプレミス環境では、デフォルトではLoadBalancerタイプのサービスが機能しないため、外部トラフィックのバランシングとルーティングが課題になります。MetalLBは、このギャップを埋め、オンプレミスでのロードバランサーとして機能します。

Layer 2モードでのMetalLBの使用

Layer 2モードの仕組み

動作: このモードは、より単純なネットワーク構造で使用されます。MetalLBは、ARP (Address Resolution Protocol) やNDP (Neighbor Discovery Protocol) を使って、ローカルネットワーク内でのサービスIPのアナウンスを行います。このモードでは、物理的なLayer 2ドメイン内でのみトラフィックをルーティングできます。
使用シーン: 主にプライベートなデータセンターやシンプルなオンプレミス環境など、単一のネットワークブロードキャストドメイン内での使用に適しています。
制限: トラフィックはLayer 2ドメインに制限されるため、他のネットワークやインターネットへのルーティングには向いていません。また、トラフィックバランシング機能は基本的なものに限られます。

BGPモードでのMetalLBの利用

動作: BGP (Border Gateway Protocol) モードは、より複雑で広範なネットワーク環境に適しています。このモードでは、BGPを使用して、ルーター間でサービスのIPルーティング情報を動的に交換します。これにより、異なるネットワークやAS (Autonomous Systems) 間でトラフィックを効果的にルーティングできます。
使用シーン: クラウド環境、大規模なオンプレミス環境、または複数のデータセンターを跨る環境など、ネットワークの規模が大きく、複数のルーティングドメインが存在する場合に使用されます。
利点: BGPモードは、トラフィックフローの高度な制御、ネットワークの冗長性、そしてマルチパスルーティングを実現します。また、ISPや大規模ネットワークとの連携にも対応しています。

IPアドレスの取得と設定

グローバルIPアドレスは、通常、ISPやデータセンタープロバイダーから取得します。取得したIPアドレスをMetalLBのコンフィギュレーションに組み込むことで、外部からのトラフィックを適切にルーティングできるようになります。

DNSとの統合

DNSの役割と重要性

DNSは、ユーザーフレンドリーなドメイン名をIPアドレスに変換するシステムです。DNSレコードを適切に設定することで、エンドユーザーはドメイン名を使用してサービスに簡単にアクセスできるようになります。

グローバル名前解決の設定（オプション）

グローバルな名前解決を設定するには、DNSプロバイダー（例：AWS Route 53、Google DNSなど）でDNSレコードを作成し、サービスのグローバルIPアドレスを指定します。これにより、世界中のユーザーがドメイン名を通じてサービスにアクセスできるようになります。

高度なユースケース: BGPの利点と応用

マルチクラスター環境

BGPは、マルチクラスター環境やクラスター間のルーティングに適しています。複数のクラスター間でトラフィックを動的にルーティングし、可用性とレジリエンスを向上させることができます。

データセンターとクラウドの統合

BGPを使用すると、オンプレミスのデータセンターとパブリッククラウドサービス間でシームレスな接続を実現できます。これにより、ハイブリッドクラウド環境での柔軟なワークロードの管理が可能になります。

まとめ

MetalLBの強みと制限

MetalLBは、オンプレミスのKubernetesクラスターに必要な外部トラフィックのルーティングソリューションを提供しますが、設定やネットワークアーキテクチャに関しては専門知識が必要です。

今後の展望

MetalLBとKubernetesのエコシステムは進化を続けており、より高度なルーティング要件やセキュリティニーズに対応していくことが予想されます。