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使用 MetalLB 進行套裝組合負載平衡

本文說明如何設定 Google Distributed Cloud，透過 MetalLB 負載平衡器使用隨附的負載平衡功能。本文適用於負責設計及建構貴機構網路，以及安裝、設定和支援網路設備的網路專家。如要進一步瞭解內容中提及的常見角色和範例工作，請參閱「常見的 GKE Enterprise 使用者角色和工作」。 Google Cloud

在 Google Distributed Cloud 中，MetalLB 會以第 2 層模式執行。

MetalLB 設定範例

以下是執行 MetalLB 負載平衡器的叢集設定範例：

上圖顯示 MetalLB 部署作業。MetalLB 會直接在叢集節點上執行。在本範例中，管理員叢集和使用者叢集位於兩個不同的 VLAN，且每個叢集都位於不同的子網路：

叢集	子網路
管理員叢集	172.16.20.0/24
使用者叢集	172.16.40.0/24

admin-cluster.yaml

管理員叢集設定檔的下列部分顯示上圖中的設定：

高可用性控制層
MetalLB 負載平衡器
管理員叢集 Kubernetes API 伺服器的 MetalLB VIP

network:
  ...
  controlPlaneIPBlock:
    netmask: "255.255.255.0"
    gateway: "172.16.20.1"
    ips:
    - ip: "172.16.20.50"
      hostname: "admin-cp-1"
    - ip: "172.16.20.51"
      hostname: "admin-cp-2"
    - ip: "172.16.20.52"
      hostname: "admin-cp-3"
loadBalancer:
  kind: "MetalLB"
  ...
  vips:
    controlPlaneVIP: "172.16.20.100"
...
adminMaster:
  cpus: 4
  memoryMB: 16384
  replicas: 3

user-cluster.yaml

使用者叢集設定檔的下列部分顯示以下設定：

供 MetalLB 控制器選擇並指派給 LoadBalancer 類型服務的位址集區。Ingress VIP 位於這個集區中。
為使用者叢集的 Kubernetes API 伺服器指定的 VIP，以及您選擇為 Ingress Proxy 設定的 Ingress VIP。
已啟用 MetalLB 的節點集區。MetalLB 會部署在這個節點集區的節點上。

enableControlplaneV2: true
...
network:
  hostConfig:
  ...

  ipMode:
    type: "static"
    ipBlockFilePath: "config-folder/user-cluster-ipblock.yaml"
...
  controlPlaneIPBlock:
    netmask: "255.255.255.0"
    gateway: "172.16.40.1"
    ips:
    - ip: "172.16.40.21"
      hostname: "user-cp"
loadBalancer:
  kind: MetalLB
  metalLB:
    addressPools:
    - name: "address-pool-1"
      addresses:
      - "172.16.40.101-172.16.40.112
      avoidBuggyIPs: true
  ...

  vips:
    controlPlaneVIP: "172.16.20.100"
    ingressVIP: "172.16.40.101"
...
nodePools:
- name: "node-pool-1"
  cpus: 4
  memoryMB: 8192
  replicas: 3
  enableLoadBalancer: true

上述範例中的設定指定一組可供服務使用的位址。應用程式開發人員在使用者叢集中建立 LoadBalancer 類型的 Service 時，MetalLB 控制器會從這個集區中選擇 IP 位址。

user-cluster-ipblock.yaml

以下 IP 區塊檔案範例顯示使用者叢集工作站節點的 IP 位址指派情形。包括在叢集升級、更新和自動修復期間使用的額外 IP 位址。

blocks:
- netmask: "255.255.255.0"
  gateway: "17.16.40.1"
  ips:
  - ip: 172.16.40.22
    hostname: user-vm-1
  - ip: 172.16.40.23
    hostname: user-vm-2
  - ip: 172.16.40.24
    hostname: user-vm-3
  - ip: 172.16.40.25
    hostname: user-vm-4
  - ip: 172.16.40.26
    hostname: user-vm-5
  - ip: 172.16.40.27
    hostname: user-vm-6

設定 MetalLB

開放防火牆通訊埠

MetalLB 使用 Go memberlist 程式庫進行領導者選舉。memberlist 程式庫會使用 TCP 通訊埠 7946 和 UDP 通訊埠 7946 交換資訊。請確保所有負載平衡器節點都能存取這些通訊埠，以處理傳入和傳出流量。

為新的管理員叢集啟用 MetalLB

在管理員叢集設定檔中，將 loadBalancer.kind 設為 "MetalLB"。

loadBalancer:
  kind: "MetalLB"

填寫管理員叢集設定檔的其餘部分，然後按照「建立管理員叢集」一文的說明建立管理員叢集。

指定位址集區

MetalLB 控制器會為 Service 指派 IP 位址。應用程式開發人員在使用者叢集中建立 LoadBalancer 類型的服務時，MetalLB 控制器會自動為該服務指派 IP 位址。MetalLB 控制器會從您指定的位址集區中選取 IP 位址。

為確保使用者叢集有足夠的 IP 位址，請考量可能處於啟用狀態的 LoadBalancer 服務數量上限。然後在使用者叢集的設定檔中，於 loadBalancer.metalLB.addressPools 區段指定足夠的 IP 位址。

集區中的位址必須採用 CIDR 格式或範圍格式。如要指定個別地址，請使用 /32 CIDR。例如：

addresses:
  -   "192.0.2.0/26"
  -   "192.0.2.64-192.0.2.72"
  -   "192.0.2.75/32"

如果需要在叢集建立後調整集區中的位址，可以使用 gkectl update cluster。詳情請參閱「更新 MetalLB」。

為新的使用者叢集啟用 MetalLB

在使用者叢集設定檔中：

將 loadBalancer.kind 設為 "MetalLB"。
為服務指定一或多個位址集區。Ingress VIP 必須位於其中一個集區。
將叢集中至少一個節點集區的 enableLoadBalancer 設為 true。設為 true 時，這個欄位可讓 MetalLB 揚聲器在集區中的節點上執行。

警告： 如果 Service 的 IP 位址有大量網路位址轉譯 (NAT) 輸入流量，請勿將該節點集區用於 MetalLB。請改用其他集區，或為 MetalLB 建立專用節點集區。否則，如果服務與 NAT 傳入流量高的服務使用相同的節點集區，工作負載可能會面臨記憶體不足的風險。

請注意，當enableAdvancedCluster設為 true (已啟用進階叢集) 時，enableLoadBalancer欄位的行為有以下差異：在 1.31 版中，如果啟用進階叢集，這個欄位不會有任何作用，因為 MetalLB 揚聲器一律會在使用者叢集的控制層節點上執行。在 1.32 版中，如果啟用進階叢集，這項限制就會移除，您必須指定至少一個要執行 MetalLB 揚聲器的節點集區。

填寫使用者叢集設定檔的其餘部分，然後按照「建立使用者叢集」一文的說明建立使用者叢集。

手動指派服務地址

如不希望 MetalLB 控制器自動將特定集區的 IP 位址指派給 Service，請將集區的 manualAssign 欄位設為 true。接著，開發人員可以建立 LoadBalancer 類型的 Service，然後手動指定集區中的其中一個位址。例如：

loadBalancer:
  metalLB:
    addressPools:
    - name: "my-address-pool-2"
      addresses:
      - "192.0.2.73-192.0.2.80"
      manualAssign: true

避免使用發生錯誤的 IP 位址

如果將位址集區的 avoidBuggyIPs 欄位設為 true，MetalLB 控制器就不會使用結尾為 .0 或 .255 的集區位址。這樣可避免有問題的消費裝置誤將傳送至這些特殊 IP 位址的流量捨棄。例如：

loadBalancer:
  metalLB:
    addressPools:
    - name: "my-address-pool-1"
      addresses:
      - "192.0.2.0/24"
      avoidBuggyIPs: true

建立 LoadBalancer 類型的服務

以下是兩個資訊清單：一個用於 Deployment，另一個用於 Service：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      greeting: hello
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        greeting: hello
    spec:
      containers:
      - name: hello
        image: gcr.io/google-samples/hello-app:2.0
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  type: LoadBalancer
  selector:
    greeting: hello
  ports:
  - name: metal-lb-example-port
    protocol: TCP
    port: 60000
    targetPort: 8080

請注意，Service 資訊清單未指定外部 IP 位址。 MetalLB 控制器會從您在使用者叢集設定檔中指定的位址集區，選擇外部 IP 位址。

將資訊清單儲存到名為 my-dep-svc.yaml 的檔案。然後建立 Deployment 和 Service 物件：

kubectl --kubeconfig USER_CLUSTER_KUBECONFIG apply -f my-dep-svc.yaml

查看 Service：

kubectl --kubeconfig USER_CLUSTER_KUBECONIFG get service my-service --output wide

輸出內容會顯示自動指派給 Service 的外部 IP 位址。例如：

NAME         TYPE           CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)           AGE   SELECTOR
my-service   LoadBalancer   10.96.2.166   192.0.2.2   60000:31914/TCP   28s

確認指派的外部 IP 位址來自您在使用者叢集設定檔中指定的位址集區。舉例來說，192.0.2.2 位於這個位址集區：

metalLB:
  addressPools:
  - name: "address-pool-1"
    addresses:
     - "192.0.2.0/24"
     - "198.51.100.1-198.51.100.3"

呼叫服務：

curl EXTERNAL_IP_ADDRESS:60000

輸出內容會顯示 Hello, world! 訊息：

Hello, world!
Version: 2.0.0

更新 MetalLB

建立叢集後，您可以更新節點集區中的 MetalLB 位址集區和 enableLoadBalancer 欄位。在使用者叢集設定檔中進行所需變更，然後呼叫 gkectl update cluster：

gkectl update cluster --kubeconfig ADMIN_CLUSTER_KUBECONIFG --config USER_CLUSTER_CONFIG

MetalLB Pod 和 ConfigMap

MetalLB 控制器會以 Deployment 形式執行，而 MetalLB 揚聲器則會在集區中的節點上以 DaemonSet 形式執行，且 enableLoadBalancer 設為 true。MetalLB 控制器會管理指派給 Service 的 IP 位址。MetalLB 揚聲器會選出領導者，並公布 Service 虛擬 IP。

查看所有 MetalLB Pod：

kubectl --kubeconfig USER_CLUSTER_KUBECONIFG get pods --namespace kube-system --selector app=metallb

您可以使用 MetalLB Pod 的記錄檔排解問題。

MetalLB 設定會以 MetalLB 可辨識的格式儲存在 ConfigMap 中。請勿直接變更 ConfigMap。請改用先前所述的 gkectl update cluster。如要查看 ConfigMap 以進行疑難排解：

kubectl --kubeconfig USER_CLUSTER_KUBECONIFG get configmap metallb-config --namespace kube-system

使用 MetalLB 的優點

MetalLB 可直接在叢集節點上執行，不需要額外的 VM。
MetalLB 控制器會管理 Service 的 IP 位址，因此您不必為每個 Service 手動選擇 IP 位址。
不同服務的 MetalLB 現用執行個體可以在不同節點上執行。
您可以在不同服務之間共用 IP 位址。

MetalLB 與 F5 BIG-IP 和 Seesaw 的比較

VIP 必須與叢集節點位於相同的子網路。這也是 Seesaw 的必要條件，但 F5 BIG-IP 則不需要。
沒有流量指標。
沒有無中斷容錯移轉，現有連線會在容錯移轉期間重設。
特定 Service 的 Pod 外部流量會通過執行 MetalLB 揚聲器的單一節點。這表示在 Pod 中執行的容器通常看不到用戶端 IP 位址。