云原生 Spiderpool：基于跨越网络区域的 IP 分配
作者：杨涛 2023-06-02 09:16:11
云计算
云原生 不同网络区域的 Pod 能够通过 Pod IP、clusterIP、nodePort 等方式通信，Spiderpool 可以很好地实现基于跨越网络区域的 IP 分配需求。
Underlay 网络是底层基础网络，具有低延迟、可靠、安全等特性。这些特性能满足一些延时敏感的应用业务需求、提供优质的用户体验以及有效管理和保护网络资源，通常应用在延时敏感、防火墙安全管控中：
- 延时敏感的应用：某些特定行业或应用（如金融交易、实时视频传输等）对网络延迟非常敏感。在这种情况下，Underlay 网络可以提供更低的延迟，通过直接控制物理和链路层的连接来减少数据传输的时间。这种低延迟的特性使得 Underlay 网络成为满足这些应用需求的理想选择。
- 防火墙安全管控：在集群中，防火墙通常用于管理南北向通信，即集群内部和外部网络之间的通信。为了实现安全管控，防火墙需要对通信流量进行检查和过滤，并对出口通信进行限制。在这种情况下，通过 Underlay 网络的 IPAM 对应用固定出口 IP 地址，可以更好地管理和控制集群与外部网络之间的通信，提高网络的安全性。
随着数据中心私有云的不断普及，Underlay 网络作为数据中心网络架构的重要组成部分，已经被广泛应用于数据中心的网络架构中，以提供更高效的网络传输和更好的网络拓扑管理能力。
01跨网络区域的 IP 地址分配需求
笔者最近在使用 Underlay 网络时，遇到了这样的场景：有一个集群，但集群的节点分布在不同地区或数据中心，一些节点的区域只能使用子网 10.6.1.0/24，一些节点的区域只能使用子网 172.16.2.0/24， 在此背景下，当一个应用跨子网部署副本时，要求 IPAM 能够在不同的节点上，为同一个应用下的不同 Pod 分配出与子网匹配的 IP 地址，且能正确运行。对此，希望能通过 IP 地址管理（IPAM）实现跨网络区域的 IP 分配，为应用程序提供灵活的部署和扩展性。
该场景的网络拓扑图如下：
通过上述场景，在 Underlay 网络下，同一应用的不同副本之间实现跨域网络的 IP 地址分配是生产场景中常见且需要去解决的需求。开源社区中的一个 Kubernetes 的 IPAM 插件项目：Spiderpool，带来一种全新的解决方案，它可以灵活而智能地实现跨网络区域的 IP 分配，一起来了解一下。
02全新解决方案：Spiderpool
Spiderpool (https://github.com/spidernet-io/spiderpool) 是一个 Kubernetes 的 IPAM 插件项目，其主要针对于 Underlay 网络的 IP 地址管理需求而设计，能够为任何兼容第三方 IPAM 插件的 CNI 项目所使用。而基于跨越网络区域的 IP 分配是 Spiderpool 的一个重要功能支持，同时它还包括应用 IP 地址固定、IP 地址自动弹性扩缩容、多网卡、双栈支持等特点。更多说明参考 Spiderpool 功能 (https://github.com/spidernet-io/spiderpool/blob/main/README-zh_CN.md) 介绍。
03环境
为演示 Spiderpool 的跨网络区域分配 IP 的能力，笔者准备了一套跨网络区域的集群，并为节点打上可用的子网标签，以下是所使用的集群信息：
~# kubectl get nodes -owide
NAME STATUS ROLES AGE VERSION INTERNAL-IP EXTERNAL-IP
controller-node-1 Ready control-plane 1h v1.25.3 10.6.168.71 <none>
worker-node-1 Ready <none> 1h v1.25.3 10.7.168.73 <none>
~# kubectl get nodes --show-labels
NAME STATUS ROLES AGE VERSION LABELS
controller-node-1 Ready control-plane,master 1h v1.25.3 node-subnet=subnet-6, ...
worker-node-1 Ready <none> 1h v1.25.3 node-subnet=subnet-7, ...以下是笔者集群的网络拓扑图：
04安装
根据 Spiderpool 的官方文档: https://github.com/spidernet-io/spiderpool/blob/main/docs/usage/get-started-macvlan-zh_CN.md 搭建了一套 Multus 、Macvlan、Veth 、Spiderpool 的环境，以下是根据自身环境已创建的 SpiderSubnet 实例：
~# kubectl get spidersubnet
NAME VERSION SUBNET ALLOCATED-IP-COUNT TOTAL-IP-COUNT
subnet-6 4 10.6.0.0/16 0 10
subnet-7 4 10.7.0.0/16 0 10以下示例中将会创建 Multus 的 network-attachment-definition 配置: macvlan-conf，其中：
- master：在此示例用接口 ens192 作为 master 的参数，注意的是跨网络区的不同节点的接口名称需一致，此参数应与集群节点上的接口名称匹配。
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: k8s.cni.cncf.io/v1
kind: NetworkAttachmentDefinition
metadata:
name: macvlan-conf
namespace: kube-system
spec:
config: |-
{
"cniVersion": "0.3.1",
"name": "macvlan-conf",
"plugins": [
{
"type": "macvlan",
"master": "ens192",
"mode": "bridge",
"ipam": {
"type": "spiderpool"
}
},{
"type": "veth",
"service_cidr": ["10.233.0.0/18"]
}
]
}
EOF05创建 IPPools
Spiderpool 的 CRD：SpiderIPPool 提供了 nodeAffinity 字段，当 Pod 在某个节点上启动，尝试从 SpiderIPPool 分配 IP 时，若 Pod 所在节点符合该 nodeAffinity 设置，则能从该 SpiderIPPool 中成功分配出 IP，否则无法从该 SpiderIPPool 中分配出IP。
依据如上所述，使用如下的 Yaml，创建 2 个 SpiderIPPool，它们将为不同节点上的 Pod 提供 IP 地址。
~# cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: spiderpool.spidernet.io/v2beta1
kind: SpiderIPPool
metadata:
name: test-ippool-6
spec:
subnet: 10.6.0.0/16
ips:
- 10.6.168.60-10.6.168.69
gateway: 10.6.0.1
nodeAffinity:
matchExpressions:
- {key: node-subnet, operator: In, values: [subnet-6]}
---
apiVersion: spiderpool.spidernet.io/v2beta1
kind: SpiderIPPool
metadata:
name: test-ippool-7
spec:
subnet: 10.7.0.0/16
ips:
- 10.7.168.60-10.7.168.69
gateway: 10.7.0.1
nodeAffinity:
matchExpressions:
- {key: node-subnet, operator: In, values: [subnet-7]}
EOF06创建应用
以下的示例 Yaml 中， 会创建一个 daemonSet 应用，其中：
- ipam.spidernet.io/ippool：用于指定 Spiderpool 的 IP 池，可以设置多个 IP 池用作备选池，Spiderpool 会按照 “IP 池数组” 中元素的顺序依次尝试分配 IP 地址，在节点跨网络区域的场景分配 IP 时，如果应用副本被调度到的节点，符合第一个 IP 池的 _**IPPool.spec.nodeAffinity**_ 注解， Pod 会从该池中获得 IP 分配，如果不满足，Spiderpool 会尝试从备选池中选择 IP 池继续为 Pod 分配 IP ，直到所有备选池全部筛选失败。可以通过[备选池](https://github.com/spidernet-io/spiderpool/blob/main/docs/usage/ippool-multi.md) 了解更多用法。
- v1.multus-cni.io/default-network：用于指定 Multus 的 NetworkAttachmentDefinition 配置，会为应用创建一张默认网卡。
~# cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
name: test-app
spec:
selector:
matchLabels:
app: test-app
template:
metadata:
annotations:
ipam.spidernet.io/ippool: |-
{
"ipv4": ["test-ippool-6", "test-ippool-7"]
}
v1.multus-cni.io/default-network: kube-system/macvlan-conf
labels:
app: test-app
spec:
containers:
- name: test-app
image: nginx
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- name: http
containerPort: 80
protocol: TCP
EOF完成创建后，可以发现 Pod 的 IP 属于 Pod 所在节点的子网内，所对应的 IP 池为应用的不同副本分配了 IP 地址。
~# kubectl get po -l app=test-app -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES
test-app-j9ftl 1/1 Running 0 45s 10.6.168.65 controller-node-1 <none> <none>
test-app-nkq5h 1/1 Running 0 45s 10.7.168.61 worker-node-1 <none> <none>
~# kubectl get spiderippool
NAME VERSION SUBNET ALLOCATED-IP-COUNT TOTAL-IP-COUNT DEFAULT DISABLE
test-ippool-6 4 10.6.0.0/16 1 10 false false
test-ippool-7 4 10.7.0.0/16 1 10 false false跨网络区域的 Pod 与 Pod 之间的通讯情况：
~# kubectl exec -ti test-app-j9ftl -- ping 10.7.168.61 -c 2
PING 10.7.168.61 (10.7.168.61) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.7.168.61: icmp_seq=1 ttl=63 time=1.06 ms
64 bytes from 10.7.168.61: icmp_seq=2 ttl=63 time=0.515 ms
--- 10.7.168.61 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1002ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.515/0.789/1.063/0.274 ms07结论
经过测试：不同网络区域的 Pod 能够通过 Pod IP、clusterIP、nodePort 等方式通信，Spiderpool 可以很好地实现基于跨越网络区域的 IP 分配需求。
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