TL;DR
网络方面的知识又多又杂，很多又是系统内核的部分。原本自己不是做网络方面的，系统内核知识也薄弱。但恰恰是这些陌生的内容满满的诱惑，加上现在的工作跟网络关联更多了，逮住机会就学习下。
这篇以 Kubernetes LoadBalancer 为起点，使用 MetalLB 去实现集群的负载均衡器，在探究其工作原理的同时了解一些网络的知识。
由于 MetalLB 的内容有点多，一步步来，今天这篇仅介绍其中简单又容易理解的部分，不出意外还会有下篇（太复杂，等我搞明白先 :D）。
LoadBalancer 类型 Service
由于 Kubernets 中 Pod 的 IP 地址不固定，重启后 IP 会发生变化，无法作为通信的地址。Kubernets 提供了 Service 来解决这个问题，对外暴露。
Kubernetes 为一组 Pod 提供相同的 DNS 名和虚拟 IP，同时还提供了负载均衡的能力。这里 Pod 的分组通过给 Pod 打标签（Label ）来完成，定义 Service 时会声明标签选择器（selector）将 Service 与 这组 Pod 关联起来。
根据使用场景的不同，Service 又分为 4 种类型：ClusterIP、NodePort、LoadBalancer 和 ExternalName，默认是 ClusterIP。这里不一一详细介绍，有兴趣的查看 Service 官方文档[1]。
除了今天的主角 LoadBalancer 外，其他 3 种都是比较常用的类型。LoadBalancer 官方的解释是：
使用云提供商的负载均衡器向外部暴露服务。外部负载均衡器可以将流量路由到自动创建的 NodePort 服务和 ClusterIP 服务上。
lb-service
看到“云提供商提供”几个字时往往望而却步，有时又需要 LoadBalancer 对外暴露服务做些验证工作（虽然除了 7 层的 Ingress 以外，还可以使用 NodePort 类型的 Service），而 Kubernetes 官方并没有提供实现。比如下面要介绍的 MetalLB[2] 就是个不错的选择。
MetalLB 介绍
MetalLB 是裸机 Kubernetes 集群的负载均衡器实现，使用标准路由协议。
注意： MetalLB 目前还是 beta 阶段。
前文提到 Kubernetes 官方并没有提供 LoadBalancer 的实现。各家云厂商有提供实现，但假如不是运行在这些云环境上，创建的 LoadBalancer Service 会一直处于 Pending 状态（见下文 Demo 部分）。
MetalLB 提供了两个功能：
地址分配：当创建 LoadBalancer Service 时，MetalLB 会为其分配 IP 地址。这个 IP 地址是从预先配置的 IP 地址库获取的。同样，当 Service 删除后，已分配的 IP 地址会重新回到地址库。
对外广播：分配了 IP 地址之后，需要让集群外的网络知道这个地址的存在。MetalLB 使用了标准路由协议实现：ARP、NDP 或者 BGP。
广播的方式有两种，第一种是 Layer 2 模式，使用 ARP（ipv4）/NDP（ipv6） 协议；第二种是 BPG。
今天主要介绍简单的 Layer 2 模式，顾名思义是 OSI 二层的实现。
具体实现原理，看完 Demo 再做分析，等不及的同学请直接跳到最后。
运行时
MetalLB 运行时有两种工作负载：
Controler：Deployment，用于监听 Service 的变更，分配/回收 IP 地址。
Speaker：DaemonSet，对外广播 Service 的 IP 地址。
Demo
安装之前介绍下网络环境，Kubernetes 使用 K8s 安装在 Proxmox 的虚拟机[3]上。
安装 K3s
安装 K3s，这里需要通过 --disable servicelb 禁用 k3s 默认的 servicelb。
参考 K3s 文档[4]，默认情况下 K3s 使用 Traefik[5] ingress 控制器 和 Klipper[6] Service 负载均衡器来对外暴露服务。
curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - --disable traefik --disable servicelb --write-kubeconfig-mode 644 --write-kubeconfig ~/.kube/config
创建工作负载
使用 nginx 镜像，创建两个工作负载：
kubectl create deploy nginx --image nginx:latest --port 80 -n default
kubectl create deploy nginx2 --image nginx:latest --port 80 -n default
同时为两个 Deployment 创建 Service，这里类型选择 LoadBalancer：
kubectl expose deployment nginx --name nginx-lb --port 8080 --target-port 80 --type LoadBalancer -n default
kubectl expose deployment nginx2 --name nginx2-lb --port 8080 --target-port 80 --type LoadBalancer -n default
检查 Service 发现状态都是 Pending 的，这是因为安装 K3s 的时候我们禁用了 LoadBalancer 的实现：
kubectl get svc -n default
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
kubernetes ClusterIP 10.43.0.1 443/TCP 14m
nginx-lb LoadBalancer 10.43.108.233 8080:31655/TCP 35s
nginx2-lb LoadBalancer 10.43.26.30 8080:31274/TCP 16s
这时就需要 MetalLB 登场了。
安装 MetalLB
使用官方提供 manifest 来安装，目前最新的版本是 0.12.1。此外，还可以其他安装方式供选择，比如 Helm[7]、Kustomize[8] 或者 MetalLB Operator[9]。
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.12.1/manifests/namespace.yaml
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.12.1/manifests/metallb.yaml
kubectl get po -n metallb-system
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
speaker-98t5t 1/1 Running 0 22s
controller-66445f859d-gt9tn 1/1 Running 0 22s
此时再检查 LoadBalancer Service 的状态仍然是 Pending 的，嗯？因为，MetalLB 要为 Service 分配 IP 地址，但 IP 地址不是凭空来的，而是需要预先提供一个地址库。
这里我们使用 Layer 2 模式，通过 Configmap 为其提供一个 IP 段：
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
namespace: metallb-system
name: config
data:
config: |
address-pools:
- name: default
protocol: layer2
addresses:
- 192.168.1.30-192.168.1.49
此时再查看 Service 的状态，可以看到 MetalLB 为两个 Service 分配了 IP 地址 192.168.1.30、192.168.1.31：
kubectl get svc -n default
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
kubernetes ClusterIP 10.43.0.1 443/TCP 28m
nginx-lb LoadBalancer 10.43.201.249 192.168.1.30 8080:30089/TCP 14m
nginx2-lb LoadBalancer 10.43.152.236 192.168.1.31 8080:31878/TCP 14m
可以请求测试下：
curl -I 192.168.1.30:8080
HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx/1.21.6
Date: Wed, 02 Mar 2022 15:31:15 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 615
Last-Modified: Tue, 25 Jan 2022 15:03:52 GMT
Connection: keep-alive
ETag: "61f01158-267"
Accept-Ranges: bytes
curl -I 192.168.1.31:8080
HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx/1.21.6
Date: Wed, 02 Mar 2022 15:31:18 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 615
Last-Modified: Tue, 25 Jan 2022 15:03:52 GMT
Connection: keep-alive
ETag: "61f01158-267"
Accept-Ranges: bytes
macOS 本地使用 arp -a 查看 ARP 表可以找到这两个 IP 及 mac 地址，可以看出两个 IP 都绑定在同一个网卡上，此外还有虚拟机的 IP 地址。也就是说 3 个 IP 绑定在该虚拟机的 en0 上：
而去虚拟机（节点）查看网卡（这里只能看到系统绑定的 IP）：
Layer 2 工作原理
Layer 2 中的 Speaker 工作负载是 DeamonSet 类型，在每台节点上都调度一个 Pod。首先，几个 Pod 会先进行选举，选举出 Leader。Leader 获取所有 LoadBalancer 类型的 Service，将已分配的 IP 地址绑定到当前主机到网卡上。也就是说，所有 LoadBalancer 类型的 Service 的 IP 同一时间都是绑定在同一台节点的网卡上。
当外部主机有请求要发往集群内的某个 Service，需要先确定目标主机网卡的 mac 地址（至于为什么，参考维基百科[10]）。这是通过发送 ARP 请求，Leader 节点的会以其 mac 地址作为响应。外部主机会在本地 ARP 表中缓存下来，下次会直接从 ARP 表中获取。
请求到达节点后，节点再通过 kube-proxy 将请求负载均衡目标 Pod。所以说，假如 Service 是多 Pod 这里有可能会再跳去另一台主机。
sequence
优缺点
优点很明显，实现起来简单（相对于另一种 BGP 模式下路由器要支持 BPG）。就像笔者的环境一样，只要保证 IP 地址库与集群是同一个网段即可。
当然缺点更加明显了，Leader 节点的带宽会成为瓶颈；与此同时，可用性欠佳，故障转移需要 10 秒钟的时间（每个 speaker 进程有个 10s 的循环[11]）
