K8s Network - MetalLB L2 Mode (10)

박민준·2025년 6월 26일

k8s metalLB network

Docker & Kubernetes Network

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MetalLB

MetalLB는 Cloud가 아닌 환경에서 Loadbalancer를 사용할 수 있는 솔루션입니다.
L2 및 BGP 모드를 지원하고 있으며, 무료로 사용 가능합니다.

MetalLB는 왜 등장했을까요?

이유는 Service의 Loadbalancer 타입에 있습니다.
해당 타입을 사용하기 위해서는 반드시 CSP의 LB가 필요합니다.

클러스터의 외부와 통신하기 위해서는 LB가 없이도 Nodeport 타입을 설정하면 통신이 가능합니다.
그러나, Nodeport 타입을 사용하면 <Node IP>:<Nodeport>와 같이 IP에 Port를 붙혀야 정상적으로 시스템이 인식합니다.

예를 들어, google 접근 시, google.com:30000 과 같은 형식이 필수적

MetalLB L2 모드

동작 원리

MetalLB의 L2모드는 모드 명 처럼, 2계층 통신을 사용합니다. 클러스터에 구성 시, speaker라는 daemonset이 생성되며, 노드마다 배포된 파드는 LB의 외부IP(ExternalIP)를 2가지 방법을 통해 제어합니다.

리더 speaker 파드를 선출
GARP 프로토콜을 사용하여, 리더 speaker 파드를 실행하는 노드로 ExternalIP 패킷이 전송되도록 설정
==> 리더로 선출된 speaker 파드는 LB의 External IP를 관리하게 됩니다.

MetalLB에서 GARP 프로토콜 역할 흐름

어떻게 리더 speaker 파드를 실행하는 노드로 ExternalIP 패킷이 전송되도록 할 수 있는 것일까요?

해답은 GARP 프로토콜에 있습니다.
먼저, GARP 프로토콜은 자신의 IP가 네트워크 망에서 자기 IP에 해당하는 MAC 주소를 알리는 ARP Reply(ARP 프로토콜 방식)없이 브로드캐스트를 하는 것입니다.

즉, 다른 네트워크 장비가 브로드캐스트를 통해 내 IP를 알기 전에, 먼저 네트워크 망으로 정보를 뿌리는 방식

<흐름 순서 정리>
1. 리더 speaker 파드가 External IP를 가짐

External IP가 특정 노드의 speaker 파드에 할당됨
- 이 IP는 일반적으로 노드 NIC에 바인딩되지 않음(L2 모드 특징)

GARP 패킷을 브로드캐스트

speaker 파드는 GARP 프로토콜을 통해 자신(노드)안에 External IP가 있다고 알림(브로드캐스트)
- 이로 인하여, L2 스위치, 라우터 혹은 다른 호스트의 ARP 테이블에 아래와 같은 라우팅 정보가 기록됨
  External IP → MAC 주소 (Speaker Pod가 있는 노드의 NIC MAC)

결과적으로 트래픽을 유도함

외부 클라이언트가 External IP로 패킷을 보내면, ARP 테이블에 저장된 MAC주소를 참조하여, speaker 파드가 실행 중인 노드로 트래픽이 도달하게 됨

MetalLB & iptabels

MetalLB 또한 iptables를 활용합니다.

리더 speaker 파드가 실행되는 노드의 External IP로 패킷이 접근하면, 해당 노드의 iptables 규칙에 의해 각 노드의 파드로 분산되어 패킷이 전달됩니다.

Nodeport가 SNAT 되어, Source IP(클라이언트)가 speaker 파드로 전달된 노드 IP로 변경됨
- 분산 시에는 DNAT 되어, 목적지(파드)로 전달됨

L2 모드 단점

가장 큰 첫 번째 단점은 리더 speaker 파드를 가진 노드에 대한 부하도가 증가하는 것입니다.
GARP를 통해 모든 External IP로 접근하는 패킷을 리더 speaker 파드로 전달하기에, 당연한 수순입니다.

두 번째 단점은 가용성 부족입니다. 리더 speaker에 대한 장애 발생 시, 네트워크 순단이 생길 수 밖에 없는 구조이고, 새로운 리더가 선출되기 전까지 통신되지 않습니다.

MetalLB 실습

실습을 위한 전제 조건이 있는데, VM을 클러스터링 맺은 경우 같은 서브넷 대역에 존재해야합니다.

ARP가 작동하는 요건
또한, 클라우드 환경에서는 불가합니다.
LB 자체가 클라우드 업체의 소유이기에, GARP 프로토콜을 활용할 수 없습니다.
- MAC 주소를 알 수 없기에 그럼

MetalLB 설치
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.13.12/config/manifests/metallb-native.yaml
Layer2 모드 설정(configmap or CRD)
IP Address Pool과 L2Advertisement 리소스를 생성합니다.

# metallb-config.yaml
apiVersion: metallb.io/v1beta1
kind: IPAddressPool
metadata:
  name: my-pool
  namespace: metallb-system
spec:
  addresses:
  - 192.168.0.240-192.168.0.250   # 이 IP 대역은 클러스터 외부와 충돌 없어야 함
---
apiVersion: metallb.io/v1beta1
kind: L2Advertisement
metadata:
  name: l2
  namespace: metallb-system
spec: {}

NodePort 타입 Service 배포
처음에 LB 타입으로 구성해보았으나, 로드밸런서가 클라우드 업체의 장비라 mac주소를 알 수 없다고 판단하여, nodeport 타입으로 변경하여 진행합니다.

# nginx-lb.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-lb
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80