MetalLB：裸機 Kubernetes 叢集的負載平衡解決方案 - JSLab Cloud

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內容概述

MetalLB 是專為裸機（Bare Metal）Kubernetes 叢集設計的網路負載平衡器，透過標準路由協定實現服務的高可用性和可擴展性。

在缺乏雲端供應商提供的負載平衡服務時，MetalLB 為使用者提供了一個有效的替代方案。

應用場景

在公有雲平台（如 GCP、AWS、Azure）上，Kubernetes 通常利用雲端供應商的負載平衡服務來實現 Service 的 LoadBalancer 類型。

然而，在裸機環境或不支援此類服務的私有雲中，這種方法不可行。

MetalLB 旨在填補這一空白，使裸機 Kubernetes 叢集也能夠輕鬆地建立 LoadBalancer 類型的 Service。

技術特點

位址分配：MetalLB 從預先設定的 IP 位址池中為每個 LoadBalancer Service 分配一個外部 IP。
對外公告：透過 Layer2（ARP/NDP）或 BGP 協定，將服務的 IP 位址公告給外部網路。
操作模式：
- Layer2 模式：使用 ARP（IPv4）或 NDP（IPv6）協定，將服務 IP 宣告給本地網路。
- BGP 模式：與鄰近路由器建立 BGP 對等會話，宣告服務 IP，實現多節點負載平衡和精細的流量控制。

其他整合

MetalLB 可以與多種 Kubernetes 網路插件（如 Flannel、Calico、Cilium 等）協同工作，提供靈活的網路設定選項。

在使用 BGP 模式時，可能需要確保網路基礎設施支援 BGP 協定。

安裝步驟

以下以 Kubernetes 清單（manifests）安裝 MetalLB，本文查核時的版本為 v0.16.1。

1. 準備工作：

Kubernetes 1.13.0 或更新版本，且叢集中尚未有其他網路負載平衡功能。
一組可以分配給 MetalLB 的 IPv4 位址。
若 kube-proxy 使用 IPVS 模式，需啟用嚴格 ARP 模式（strictARP: true）：

kubectl edit configmap -n kube-system kube-proxy

2. 安裝 MetalLB：只使用 Layer2 或簡單 BGP 時，可使用輕量的 native 版本：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.16.1/config/manifests/metallb-native.yaml

若需要 BGP 搭配 BFD、IPv6 等進階功能，官方建議改用 FRR-K8s 版本（metallb-frr-k8s.yaml）；從 v0.16.0 起 FRR-K8s 已是預設的 BGP 後端。安裝後可確認元件是否就緒：

kubectl get pods -n metallb-system

3. 確認目前叢集 worker 所使用的 IP 網段範圍（以 Kind 叢集為例）：

docker network inspect -f '{{.IPAM.Config}}' kind

[{172.18.0.0/16 172.18.0.1 map[]} {fc00:f853:ccd:e793::/64 fc00:f853:ccd:e793::1 map[]}]

4. 設定位址池：舊版教學使用 ConfigMap 設定位址池，但 MetalLB 自 v0.13 起已改用 CRD，不再支援 ConfigMap 設定。現在需要建立 IPAddressPool 定義可用的 IP 範圍，再用 L2Advertisement 以 Layer2 模式對外公告：

apiVersion: metallb.io/v1beta1
kind: IPAddressPool
metadata:
  name: first-pool
  namespace: metallb-system
spec:
  addresses:
  - 172.18.255.200-172.18.255.250
---
apiVersion: metallb.io/v1beta1
kind: L2Advertisement
metadata:
  name: example
  namespace: metallb-system

位址範圍請挑選網段中沒有被節點或其他設備使用的區段（範例取 172.18.0.0/16 尾端的一段），避免與閘道或節點 IP 衝突。L2Advertisement 未指定位址池時，會公告所有的 IPAddressPool。將上述設定儲存為 metallb-config.yaml，然後執行：

kubectl apply -f metallb-config.yaml

存取和操作

安裝並設定 MetalLB 後，您可以像在雲端環境中一樣，建立 LoadBalancer 類型的 Service。

MetalLB 會自動分配外部 IP，並將其公告給網路，使服務可供外部存取。可以用 kubectl get svc 查看 Service 的 EXTERNAL-IP 欄位是否已取得位址。

小技巧

在 Layer2 模式下，節點故障的偵測使用 memberlist，預設使用 7946 連接埠（TCP 和 UDP），請確保節點之間互通。
在 BGP 模式下，確保網路基礎設施支援 BGP，並正確設定路由策略。
定期檢查 MetalLB 的日誌，以監控其運行情況並及時發現潛在問題。
在公有雲上通常不需要也無法使用 MetalLB，請改用雲端供應商的負載平衡服務。

適用規模與維運成本

適用規模：自建機房、家用實驗室（Homelab）或私有雲的 Kubernetes 叢集，需要 LoadBalancer 類型 Service 時使用；單節點或本機測試叢集（如 Kind）也能用來學習。
Layer2 或 BGP：Layer2 設定最簡單，但同一個服務 IP 同時只由一個節點接收流量，適合小型環境；需要多節點分流與大型網路時再考慮 BGP，但需要支援 BGP 的路由器與網路管理知識。
維運成本：MetalLB 本身資源需求不高；主要的維運工作是規劃 IP 位址、升級時閱讀 release notes（例如 v0.13 的 CRD 改版、v0.16 的 BGP 後端變更）。

教學影片

影片來源：OpenShift／YouTube

參考連結

成本與風險摘要

適用對象與規模：裸機、私有雲或家用實驗室的 Kubernetes 叢集。
成本（硬體、訂閱、授權）：MetalLB 為 Apache 2.0 開源授權，免費；需準備可分配的 IP 位址，BGP 模式另需支援 BGP 的路由器。
維護時間：初次設定約為規劃 IP 與套用設定；之後主要是版本升級與監控。
資安注意事項：LoadBalancer IP 會直接對區網（或公網）開放服務，請搭配 NetworkPolicy 或防火牆，只開放必要的服務；Layer2 模式會回應 ARP，請確認位址範圍不會與其他設備衝突。
常見誤區：沿用舊版 ConfigMap 設定（新版已不支援）；位址池與節點、閘道 IP 重疊；在公有雲上安裝 MetalLB。
不建議使用的情況：公有雲代管 Kubernetes（請使用雲端負載平衡服務）。
測試日期與版本號：資料查核日期：2026-10-28；依官方文件對照 MetalLB v0.16.1（範例為作者早期在 Kind 上的實作，本次未重新實機測試）。