负载均衡器 OpenELB ARP 欺骗技术解析

作者：大飞哥，视源电子运维工程师，KubeSphere 用户委员会广州站站长，KubeSphere Ambassador。

K8s 对集群外暴露服务有三种方式：NodePort，Ingress 和 Loadbalancer。NodePort 用于暴露 TCP 服务（4 层），但限于对集群节点主机端口的占用，不适合大规模使用；Ingress 用于暴露 HTTP 服务(7 层)，可对域名地址做路由分发；Loadbalancer 则专属于云服务，可动态分配公网网关。

对于私有云集群，没有用到公有云服务，能否使用 LoadBalancer 对外暴露服务呢？

答案当然是肯定的，OpenELB 正是为裸金属服务器提供 LoadBalancer 服务而生的！

应用安装与配置

安装 OpenELB

参考官方安装文档

$ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/openelb/openelb/master/deploy/openelb.yaml

添加 EIP 池

EIP 地址要与集群主机节点在同一网段内，且不可绑定任何网卡；

apiVersion: network.kubesphere.io/v1alpha2
kind: Eip
metadata:
  name: eip-sample-pool
  annotations:
    eip.openelb.kubesphere.io/is-default-eip: "true"
spec:
  address: 192.168.0.91-192.168.0.100
  protocol: layer2
  interface: eth0
  disable: false

配置 Service 为 LoadBalancer

把 Service 类型修改为 LoadBalancer，同时 annotations 中添加如下三行：

lb.kubesphere.io/v1alpha1: openelb
protocol.openelb.kubesphere.io/v1alpha1: layer2
eip.openelb.kubesphere.io/v1alpha2: layer2-eip

总体配置清单如下：

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: layer2-svc
  annotations:
    lb.kubesphere.io/v1alpha1: openelb
    protocol.openelb.kubesphere.io/v1alpha1: layer2
    eip.openelb.kubesphere.io/v1alpha2: layer2-eip
spec:
  selector:
    app: layer2-openelb
  type: LoadBalancer
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 8080
  externalTrafficPolicy: Cluster

Layer2 模式中的黑客技术

ARP 欺骗技术: 应用程序主动回复路由器 ARP 请求，让路由器以为该应用是合法终端，从而劫持网络流量包。

OpenELB 正是利用 ARP 欺骗技术，从而获取路由器流量，再由 kube-proxy 将流量转发到 Service 网络。OpenELB Layer2 模式需要配置 EIP，如上图所示的 EIP 为 192.168.0.91。

当请求 EIP 地址时，路由器会在局域网内发起 ARP 协议广播，哪个终端设备响应，就把数据包发送给谁；配置 EIP 时有要求，EIP 地址不能绑定任何网卡，也就是说正常情况下，不会有任何物理硬件设备响应。此时的 OpenELB，就趁虚而入，捕获到 ARP 广播信息后，对路由器广播进行响应，把自己伪装成终端设备。OpenELB 获得流量后，再经由 kube-proxy 转发入 Service 网络。

可以在其中一台 Node 上面抓包看一下：

$ tcpdump -i any arp -nn -vvv | grep 192.168.0.91

17:33:01.398722 ARP, Ethernet (len 6), IPv4 (len 4), Request who-has 192.168.0.91 (ff:ff:ff:ff:ff:ff) tell 192.168.0.91, length 46
17:33:01.398793 ARP, Ethernet (len 6), IPv4 (len 4), Reply 192.168.0.91 is-at 52:54:22:3a:e6:6e, length 46

路由器的 ARP 缓存每过一段时间就会失效，重新发起 ARP 协议广播，使用 tcpdump 一直监听就可以抓到相关的数据包。可以看到 OpenELB 响应的 MAC 地址是 Kubernetes 的其中一台节点的 MAC 地址。

改善与建议

OpenELB Layer2 模式因其实现简单，而且对物理硬件和网络没有额外要求，所以实际生产中经常会用到。但目前仍存在单点故障风险，即如果 OpenELB 实例因资源不足故障，则整个对外流量将中断。

万幸的是 OpenELB 官方已有新的解决方案，即 Layer2 VIP 模式，该模式的使用方式可以参考官方文档。