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永続 IP アドレスを使用した通信を制御する

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このページでは、Google Kubernetes Engine（GKE）Pod に永続 IP アドレスを実装する方法について説明します。カスタム永続 IP アドレスマッピングを使用して、GKE Pod ネットワークを制御できます。永続 IP アドレス、そのユースケース、メリットの詳細については、GKE Pod の永続 IP アドレスについてをご覧ください。

要件

GKE バージョン 1.31 以降。
Google 提供の IP アドレスを予約するか（Google 提供の IP アドレス）、お客様所有の IP アドレスを使用するか（BYOIP）を選択します。
割り当てられた永続 IP アドレスを認識して使用するように、Pod 内で実行されているアプリケーションを構成します。
GKE Pod に永続 IP アドレスを実装するには、 GKE Dataplane V2 と Gateway API 対応クラスタが必要です。

制限事項

割り振られた永続 IP アドレスを使用するようにアプリケーションを構成します。GKE は、Pod のネットワークインターフェースに IP アドレス構成を自動的に追加しません。
永続 IP アドレスを一度に 1 つの Pod に関連付けることができます。利用可能な Pod が複数ある場合、通常、GKE は一致する最新の Pod にトラフィックを送信します。ただし、GKE は、最新の Pod が正常な状態である場合にのみ、この処理を行います。これは、Pod の Ready 条件ステータスのデフォルトが True であることを意味します。この動作は、GKEIPRoute の reactionMode 設定を使用して構成および変更できます。
GKE は、永続 IP アドレスとして IPv4 アドレスのみをサポートしています。
GKE は、レイヤ 3 またはデバイスタイプのマルチネットワークのみをサポートします。
DPDK 以外のユースケースでは、永続 IP アドレスを使用した高可用性（HA）サポートはサポートされていません。

始める前に

作業を始める前に、次のことを確認してください。

Google Kubernetes Engine API を有効にする。

Google Kubernetes Engine API の有効化

このタスクに Google Cloud CLI を使用する場合は、gcloud CLI をインストールして初期化する。すでに gcloud CLI をインストールしている場合は、gcloud components update を実行して最新のバージョンを取得する。
注: gcloud CLI がすでにインストールされている場合には、必ず compute/region と compute/zone のプロパティを設定してください。デフォルトのロケーションを設定することで、gcloud CLI のエラー（One of [--zone, --region] must be supplied: Please specify location など）を防止できます。

GKE Enterprise を有効にします。
IP アドレスの詳細をご覧ください。
要件と制限事項を確認します。

料金

次の Network Function Optimizer（NFO）機能は、GKE Enterprise が有効になっているプロジェクトのクラスタでのみサポートされます。

Google Kubernetes Engine（GKE）Enterprise エディションの有効化に適用される料金については、GKE Enterprise の料金をご覧ください。

GKE Pod に永続 IP アドレスを実装する

GKE で永続 IP アドレスを使用すると、Pod 自体が更新または移動されても、Pod に安定したネットワーク ID を割り当てることができます。

このセクションでは、GKE Pod に永続 IP アドレスを実装するワークフローを簡単に説明します。

クラスタを作成する: Gateway API、GKE Dataplane V2 を含むクラスタを作成します。
IP アドレスを予約する: 外部（一般公開）IP アドレスと内部（Google Cloud のみ）IP アドレスのどちらが必要かを判断し、予約します。GKE クラスタと同じリージョンを選択します。
Gateway を作成する: 予約済みの永続 IP アドレスを保存し、クラスタ内のどの Pod がこれらの永続 IP アドレスを使用できるかに関するルール（GKEIPRoutes）を作成できる Kubernetes Gateway オブジェクトを構成します。
永続 IP アドレスのワークロードを作成または識別する: 追加のネットワークで永続 IP アドレスを使用する場合は、複数のネットワークインターフェースを有効にして、永続 IP アドレスが存在するネットワークを定義し、永続 IP アドレスを使用する Pod を準備します。
選択したワークロードに GKEIPRoute オブジェクトを作成する: 永続 IP アドレスを特定の Pod に割り当てるように GKEIPRoute を構成します。ラベルを使用して適切な Pod をターゲットに設定できます。また、必要に応じて、Pod の変更に対するルーティング動作を構成できます。
アプリケーションの認識を構成する: 永続 IP アドレスを積極的に使用するように Pod 内のアプリケーションを構成します。
モニタリング: Gateway と GKEIPRoute オブジェクトのステータスを記録し、すべてが想定どおりに機能していることを確認します。

GKE Pod に永続 IP アドレスを実装する手順は次のとおりです。

ステップ 1: Gateway API と GKE Dataplane V2 を有効にした GKE クラスタを作成する

GKE Pod に永続 IP アドレスを実装するために必要な高度なネットワークルーティングと IP アドレス管理機能を有効にするには、次のように GKE Dataplane V2 クラスタを作成する必要があります。

gcloud container clusters create CLUSTER_NAME \
    --cluster-version=CLUSTER_VERSION \
    --enable-dataplane-v2 \
    --enable-ip-alias \
    --gateway-api=standard

次のように置き換えます。

CLUSTER_NAME: クラスタの名前。
CLUSTER_VERSION: クラスタのバージョン。

ステップ 2: 永続 IP アドレスを設定する

Pod の信頼できるネットワーク ID を確立し、永続 IP アドレスを設定するには、まず、永続 IP アドレスを取得する必要があります。Google 提供の IP アドレスを予約するか、独自の IP アドレスを使用する（BYOIP）かを選択できます。

ステップ 2a: Google 提供の IP アドレスを予約する

外部 IP アドレスを予約するには、次のコマンドを実行します。

gcloud compute addresses create ADDRESS_NAME \
   --region=REGION

次のように置き換えます。

ADDRESS_NAME: このアドレスに関連付ける名前。
REGION: このアドレスを予約するリージョン。これは、IP アドレスを割り振るリソースと同じリージョンにする必要があります。

注: 永続 IP アドレスのトラフィックルーティングを処理する転送ルールはリージョンであるため、IP アドレスを予約するときにリージョンを指定する必要があります。ルーティングが正しく機能するには、IP アドレスと GKE クラスタが同じリージョンに存在する必要があります。

内部 IP アドレスを予約するには、次のコマンドを実行します。

gcloud compute addresses create ADDRESS_NAME \
    --region REGION
    --subnet SUBNETWORK \
    --addresses IP_ADDRESS

次のように置き換えます。

ADDRESS_NAME: 予約する 1 つ以上のアドレスの名前。複数のアドレスの場合は、各アドレスをスペースで区切ったリストで指定します。例: example-address-1 example-address-2 example-address-3
REGION: このリクエストのリージョン。
SUBNETWORK: この内部 IPv4 アドレスのサブネット。

トラフィックがプライベートネットワーク内で正しくルーティングされるようにするには、内部 IP アドレスがクラスタのデフォルトサブネットまたは追加のネットワークサブネットに属している必要があります。

外部 IP アドレスと内部 IP アドレスの詳細、またはコンソールを使用してアドレスを予約する方法については、静的外部 IP アドレスを予約すると静的内部 IP アドレスを予約するをご覧ください。

ステップ 2b: お客様所有 IP アドレスを使用する（BYOIP）

Google 提供の IP アドレスに依存するのではなく、お客様所有の IP アドレス（BYOIP）を使用することもできます。BYOIP は、アプリケーションに特定の IP アドレスが必要な場合や、既存のシステムを Google Cloud に移行する場合に便利です。BYOIP を使用する場合は、Google は、お客様が IP アドレス範囲を所有していることを確認します。Google Cloud に IP アドレスがインポートされた後は、それらを GKE Pod の永続 IP アドレスとして割り振ることができます。詳細については、お客様所有 IP アドレスを使用するをご覧ください。

ステップ 3: Gateway オブジェクトを作成する

Gateway オブジェクトは IP アドレスを保持し、その使用資格のある Pod を定義します。永続 IP アドレスを GKE Pod に割り当てる方法を制御するには、Gateway オブジェクトを使用します。

適切なクラスの Kubernetes Gateway オブジェクトを作成します。
- gke-persistent-regional-external-managed: 外部（パブリック）IP アドレス。
- gke-persistent-regional-internal-managed: 内部（Google Cloud のみ）IP アドレス。
Gateway の addresses セクションで、この Gateway が管理する永続 IP アドレス（Google 提供または BYOIP）の一覧を記述します。
Listeners セクションで、Gateway の IP アドレスを使用できる Pod とそれに関連する GKEIPRoute オブジェクトを決定します。Listeners は、GKEIPRoute オブジェクトが存在する GKEIPRoute の Namespace に基づくフィルタとして機能します。

Kubernetes Namespace の選択オプションは次のとおりです。
- すべての Namespace: クラスタ内のすべての GKEIPRoute。
- セレクタ: 特定のラベルに一致する GKEIPRoute の Namespace 内の GKEIPRoute。
- 同じ Namespace: Gateway と同じ GKEIPRoute の Namespace 内の GKEIPRoutes のみ。

次の例では、外部永続 IP アドレスに対するクラスタ全体のアクセス権を付与し、任意の Pod で使用できるようにしています。

次のサンプルマニフェストを allowed-pod-ips.yaml として保存します。

kind: Gateway
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1beta1
metadata:
  namespace: default
  name: allowed-pod-ips
spec:
  gatewayClassName: gke-persistent-regional-external-managed

  listeners:
    - name: default
      port: 443
      protocol: none
      allowedRoutes:
        namespaces:
          from: All

  addresses:
    - value: "34.123.10.1/32"
      type: "gke.networking.io/cidr"
    - value: "34.123.10.2/32"
      type: "gke.networking.io/cidr"

ここで

addresses: 特定のゲートウェイによって権限が管理されている IP アドレスのリストを記述します。
listeners: GKEIPRoute オブジェクトがこの Gateway を参照できる Namespace を識別するために使用されます。

マニフェストをクラスタに適用します。

kubectl apply -f allowed-pod-ips.yaml

ステップ 4: （省略可）永続 IP アドレス用の追加ネットワークを使用して、ワークロードを作成または識別する

複数のネットワークへの接続を必要とする Pod で永続 IP アドレスを使用する場合は、マルチネットワーク Pod を設定し、永続 IP アドレスが属するネットワークを表すネットワークオブジェクトを作成できます。

ステップ 5: 選択したワークロードに `GKEIPRoute` オブジェクトを作成する

選択した Pod に永続 IP アドレスを割り当てるには、GKEIPRoute オブジェクトを作成します。

次のサンプルマニフェストを my-ip-route.yaml として保存します。

kind: GKEIPRoute
apiVersion: networking.gke.io/v1
metadata:
  namespace: default
  name: my-ip-route
spec:
  parentRefs:
  - name: allowed-pod-ips
    namespace: default
  addresses:
  - value: "34.123.10.1/32"
    type: "gke.networking.io/cidr"
  network: default
  reactionMode: ReadyCondition
  podSelector: # Only one pod is selected.
    matchLabels:
      component: proxy

ここで

parentRefs: 永続 IP アドレスが使用される Gateway を参照します。このフィールドは変更できません。
addresses: podSelector で識別される Pod にルーティングされる永続 IP アドレスのリストを記述します。このフィールドは変更可能です。IPv4 の場合、/32 アドレスのみがサポートされます。
podSelector: 永続 IP アドレスがルーティングされる Pod を識別するラベルを指定します。このフィールドは変更可能で、GKEIPRoute が配置されている同じ Namespace に適用されます。複数の Pod を選択した場合、Pod の作成時間（GKE は最新のものを選択）と reactionMode フィールドの設定という 2 つの要素が考慮されます。
reactionMode: 特定の Pod（podSelector によって選択）が作成または削除されたときのこの機能の動作を指定します。このフィールドは省略可能で、デフォルト値は ReadyCondition です。ReadyCondition フィールドは変更できません。reactionMode を設定すると、Pod の作成、削除、更新時にこの機能がどのように動作するかを制御できます。
ネットワーク: 永続 IP アドレスがルーティングされる Pod のネットワークインターフェースを参照します。このフィールドは変更できません。

マニフェストをクラスタに適用します。

kubectl apply -f my-ip-route.yaml

StatefulSet Pod に永続 IP アドレスを割り当てる

StatefulSet 内の特定のマルチネットワーク Pod に永続 IP アドレスを割り当てるには、次の例のように、Pod の予測可能なホスト名と Kubernetes の自動ラベル付けを使用します。

次のサンプルマニフェストを my-pod-ips.yaml として保存します。

kind: GKEIPRoute
apiVersion: networking.gke.io/v1
metadata:
  namespace: proxy-ss-ns
  name: my-pod-ips
spec:
  parentRefs:
  - name: allowed-pod-ips
    namespace: default
  addresses:
  - value: "34.123.10.1/32"
    type: "gke.networking.io/cidr"
  - value: "34.123.10.2/32"
    type: "gke.networking.io/cidr"
  network: blue-network
  reactionMode: ReadyCondition
  podSelector:
    matchLabels:
      statefulset.kubernetes.io/pod-name: proxy-ss-1
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  namespace: proxy-ss-ns
  name: proxy-ss
spec:
  selector:
    matchLabels:
      component: proxy
  serviceName: "proxy"
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      annotations:
        networking.gke.io/default-interface: 'eth0'
        networking.gke.io/interfaces: '[{"interfaceName":"eth0","network":"default"}, {"interfaceName":"eth1","network":"blue-network"}]'
      labels:
        component: proxy
    spec:
      containers:
      - name: hello-app
        image: us-docker.pkg.dev/google-samples/containers/gke/hello-app:1.0

マニフェストをクラスタに適用します（blue-network という名前のネットワークが存在している必要があります。）。

kubectl apply -f my-pod-ips.yaml

Deployment Pod に永続 IP アドレスを割り当てる

Deployment で最新の Pod に永続 IP アドレスを割り当てるには、次の構成で GKEIPRoute を適用します。

次のサンプルマニフェストを my-pod-ips.yaml として保存します。

kind: GKEIPRoute
apiVersion: networking.gke.io/v1
metadata:
  namespace: proxy-deploy-ns
  name: my-pod-ips
spec:
  parentRefs:
  - name: allowed-pod-ips
    namespace: default
  addresses:
  - value: "34.123.10.1/32"
    type: "gke.networking.io/cidr"
  - value: "34.123.10.2/32"
    type: "gke.networking.io/cidr"
  network: blue-network # point to the right network if you intend to use persistent-ip on additional networks
  reactionMode: ReadyCondition
  podSelector:
    matchLabels:
      component: proxy
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  namespace: proxy-deploy-ns
  name: proxy-deploy
spec:
  selector:
    matchLabels:
      component: proxy
  replicas: 4 # Latest Pod is used
  template:
    metadata:
      # annotations:  <- Remove these lines if the pods are not multi-nic pods
      #   networking.gke.io/default-interface: 'eth0'
      #   networking.gke.io/interfaces: '[{"interfaceName":"eth0","network":"default"}, {"interfaceName":"eth1","network":"blue-network"}]'
      labels:
        component: proxy
    spec:
      containers:
      - name: hello-app
        image: us-docker.pkg.dev/google-samples/containers/gke/hello-app:1.0

マニフェストをクラスタに適用します。

kubectl apply -f my-ip-route.yaml

追加のネットワークを使用している場合は、blue-network という名前のネットワークが存在していることを確認します。

ステップ 6: Pod 内で永続 IP アドレスを使用する

GKEIPRoute を使用して GKE Pod に永続 IP アドレスを割り当てても、アプリケーションで IP アドレスを使用できるわけではありません。永続 IP アドレスはネットワークルーティングレベルで処理されますが、Pod のデフォルト構成では認識されません。Pod 内のアドレスを認識して使用するように、アプリケーションを構成する必要があります。この操作を行うには、Pod に特権権限が必要です。

アプリケーションを構成するには、次のオプションを検討してください。

net.ipv4.ip_nonlocal_bind: システム設定を変更して、アプリケーションがインターフェースに直接割り当てられていない IP アドレスを使用できるようにします。
ip address add: アプリケーションのロジック内でこのコマンドを使用して、永続 IP アドレスを手動でインターフェースに追加します。
Raw ソケット: より細かい制御が必要な場合、アプリはネットワークスタックと直接やり取りできます（上級者むけ）。
ユーザー空間 IP アドレススタック: 特殊なケースでは、Pod 内で別のアプリケーションが実行され、IP アドレスを管理する場合があります（非常に高度な方法）。

ステップ 7: 永続 IP アドレスの ARP を有効にする（デフォルトネットワークのみ）

有効な Address Resolution Protocol（ARP）リクエストとレスポンスを生成し、デフォルトネットワークの永続 IP アドレスを使用して Pod への新しい接続を確立するには、ARP_ANNOUNCE 変数を構成する必要があります。

ARP_ANNOUNCE 変数を設定するには、Pod で次のコマンドを実行します。

echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/ARP_ANNOUNCE

ここで、ARP_ANNOUNCE 変数は ARP 通知の処理方法を制御します。これを「2」に設定すると、永続 IP アドレスの ARP 通知が送信され、ネットワーク上の他のデバイスが新しいアソシエーションについて学習できるようになります。

Pod の変更中に永続 IP アドレスの動作をカスタマイズする

このセクションでは、ターゲット Pod が作成または削除されたときに、GKE Pod の永続 IP アドレスがどのように動作するかについて説明します。GKE コントローラが、Pod と GKEIPRoute 構成をモニタリングします。更新が実行されていることを検出すると、選択した reactionMode に応じて、永続 IP アドレスが適切な Pod に自動的に再割り当てされます。

永続 IP アドレス機能が Pod の変更を自動的に処理する方法と、使用可能な構成オプションについて理解します。

GKEIPRoute 構成の reactionMode フィールドで、ReadyCondition または Exists を選択します。IP アドレスの割り振りの速さと厳密な準備要件のどちらがアプリケーションのニーズに合っているかを考慮します。
ReadyCondition を使用して準備状況を確認している場合は、Pod に Kubernetes readiness Probe が正しく実装されていることを確認します。そうしないと、永続 IP アドレスが意図したとおりに機能しない可能性があります。
システムが正しく動作していることを確認するには、Pod のステータスと GKEIPRoute オブジェクトの Conditions フィールドをモニタリングすることをおすすめします。Ready 条件の true ステータスは、システムが正常に動作していることを示します。

Pod の永続 IP アドレスを使用した通信のトラブルシューティングを行う

このセクションでは、Pod の永続 IP アドレスに関連する問題を解決する方法について説明します。

`NoPodsFound`（一致する Pod が見つからない）

症状

GKEIPRoute オブジェクトは、永続 IP アドレスに関連付けられている Pod を識別する podSelector（ラベルのセット）を指定します。NoPodsFound ステータスは、ターゲット GKEIPRoute's Namespace 内に一致するラベルを持つ Pod がないことを示します。

考えられる原因

ラベルが正しくない: 永続 IP アドレスを使用する Pod のラベルが間違っているか、ラベルがない可能性があります。
Pod が存在しない: reactionMode == Exists の場合は、pod.Spec.nodeName フィールドを確認して Pod がノードに割り当てられているかどうかを確認します。GKEIPRoute's Namespace で、セレクタに一致する Pod が実行されていない可能性があります。
Pod の準備が完了していない: reactionMode == ReadyCondition の場合は、Pod のステータスが READY かどうかを確認します。一致する Pod が存在する場合でも、Ready 状態になっていないとトラフィックを処理できないため、選択されません。

解決策

ラベルを確認する: GKEIPRoute'spodSelector のラベルが、対象の Pod に適用したラベルと一致していることを再確認します。
Pod の存在を確認する: Gateway の Listeners で指定された GKEIPRoute's Namespace に、正しいラベルを持つ Pod が存在することを確認します。reactionMode == Exists の場合は、pod.Spec.nodeName フィールドを確認して、Pod がノードに割り当てられているかどうかを確認します。
Pod の準備状況を確認する: reactionMode == ReadyCondition の場合は、Pod のステータスが READY かどうかを確認します。次のコマンドを使用して、Pod が Ready 状態であることを確認します。
```
kubectl get pods -n <namespace>
```
他の状態（保留中、エラーなど）の Pod は選択されません。
割り当てられた永続 IP アドレスで応答するように Pod を構成します。

`Mutated`（一致する Pod が見つかり、永続 IP アドレスのプログラミングが進行中）

症状

GKEIPRoute ステータスに「Mutated」と表示されます。これは、一致する Pod の永続 IP アドレス構成が進行中であることを示します。

考えられる原因:

構成中は、永続 IP アドレスの GKE データパスと Google Cloud リソースが設定され、ステータスが「Mutated」になります。

解決策:

待機して再試行する: ほとんどの場合、構成プロセスは短時間で自動的に完了します。待機してステータスを確認します。成功すると Ready に変わります。
さらに調査する（必要に応じて）: 「Mutated」ステータスが長期間続く場合は、構成エラーが原因である可能性があります。GKEIPRoute の他のステータス条件を確認します。
- Accepted: GKEIPRoute の設定が有効かどうかを示します。
- DPV2Ready: ノードのデータパスが正しくプログラムされているかどうかを示します。
- GCPReady: Google Cloud リソースが想定どおりに設定されているかどうかを示します。

これらの条件でエラーメッセージを探して、問題のトラブルシューティングに役立ててください。

永続 IP アドレスを使用した通信を制御する

要件

制限事項

始める前に

料金

GKE Pod に永続 IP アドレスを実装する

ステップ 1: Gateway API と GKE Dataplane V2 を有効にした GKE クラスタを作成する

ステップ 2: 永続 IP アドレスを設定する

ステップ 2a: Google 提供の IP アドレスを予約する

ステップ 2b: お客様所有 IP アドレスを使用する（BYOIP）

ステップ 3: Gateway オブジェクトを作成する

ステップ 4: （省略可）永続 IP アドレス用の追加ネットワークを使用して、ワークロードを作成または識別する

ステップ 5: 選択したワークロードに GKEIPRoute オブジェクトを作成する

StatefulSet Pod に永続 IP アドレスを割り当てる

Deployment Pod に永続 IP アドレスを割り当てる

ステップ 6: Pod 内で永続 IP アドレスを使用する

ステップ 7: 永続 IP アドレスの ARP を有効にする（デフォルト ネットワークのみ）

Pod の変更中に永続 IP アドレスの動作をカスタマイズする

Pod の永続 IP アドレスを使用した通信のトラブルシューティングを行う

NoPodsFound（一致する Pod が見つからない）

Mutated（一致する Pod が見つかり、永続 IP アドレスのプログラミングが進行中）

次のステップ

ステップ 5: 選択したワークロードに `GKEIPRoute` オブジェクトを作成する

ステップ 7: 永続 IP アドレスの ARP を有効にする（デフォルトネットワークのみ）

`NoPodsFound`（一致する Pod が見つからない）

`Mutated`（一致する Pod が見つかり、永続 IP アドレスのプログラミングが進行中）