K8sにおけるIP/CIDR

KubernetesにおけるIPアドレスとCIDRの概要

Kubernetes環境でのIPアドレスとCIDRの取り扱いについて、基礎的な概念と設計時のポイントを以下にまとめます。

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IPアドレス

概要

• Kubernetesクラスター内では、各リソース（Pod、Service、Nodeなど）にIPアドレスが割り当てられます。
• IPアドレスは以下のように動的または静的に割り当てられます：
  • Pod: 動的に割り当てられる（クラスター内で一意のアドレス）。
  • Service: ClusterIP（内部用）やLoadBalancer（外部用）で固定的なアドレスが割り当てられる。
  • Node: クラスター外からアクセスするための外部IPまたは内部IP。

種類

• ClusterIP: クラスター内部での通信に使用される仮想IP。
• ExternalIP: クラスター外部からの通信を受け付けるために利用。
• Pod IP: 各Podに動的に割り当てられるユニークなアドレス。

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CIDR

概要

• CIDR（Classless Inter-Domain Routing）は、IPアドレスの範囲を表すための標準的な方式。
• フォーマット: IPアドレス/プレフィックス長（例: 192.168.0.0/24）。
  • IPアドレス部分: 範囲の開始アドレス。
  • プレフィックス長: ネットワーク部分のビット数（残りがホスト部分）。

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KubernetesにおけるCIDR設計

仮想ネットワークのCIDR

• Kubernetesのネットワーク（VNetやPodネットワーク）を定義する際、CIDRを使用してIPアドレス範囲を指定します。
• 例: 10.0.0.0/16（65,536個のIPアドレスを利用可能）。
  • ネットワーク部分: 10.0
  • ホスト部分: 0.0 - 255.255

Pod CIDR

• 各NodeがPodに割り当てるためのCIDR範囲。
  • 例: /24（256アドレス）など。
• Podごとに一意のIPが動的に割り当てられ、ネットワーク通信に使用されます。

Service CIDR

• Service（ClusterIP）のIPアドレス範囲を指定。
• 例: 10.96.0.0/12（デフォルト設定の場合）。

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CIDRのサイズとIPアドレス数の計算

• CIDRのプレフィックス長が短いほど範囲が広がり、利用可能なIPアドレス数が増加。
• IPアドレス数 = ( 2^{(32 - プレフィックス長)} )。
  • /16 → ( 2^{16} = 65,536 ) アドレス
  • /24 → ( 2^{8} = 256 ) アドレス
  • /28 → ( 2^{4} = 16 ) アドレス（予約IPを除くと14アドレス）

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設計時のポイント

1. Pod CIDRとService CIDRを分離

   • Pod CIDRとService CIDRが重複しないように設定。
   • 例:
     • Pod CIDR: 10.0.0.0/16
     • Service CIDR: 10.96.0.0/12

2. IPアドレス枯渇の防止

   • サブネット設計時に十分なIP範囲を確保。
   • 特にNode数やPod数が増加する場合を考慮。

3. 外部ネットワークとの統合を考慮

   • VNetやオンプレミスのネットワークとの統合時、CIDR範囲が重複しないように設計。

4. 予約IPの考慮

   • 各サブネットでは、以下のIPが予約され利用不可：
     • ネットワークアドレス: 範囲の最初のアドレス（例: 192.168.0.0）。
     • ブロードキャストアドレス: 範囲の最後のアドレス（例: 192.168.0.255）。
     • クラウドプロバイダ予約IP: 追加で3〜5個のアドレスが予約される（例: Azure）。

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まとめ表: CIDRとIPアドレス数

CIDR	ネットワーク部分	ホスト部分	利用可能IPアドレス数
/16	16ビット	16ビット	65,534
/24	24ビット	8ビット	254
/28	28ビット	4ビット	14
/30	30ビット	2ビット	2

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KubernetesにおけるIPアドレスやCIDRは、ネットワーク設計の基盤を形成します。正確な計算とCIDRの割り当てにより、効率的でスケーラブルなネットワークを構築することが可能です。