Kubernetesのネイティブネットワーキングにおける多ネットワーク課題と解決策

Kubernetesはクラウドネイティブコンピューティングの基盤として広く採用されており、ネットワーキング機能はその性能と柔軟性を決定づける重要な要素です。特に、テレコムワークロードにおいては、多ネットワーク（multi-network）の要件が顕著です。この記事では、Kubernetesネットワーキングにおける多ネットワーク課題、現行の解決策、技術的挑戦、および未來の方向性について詳しく解説します。

多ネットワークの課題と現行の解決策

多ネットワークの使用ケース

GPU直接アクセス：RDM（Rapid Device Migration）能力が必要で、GPU専用インターフェースを介したアクセスが求められます。
ストレージネットワークの隔離：ストレージネットワークに接続するためのサブインターフェースを用いた流量分離が必須です。
アプリケーションデータとコントロールプレーンのインターフェース：アプリケーションのデータプレーンとコントロールプレーンに別々のインターフェースを割り當てる必要があります。
ネットワークセグメンテーション：多テナント環境における仮想ネットワークの分離が求められます。

現行の解決策

Network Attachment Definitions (NAD)：標準化されたAPIとして位置付けられていますが、OVN-KubernetesやMultusなどのCNI実裝ごとに異なる仕様が存在します。
非標準的なアプローチ：特定ベンダーの製品（例：Metal LB）やカスタム実裝が一部で利用されています。

現行技術の限界とOVN-Kubernetesの役割

NADの制限

JSON形式の規格であり、統一されたAPIが存在しない。
CNI実裝ごとに異なる仕様により、実裝の統一が困難。

OVN-Kubernetesの特徴

多ネットワークをサポートするCNI実裝として維持されています。
特定のインターフェースをサポートするが、Kubernetesコア機能との統合が課題です。

動的リソース割當（DRA）とCap 5075の導入

DRAの三段階プロセス

デバイスリストとリソース宣言：ノードのデバイスをリストアップし、リソース要件（例：特定のネットワークインターフェース）を宣言。
リソース配置とスケジューリング：Kubernetesがノードを選択し、デバイス（例：IPアドレス）を配置。
狀態報告：デバイスの狀態（例：IPアドレス）を報告し、今後はさらに機能拡張が期待されます。

Cap 5075の機能

デバイス容量の宣言とスケジューリングを可能にし、帯幅などのリソース管理を柔軟化。

挑戦と未來の方向性

標準化と互換性の課題

KubernetesのAPIは後方互換性を重視しており、多ネットワークの概念はフラットなネットワークモデルと衝突。
高階APIと低階APIの統合方法を統一する必要がある。

コミュニティの分斷

CNI、Multus、Network Plumbing Groupなどのプロジェクト間で協力が困難。
ネットワークポリシーとサービスAPIの再設計が求められる。

技術的複雑性

ポッドIPに依存するネットワークポリシーが、多ネットワーク環境でIP衝突を引き起こす可能性。
サービスAPI（例：Service CIDR）の再定義が不可欠。

未來の方向性と技術的進展

DRAとCapの統合

DRAを用いてデバイスリソースを動的に割り當て、多ネットワークインターフェースをサポート。
Cap 5075により、リソース管理の柔軟性が向上。

コミュニティ協力と標準化

パリ會議などの議論を通じて、多ネットワークの標準化を推進。
CNIとKubernetesコア機能の統合を進める。

サービスとネットワークポリシーの進化

多ネットワーク環境に対応したサービスAPIの再設計。
ネットワークポリシーのIP衝突迴避と一貫性確保。

長期的な目標

Kubernetesのネイティブ多ネットワークソリューションを構築し、クロスクラウドやハイブリッド環境での互換性を確保。

技術的詳細と実裝

DRAによるネットワーク統合

ネットワークインターフェースをリソースとして扱い、DRA APIで管理。
デバイス狀態（例：IPアドレス）とノードの同期を実現。

多ネットワークオブジェクト（Multi-Net Object）

複數のネットワークインターフェースを定義可能で、複雑なネットワークトポロジー（例：多VPC、多サブネット）をサポート。
Alpha版でリリース予定で、今後Gateway APIとの統合が進む。

ネットワークポリシーとサービスの統合

現在のサービスとネットワークポリシーは分離処理だが、今後統合管理が求められる。
多ネットワーク環境ではIP衝突を迴避し、ポリシーの正確な適用を確保。

まとめ

Kubernetesのネイティブネットワーキングにおいて、多ネットワークの要件はテレコムワークロードの実現に不可欠です。現行のNADやOVN-Kubernetesは課題を解決する一歩ですが、DRAとCapの導入によりリソース管理が進化しています。標準化とコミュニティの協力が今後の成功に鍵となります。技術的挑戦は依然として存在しますが、継続的な進化により、Kubernetesは多ネットワーク環境での信頼性と柔軟性を提供し続けるでしょう。