关于云计算:使用-Containerlab-Kind-快速部署-Cilium-BGP-环境

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1 前置常识

1.1 Cilium 介绍

Cilium 是一款基于 eBPF 技术的 Kubernetes CNI 插件，Cilium 在其官网上对产品的定位为 “eBPF-based Networking, Observability, Security”，致力于为容器工作负载提供基于 eBPF 的网络、可察看性和安全性的一系列解决方案。Cilium 通过应用 eBPF 技术在 Linux 外部动静插入一些管制逻辑，能够在不批改利用程序代码或容器配置的状况下进行利用和更新，从而实现网络、可察看性和安全性相干的性能。

1.2 Cilium BGP 介绍

BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协定）是一种用于 AS（Autonomous System，自治零碎）之间的动静路由协定。BGP 协定提供了丰盛灵便的路由控制策略，晚期次要用于互联网 AS 之间的互联。随着技术的倒退，当初 BGP 协定在数据中心也失去了宽泛的利用，古代数据中心网络通常基于 Spine-Leaf 架构，其中 BGP 可用于流传端点的可达性信息。

Leaf 层由接入交换机组成，这些替换机会对来自服务器的流量进行汇聚并间接连贯到 Spine 或网络外围，Spine 交换机以一种全网格拓扑与所有 Leaf 交换机实现互连。

随着 Kubernetes 在企业中的利用越来越多，这些端点有可能是 Kubernetes Pod，为了让 Kubernetes 集群内部的网络可能通过 BGP 协定动静获取到拜访的 Pod 的路由，显然 Cilium 应该引入对 BGP 协定的反对。

在 Cilium 最后在 1.10 版本中引入了 BGP，通过为利用调配 LoadBalancer 类型的 Service 并联合 MetalLB，从而向 BGP 街坊宣告路由信息。

然而，随着 IPv6 的应用持续增长，很显著 Cilium 须要 BGP IPv6 性能 — 包含 Segment Routing v6 (SRv6)。MetalLB 目前通过 FRR 对 IPv6 的反对无限，并且仍处于试验阶段。Cilium 团队评估了各种选项，并决定转向性能更丰盛的 [GoBGP [1]](https://osrg.github.io/gobgp/)。

在最新的 Cilium 1.12 版本中，启用对 BGP 的反对只须要设置 --enable-bgp-control-plane=true 参数，并且通过一个新的 CRD CiliumBGPPeeringPolicy 实现更加细粒度和可扩大的配置。

  • 应用 nodeSelector 参数通过标签抉择，能够将雷同的 BGP 配置利用于多个节点。
  • 当 exportPodCIDR 参数设置为 true 时，能够动静地宣告所有 Pod CIDR，无需手动指定须要宣告哪些路由前缀。
  • neighbors 参数用于设置 BGP 街坊信息，通常是集群内部的网络设备。
apiVersion: "cilium.io/v2alpha1"
kind: CiliumBGPPeeringPolicy
metadata:
 name: rack0
spec:
 nodeSelector:
   matchLabels:
     rack: rack0
 virtualRouters:
 - localASN: 65010
   exportPodCIDR: true
   neighbors:
   - peerAddress: "10.0.0.1/32"
     peerASN: 65010

1.3 Kind 介绍

[Kind [2]](https://kind.sigs.k8s.io/)（Kubernetes in Docker）是一种应用 Docker 容器作为 Node 节点，运行本地 Kubernetes 集群的工具。咱们仅须要装置好 Docker，就能够在几分钟内疾速创立一个或多个 Kubernetes 集群。为了不便试验，本文应用 Kind 来搭建 Kubernetes 集群环境。

1.4 Containerlab 介绍

[Containerlab[3]](https://containerlab.dev/) 提供了一种简略、轻量的、基于容器的编排网络试验的计划，反对各种容器化网络操作系统，例如：Cisco，Juniper，Nokia，Arista 等等。Containerlab 能够依据用户定义的配置文件，启动容器并在它们之间创立虚构连贯以构建用户定义网络拓扑。

name: sonic01

topology:
  nodes:
    srl:
      kind: srl
      image: ghcr.io/nokia/srlinux
    sonic:
      kind: sonic-vs
      image: docker-sonic-vs:2020-11-12

  links:
    - endpoints: ["srl:e1-1", "sonic:eth1"]

容器的治理接口会连贯到名为 clab 的 bridge 类型的 Docker 网络中，业务接口通过配置文件中定义的 links 规定相连。这就好比数据中心中网络管理对应的带外治理（out-of-band）和带内治理（in-band）两种管理模式。

Containerlab 还为咱们提供了丰盛的试验案例，能够在 [Lab examples[4]](https://containerlab.dev/lab-…) 中找到。咱们甚至能够通过 Containerlab 创立出一个数据中心级别的网络架构 (参见 [5-stage Clos fabric[5]](https://containerlab.dev/lab-…))

2 前提筹备

请依据相应的操作系统版本，抉择适合的装置形式：

  • 装置 Docker: https://docs.docker.com/engin…
  • 装置 Containerlab: https://containerlab.dev/inst…
  • 装置 Kind: https://kind.sigs.k8s.io/docs…
  • 装置 Helm: https://helm.sh/docs/intro/in…

本文所用到的配置文件能够在 https://github.com/cr7258/kub… 中获取。

3 通过 Kind 启动 Kubernetes 集群

筹备一个 Kind 的配置文件，创立一个 4 节点的 Kubernetes 集群。

# cluster.yaml
kind: Cluster
name: clab-bgp-cplane-demo
apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4
networking:
  disableDefaultCNI: true # 禁用默认 CNI
  podSubnet: "10.1.0.0/16" # Pod CIDR
nodes:
- role: control-plane # 节点角色
  kubeadmConfigPatches:
  - |
    kind: InitConfiguration
    nodeRegistration:
      kubeletExtraArgs:
        node-ip: 10.0.1.2 # 节点 IP
        node-labels: "rack=rack0" # 节点标签

- role: worker
  kubeadmConfigPatches:
  - |
    kind: JoinConfiguration
    nodeRegistration:
      kubeletExtraArgs:
        node-ip: 10.0.2.2
        node-labels: "rack=rack0"

- role: worker
  kubeadmConfigPatches:
  - |
    kind: JoinConfiguration
    nodeRegistration:
      kubeletExtraArgs:
        node-ip: 10.0.3.2
        node-labels: "rack=rack1"

- role: worker
  kubeadmConfigPatches:
  - |
    kind: JoinConfiguration
    nodeRegistration:
      kubeletExtraArgs:
        node-ip: 10.0.4.2
        node-labels: "rack=rack1"

执行以下命令，通过 Kind 创立 Kubernetes 集群。

kind create cluster --config cluster.yaml

查看集群节点状态，因为以后咱们尚未装置 CNI 插件，因而节点的状态是 NotReady。

kubectl get node

4 启动 Containerlab

定义 Containerlab 的配置文件，创立网络基础设施并连贯 Kind 创立的 Kubernetes 集群：

  • router0, tor0, tor1 作为 Kubernetes 集群内部的网络设备，在 exec 参数中设置网络接口信息以及 BGP 配置。router0 与 tor0, tor1 建设 BGP 街坊，tor0 与 server0, server1, router0 建设 BGP 街坊，tor1 与 server2, server3, router0 建设 BGP 街坊。
  • 设置 network-mode: container:< 容器名 > 能够让 Containerlab 共享 Containerlab 之外启动的容器的网络命名空间，设置 server0, server1, server2, server3 容器别离连贯到第 3 大节中通过 Kind 创立的 Kubernetes 集群的 4 个 Node 上。
# topo.yaml
name: bgp-cplane-demo
topology:
  kinds:
    linux:
      cmd: bash
  nodes:
    router0:
      kind: linux
      image: frrouting/frr:v8.2.2
      labels:
        app: frr
      exec:
      - iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE
      - ip addr add 10.0.0.0/32 dev lo
      - ip route add blackhole 10.0.0.0/8
      - touch /etc/frr/vtysh.conf
      - sed -i -e 's/bgpd=no/bgpd=yes/g' /etc/frr/daemons
      - usr/lib/frr/frrinit.sh start
      - >-
         vtysh -c 'conf t'
         -c 'router bgp 65000'
         -c 'bgp router-id 10.0.0.0'
         -c 'no bgp ebgp-requires-policy'
         -c 'neighbor ROUTERS peer-group'
         -c 'neighbor ROUTERS remote-as external'
         -c 'neighbor ROUTERS default-originate'
         -c 'neighbor net0 interface peer-group ROUTERS'
         -c 'neighbor net1 interface peer-group ROUTERS'
         -c 'address-family ipv4 unicast'
         -c 'redistribute connected'
         -c 'exit-address-family'
         -c '!'
            
          
    tor0:
      kind: linux
      image: frrouting/frr:v8.2.2  
      labels:
        app: frr
      exec:
      - ip link del eth0
      - ip addr add 10.0.0.1/32 dev lo
      - ip addr add 10.0.1.1/24 dev net1
      - ip addr add 10.0.2.1/24 dev net2
      - touch /etc/frr/vtysh.conf
      - sed -i -e 's/bgpd=no/bgpd=yes/g' /etc/frr/daemons
      - /usr/lib/frr/frrinit.sh start
      - >-
         vtysh -c 'conf t'
         -c 'frr defaults datacenter'
         -c 'router bgp 65010'
         -c 'bgp router-id 10.0.0.1'
         -c 'no bgp ebgp-requires-policy'
         -c 'neighbor ROUTERS peer-group'
         -c 'neighbor ROUTERS remote-as external'
         -c 'neighbor SERVERS peer-group'
         -c 'neighbor SERVERS remote-as internal'
         -c 'neighbor net0 interface peer-group ROUTERS'
         -c 'neighbor 10.0.1.2 peer-group SERVERS'
         -c 'neighbor 10.0.2.2 peer-group SERVERS'
         -c 'address-family ipv4 unicast'
         -c 'redistribute connected'
         -c 'exit-address-family'
         -c '!'
          
    

    tor1:
      kind: linux
      image: frrouting/frr:v8.2.2
      labels:
        app: frr
      exec:
      - ip link del eth0
      - ip addr add 10.0.0.2/32 dev lo
      - ip addr add 10.0.3.1/24 dev net1
      - ip addr add 10.0.4.1/24 dev net2
      - touch /etc/frr/vtysh.conf
      - sed -i -e 's/bgpd=no/bgpd=yes/g' /etc/frr/daemons
      - /usr/lib/frr/frrinit.sh start
      - >-
         vtysh -c 'conf t'
         -c 'frr defaults datacenter'
         -c 'router bgp 65011'
         -c 'bgp router-id 10.0.0.2'
         -c 'no bgp ebgp-requires-policy'
         -c 'neighbor ROUTERS peer-group'
         -c 'neighbor ROUTERS remote-as external'
         -c 'neighbor SERVERS peer-group'
         -c 'neighbor SERVERS remote-as internal'
         -c 'neighbor net0 interface peer-group ROUTERS'
         -c 'neighbor 10.0.3.2 peer-group SERVERS'
         -c 'neighbor 10.0.4.2 peer-group SERVERS'
         -c 'address-family ipv4 unicast'
         -c 'redistribute connected'
         -c 'exit-address-family'
         -c '!'      
    
    server0:
      kind: linux
      image: nicolaka/netshoot:latest
      network-mode: container:control-plane
      exec:
      - ip addr add 10.0.1.2/24 dev net0
      - ip route replace default via 10.0.1.1

    server1:
      kind: linux
      image: nicolaka/netshoot:latest
      network-mode: container:worker
      exec:
      - ip addr add 10.0.2.2/24 dev net0
      - ip route replace default via 10.0.2.1

    server2:
      kind: linux
      image: nicolaka/netshoot:latest
      network-mode: container:worker2
      exec:
      - ip addr add 10.0.3.2/24 dev net0
      - ip route replace default via 10.0.3.1

    server3:
      kind: linux
      image: nicolaka/netshoot:latest
      network-mode: container:worker3
      exec:
      - ip addr add 10.0.4.2/24 dev net0
      - ip route replace default via 10.0.4.1


  links:
  - endpoints: ["router0:net0", "tor0:net0"]
  - endpoints: ["router0:net1", "tor1:net0"]
  - endpoints: ["tor0:net1", "server0:net0"]
  - endpoints: ["tor0:net2", "server1:net0"]
  - endpoints: ["tor1:net1", "server2:net0"]
  - endpoints: ["tor1:net2", "server3:net0"]

执行以下命令，创立 Containerlab 试验环境。

clab deploy -t topo.yaml

创立完的拓扑如下所示，以后只有 tor0, tor1 和 router0 设施之间建设了 BGP 连贯，因为咱们尚未通过 CiliumBGPPeeringPolicy 设置 Kubernetes 集群的 BGP 配置，因而 tor0, tor1 与 Kubernetes Node 的 BGP 连贯还没有建设。

别离执行以下命令，能够查看 tor0, tor1, router0 3 个网络设备以后的 BGP 街坊建设状况。

docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-tor0 vtysh -c "show bgp ipv4 summary wide"
docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-tor1 vtysh -c "show bgp ipv4 summary wide"
docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-router0 vtysh -c "show bgp ipv4 summary wide"

执行以下命令，查看 router0 设施当初学到的 BGP 路由条目。

docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-router0 vtysh -c "show bgp ipv4 wide"

以后总共有 8 条路由条目，此时还未学到 Pod 相干的路由。

为了不便用户更直观地理解试验的网络结构，Containerlab 提供 graph 命令生成网络拓扑。

clab graph -t topo.yaml

在浏览器输出 http://< 宿主机 IP>:50080 能够查看 Containerlab 生成的拓扑图。

5 装置 Cilium

本例中应用 Helm 来装置 Cilium，在 values.yaml 配置文件中设置咱们须要调整的 Cilium 配置参数。

# values.yaml
tunnel: disabled

ipam:
  mode: kubernetes

ipv4NativeRoutingCIDR: 10.0.0.0/8

# 开启 BGP 性能反对，等同于命令行执行 --enable-bgp-control-plane=true
bgpControlPlane:  
  enabled: true

k8s:
  requireIPv4PodCIDR: true

执行以下命令，装置 Cilium 1.12 版本，开启 BGP 性能反对。

helm repo add cilium https://helm.cilium.io/
helm install -n kube-system cilium cilium/cilium --version v1.12.1 -f values.yaml

期待所有 Cilium Pod 启动结束后，再次查看 Kubernetes Node 状态，能够看到所有 Node 都曾经处于 Ready 状态了。

6 Cilium 节点配置 BGP

接下来别离为 rack0 和 rack1 两个机架上 Kubernetes Node 配置 CiliumBGPPeeringPolicy。rack0 和 rack1 别离对应 Node 的 label，在第 3 大节中 Kind 的配置文件中做过设置。

rack0 的 Node 与 tor0 建设 BGP 街坊，rack1 的 Node 与 tor1 建设 BGP 街坊，并主动宣告 Pod CIDR 给 BGP 街坊。

# cilium-bgp-peering-policies.yaml 
apiVersion: "cilium.io/v2alpha1"
kind: CiliumBGPPeeringPolicy
metadata:
  name: rack0
spec:
  nodeSelector:
    matchLabels:
      rack: rack0
  virtualRouters:
  - localASN: 65010
    exportPodCIDR: true # 主动宣告 Pod CIDR
    neighbors:
    - peerAddress: "10.0.0.1/32" # tor0 的 IP 地址
      peerASN: 65010
---
apiVersion: "cilium.io/v2alpha1"
kind: CiliumBGPPeeringPolicy
metadata:
  name: rack1
spec:
  nodeSelector:
    matchLabels:
      rack: rack1
  virtualRouters:
  - localASN: 65011
    exportPodCIDR: true
    neighbors:
    - peerAddress: "10.0.0.2/32" # tor1 的 IP 地址
      peerASN: 65011

执行以下命令，利用 CiliumBGPPeeringPolicy。

kubectl apply -f cilium-bgp-peering-policies.yaml

创立完的拓扑如下所示，当初 tor0 和 tor1 也曾经和 Kubernetes Node 建设了 BGP 街坊。

别离执行以下命令，能够查看 tor0, tor1, router0 3 个网络设备以后的 BGP 街坊建设状况。

docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-tor0 vtysh -c "show bgp ipv4 summary wide"
docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-tor1 vtysh -c "show bgp ipv4 summary wide"
docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-router0 vtysh -c "show bgp ipv4 summary wide"

执行以下命令，查看 router0 设施当初学到的 BGP 路由条目。

docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-router0 vtysh -c "show bgp ipv4 wide"

以后总共有 12 条路由条目，其中多进去的 4 条路由是从 Kubernetes 4 个 Node 学到的 10.1.x.0/24 网段的路由。

7 验证测试

别离在 rack0 和 rack1 所在的节点上创立 1 个 Pod 用于测试网络的连通性。

# nettool.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    run: nettool-1
  name: nettool-1
spec:
  containers:
  - image: cr7258/nettool:v1
    name: nettool-1
  nodeSelector:
    rack: rack0 
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    run: nettool-2
  name: nettool-2
spec:
  containers:
  - image: cr7258/nettool:v1
    name: nettool-2
  nodeSelector:
    rack: rack1

执行以下命令，创立 2 个测试 Pod。

kubectl apply -f nettool.yaml

查看 Pod 的 IP 地址。

kubectl get pod -o wide

nettool-1 Pod 位于 clab-bgp-cplane-demo-worker（server1, rack0）上，IP 地址是 10.1.2.185；nettool-2 Pod 位于 clab-bgp-cplane-demo-worker3（server3, rack1）上，IP 地址是 10.1.3.56。

执行以下命令，在 nettool-1 Pod 中尝试 ping nettool-2 Pod。

kubectl exec -it nettool-1 -- ping 10.1.3.56

能够看到 nettool-1 Pod 可能失常拜访 nettool-2 Pod。

接下来应用 traceroute 命令察看网络数据包的走向。

kubectl exec -it nettool-1 -- traceroute -n 10.1.3.56

数据包从 nettool-1 Pod 收回，顺次通过了：

  • 1.server1 的 cilium_host 接口 ：Cilium 网络中 Pod 的默认路由指向了本机的 cilium_host。cilium_host 和 cilium_net 是一对 veth pair 设施。Cilium 通过 hardcode ARP 表，强制将 Pod 流量的下一跳劫持到 veth pair 的主机端。

  • 2.tor0 的 net2 接口 。
  • 3.router0 的 lo0 接口 ：tor0, tor1 和 router0 3 个网络设备间通过本地环回口 lo0 建设 BGP 街坊，这样做能够在有多条物理链路备份的状况下晋升 BGP 街坊的稳健性，不会因为某个物理接口故障时而影响到街坊关系。
  • 4.tor1 的 lo0 接口 。

  • 5.server3 的 net0 接口 。

    8 清理环境

    执行以下命令，清理 Containerlab 和 Kind 创立的试验环境。

clab destroy -t topo.yaml
kind delete clusters clab-bgp-cplane-demo

9 参考资料

  • [1] GoBGP: https://osrg.github.io/gobgp/
  • [2] Kind: https://kind.sigs.k8s.io/
  • [3] containerlab: https://containerlab.dev/
  • [4] Lab examples: https://containerlab.dev/lab-…
  • [5] 5-stage Clos fabric: https://containerlab.dev/lab-…
  • [6] BGP WITH CILIUM: https://nicovibert.com/2022/0…
  • [7] CONTINAERlab + KinD 秒速部署跨网络 K8s 集群: https://www.bilibili.com/vide…
  • [8] Cilium 网络概述: https://www.koenli.com/fcdddb…
  • [9] Cilium BGP Control Plane: https://docs.cilium.io/en/sta…
  • [10] Cilium 1.12 – Ingress, Multi-Cluster, Service Mesh, External Workloads, and much more: https://isovalent.com/blog/po…
  • [11] Cilium 1.10: WireGuard, BGP Support, Egress IP Gateway, New Cilium CLI, XDP Load Balancer, Alibaba Cloud Integration and more: https://cilium.io/blog/2021/0…
  • [12] Life of a Packet in Cilium：实地摸索 Pod-to-Service 转发门路及 BPF 解决逻辑: https://arthurchiao.art/blog/…

正文完
云计算
发表至： 云计算
2022-08-28
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