Containerlab + Kind 部署 Cilium BGP
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、可观察性和安全性的一系列解决方案。Cilium 通过使用 eBPF 技术在 Linux 内部动态插入一些控制逻辑，可以在不修改应用程序代码或容器配置的情况下进行应用和更新，从而实现网络、可观察性和安全性相关的功能。
1.2 Cilium BGP 介绍
BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）是一种用于 AS（Autonomous System，自治系统）之间的动态路由协议。BGP 协议提供了丰富灵活的路由控制策略，早期主要用于互联网 AS 之间的互联。随着技术的发展，现在 BGP 协议在数据中心也得到了广泛的应用，现代数据中心网络通常是基于 Spine-Leaf 架构，其中 BGP 可用于传播端点的可达性信息。
Leaf 层由接入交换机组成，这些交换机会对来自服务器的流量进行汇聚并直接连接到 Spine 或网络核心，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 在企业中的应用越来越多，这些端点有可能是 Kubernetes Pod，为了让 Kubernetes 集群外部的网络能够通过 BGP 协议动态获取到访问的 Pod 的路由，显然 Cilium 应该引入对 BGP 协议的支持。
在 Cilium 最初在 1.10 版本中引入了 BGP，通过为应用分配 LoadBalancer 类型的 Service 并结合 MetalLB，从而向 BGP 邻居宣告路由信息。
然而，随着 IPv6 的使用持续增长，很明显 Cilium 需要 BGP IPv6 功能 -- 包括 Segment Routing v6 (SRv6)。MetalLB 目前通过 FRR 对 IPv6 的支持有限，并且仍处于试验阶段。Cilium 团队评估了各种选项，并决定转向功能更丰富的 GoBGP [1]。
在最新的 Cilium 1.12 版本中，启用对 BGP 的支持只需要设置 --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展的配置。
- 使用
nodeSelector参数通过标签选择，可以将相同的 BGP 配置应用于多个节点。 - 当
exportPodCIDR参数设置为 true 时，可以动态地宣告所有 Pod CIDR，无需手动指定需要宣告哪些路由前缀。 neighbors参数用于设置 BGP 邻居信息，通常是集群外部的网络设备。
apiVersion: "cilium.io/v2alpha1"kind: CiliumBGPPeeringPolicymetadata: name: rack0spec: 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]（Kubernetes in Docker）是一种使用 Docker 容器作为 Node 节点，运行本地 Kubernetes 集群的工具。我们仅需要安装好 Docker，就可以在几分钟内快速创建一个或多个 Kubernetes 集群。为了方便实验，本文使用 Kind 来搭建 Kubernetes 集群环境。
1.4 Containerlab 介绍
Containerlab[3] 提供了一种简单、轻量的、基于容器的编排网络实验的方案，支持各种容器化网络操作系统，例如：Cisco，Juniper，Nokia，Arista 等等。Containerlab 可以根据用户定义的配置文件，启动容器并在它们之间创建虚拟连接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"]
容器的管理接口会连接到名为 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 规则相连。这就好比数据中心中网络管理对应的带外管理（out-of-band）和带内管理（in-band）两种管理模式。
Containerlab 还为我们提供了丰富的实验案例，可以在 Lab examples[4] 中找到。我们甚至可以通过 Containerlab 创建出一个数据中心级别的网络架构(参见 5-stage Clos fabric[5])
2 前提准备
请根据相应的操作系统版本，选择合适的安装方式：
- 安装 Docker: https://docs.docker.com/engine/install/
- 安装 Containerlab: https://containerlab.dev/install/
- 安装 Kind: https://kind.sigs.k8s.io/docs/user/quick-start/#installing-with-a-package-manager
- 安装 Helm: https://helm.sh/docs/intro/install/
本文所用到的配置文件可以在 https://github.com/cr7258/kubernetes-guide/tree/master/containerlab/cilium-bgp 中获取。
3 通过 Kind 启动 Kubernetes 集群
准备一个 Kind 的配置文件，创建一个 4 节点的 Kubernetes 集群。
# cluster.yamlkind: Clustername: clab-bgp-cplane-demoapiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4networking: disableDefaultCNI: true # 禁用默认 CNI podSubnet: "10.1.0.0/16" # Pod CIDRnodes:- 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 创建 Kubernetes 集群。
kind create cluster --config cluster.yaml
查看集群节点状态，由于当前我们尚未安装 CNI 插件，因此节点的状态是 NotReady。
kubectl get node
4 启动 Containerlab
定义 Containerlab 的配置文件，创建网络基础设施并连接 Kind 创建的 Kubernetes 集群：
- router0, tor0, tor1 作为 Kubernetes 集群外部的网络设备，在 exec 参数中设置网络接口信息以及 BGP 配置。router0 与 tor0, tor1 建立 BGP 邻居，tor0 与 server0, server1, router0 建立 BGP 邻居，tor1 与 server2, server3, router0 建立 BGP 邻居。
设置 network-mode: container:<容器名> 可以让 Containerlab 共享 Containerlab 之外启动的容器的网络命名空间，设置 server0, server1, server2, server3 容器分别连接到第 3 小节中通过 Kind 创建的 Kubernetes 集群的 4 个 Node 上。
# topo.yamlname: bgp-cplane-demotopology: 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，创建 Containerlab 实验环境。
clab deploy -t topo.yaml
创建完的拓扑如下所示，当前只有 tor0, tor1 和 router0 设备之间建立了 BGP 连接，由于我们尚未通过 CiliumBGPPeeringPolicy 设置 Kubernetes 集群的 BGP 配置，因此 tor0, tor1 与 Kubernetes Node 的 BGP 连接还没有建立。
分别执行以下命令，可以查看 tor0, tor1, router0 3 个网络设备当前的 BGP 邻居建立情况。
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 设备现在学到的 BGP 路由条目。
docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-router0 vtysh -c "show bgp ipv4 wide"
当前总共有 8 条路由条目，此时还未学到 Pod 相关的路由。
为了方便用户更直观地了解实验的网络结构，Containerlab 提供 graph 命令生成网络拓扑。
clab graph -t topo.yaml
在浏览器输入 http://<宿主机 IP>:50080 可以查看 Containerlab 生成的拓扑图。
5 安装 Cilium
本例中使用 Helm 来安装 Cilium，在 values.yaml 配置文件中设置我们需要调整的 Cilium 配置参数。
# values.yamltunnel: disabled ipam: mode: kubernetes ipv4NativeRoutingCIDR: 10.0.0.0/8 # 开启 BGP 功能支持，等同于命令行执行 --enable-bgp-control-plane=truebgpControlPlane: enabled: true k8s: requireIPv4PodCIDR: true
执行以下命令，安装 Cilium 1.12 版本，开启 BGP 功能支持。
helm repo add cilium https://helm.cilium.io/helm install -n kube-system cilium cilium/cilium --version v1.12.1 -f values.yaml
等待所有 Cilium Pod 启动完毕后，再次查看 Kubernetes Node 状态，可以看到所有 Node 都已经处于 Ready 状态了。
6 Cilium 节点配置 BGP
接下来分别为 rack0 和 rack1 两个机架上 Kubernetes Node 配置 CiliumBGPPeeringPolicy。rack0 和 rack1 分别对应 Node 的 label，在第 3 小节中 Kind 的配置文件中做过设置。
rack0 的 Node 与 tor0 建立 BGP 邻居，rack1 的 Node 与 tor1 建立 BGP 邻居，并自动宣告 Pod CIDR 给 BGP 邻居。
# cilium-bgp-peering-policies.yaml apiVersion: "cilium.io/v2alpha1"kind: CiliumBGPPeeringPolicymetadata: name: rack0spec: nodeSelector: matchLabels: rack: rack0 virtualRouters: - localASN: 65010 exportPodCIDR: true # 自动宣告 Pod CIDR neighbors: - peerAddress: "10.0.0.1/32" # tor0 的 IP 地址 peerASN: 65010---apiVersion: "cilium.io/v2alpha1"kind: CiliumBGPPeeringPolicymetadata: name: rack1spec: 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，应用 CiliumBGPPeeringPolicy。
kubectl apply -f cilium-bgp-peering-policies.yaml
创建完的拓扑如下所示，现在 tor0 和 tor1 也已经和 Kubernetes Node 建立了 BGP 邻居。
分别执行以下命令，可以查看 tor0, tor1, router0 3 个网络设备当前的 BGP 邻居建立情况。
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 设备现在学到的 BGP 路由条目。
docker exec -it clab-bgp-cplane-demo-router0 vtysh -c "show bgp ipv4 wide"
当前总共有 12 条路由条目，其中多出来的 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
分别在 rack0 和 rack1 所在的节点上创建 1 个 Pod 用于测试网络的连通性。
# nettool.yamlapiVersion: v1kind: Podmetadata: labels: run: nettool-1 name: nettool-1spec: containers: - image: cr7258/nettool:v1 name: nettool-1 nodeSelector: rack: rack0 ---apiVersion: v1kind: Podmetadata: labels: run: nettool-2 name: nettool-2spec: containers: - image: cr7258/nettool:v1 name: nettool-2 nodeSelector: rack: rack1
执行以下命令，创建 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
可以看到 nettool-1 Pod 能够正常访问 nettool-2 Pod。
接下来使用 traceroute 命令观察网络数据包的走向。
kubectl exec -it nettool-1 -- traceroute -n 10.1.3.56
数据包从 nettool-1 Pod 发出，依次经过了：
- 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 设备。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 建立 BGP 邻居，这样做可以在有多条物理链路备份的情况下提升 BGP 邻居的稳健性，不会因为某个物理接口故障时而影响到邻居关系。
- 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 创建的实验环境。
clab destroy -t topo.yamlkind delete clusters clab-bgp-cplane-demo
