使用 Containerlab  +  Kind 快速部署 Cilium BGP 环境

1 前置知识

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: 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]（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.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.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.yaml
tunnel: 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=true
bgpControlPlane:  
  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: CiliumBGPPeeringPolicy
metadata:
  name: rack0
spec:
  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: 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，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.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.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-examples/lab-examples/
• [5] 5-stage Clos fabric: https://containerlab.dev/lab-examples/min-5clos/
• [6] BGP WITH CILIUM: https://nicovibert.com/2022/07/21/bgp-with-cilium/
• [7] CONTINAERlab + KinD 秒速部署跨网络 K8s 集群: https://www.bilibili.com/video/BV1Qa411d7wm?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=1c0f4059dae237b29416579c3a5d326e
• [8] Cilium 网络概述: https://www.koenli.com/fcdddb4a.html
• [9] Cilium BGP Control Plane: https://docs.cilium.io/en/stable/gettingstarted/bgp-control-plane/#cilium-bgp-control-plane
• [10] Cilium 1.12 – Ingress, Multi-Cluster, Service Mesh, External Workloads, and much more: https://isovalent.com/blog/post/cilium-release-112/#vtep-support
• [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/2021/05/20/cilium-110/
• [12] Life of a Packet in Cilium：实地探索 Pod-to-Service 转发路径及 BPF 处理逻辑: https://arthurchiao.art/blog/cilium-life-of-a-packet-pod-to-service-zh/