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 本篇使用ensp和workstation在自己家里就可以模拟测试跨网段k8s集群calico方案的纯bgp模式。

架构搭建

本测试搭建的是"每机柜独立自治系统"架构， 参考：The *AS Per Rack* model[1]

8d92ca9508c754b6ecb76c19925e4426.png
跨网段k8s集群架构

整个架构分为ensp部分和workstation部分， ensp部分主要是搭建出R1和R2的ebgp关系以及分别在R1和R2上添加各自网段内的k8s节点的bgp  peer，workstation部分为构建跨网端的k8s集群。因为192.168.219.0/24网段的主机加入集群需要依赖ensp中的路由， 操作的顺序是先搭建出ensp的网络部分再将新节点加到k8s中继而配置bgp。现有k8s集群有三台服务器均通过桥接联网， 一台master节点两台普通节点， 分别如下

  • k8s-master：10.30.81.127

  • k8s-node1：10.30.81.128

  • k8s-node2：10.30.81.130

ensp配置

按照上图搭建出ensp部分的网络设备连接拓扑， 然后分别配置R1、R2和两朵云， R1和R2上配置如下

:'
 R1上配置
'
# 接口ip配置
int g0/0/0
ip a 20.20.20.10 24
int g0/0/1 
ip a 10.30.81.118 24
int g0/0/2
ip a 30.30.30.10 24

# 设置静态路由, 跳到下一个网段
ip route-static 192.168.219.0 24 20.20.20.20
ip route-static 192.168.219.0 24 30.30.30.20

# bgp配置， 把同AS内的ibgp peer也配置了
bgp 64512 
peer 10.30.81.127 as-number 64512 
peer 10.30.81.128 as-number 64512 
peer 10.30.81.130 as-number 64512 
peer 192.168.219.10 as-number 64513 
peer 192.168.219.10 ebgp-max-hop 5 
peer 192.168.219.10 connect-interface g0/0/1
peer 10.30.81.127 reflect-client
peer 10.30.81.128 reflect-client
peer 10.30.81.130 reflect-client

display bgp peer
display bgp ip-routing
display ip interface br
display ip routing-table

:'
 R2上配置
'
# 接口ip配置
int g0/0/0
ip a 192.168.219.10 24
int g0/0/1 
ip a 20.20.20.20 24
int g0/0/2
ip a 30.30.30.20 24

# 设置静态路由, 跳到下一个网段
ip route-static 10.30.81.0 24 20.20.20.10
ip route-static 10.30.81.0 24 30.30.30.10


# bgp配置, 把同AS内的ibgp peer也配置了
bgp 64513
peer 10.30.81.118 as-number 64512 
peer 10.30.81.118 ebgp-max-hop 5 
peer 10.30.81.118 connect-interface g0/0/0
peer 192.168.219.20 as-number 64513 
peer 192.168.219.40 as-number 64513 
peer 192.168.219.20 reflect-client
peer 192.168.219.40 reflect-client

display bgp peer
display bgp ip-routing
display ip interface br
display ip routing-table

按如上配置好后R1和R2， 并且配置好两朵云后， 在R2上ping 10.30.81.118是可以成功的了， 并且我们也可以观察到R1和R2已经建立起了EBGP关系。但是从R2上ping k8s集群的任何一台主机都不通， 而是会报host unreachable， 因为k8s节点主机上并没有回程路由， 它们并不知道将icmp的replay包发往往R1， 因此需要在三台主机上添加路由

# 此时添加如下路由也不会有效, 因为从R2上发出来的ping包源ip不是192.1168.219.0/24网段的
route add -n 192.168.219.0/24 gw 10.30.81.118 dev ens33
echo route add -n 192.168.219.0/24 gw 10.30.81.118 dev ens33 >> /etc/rc.local
ip route add 192.168.219.0/24 via 10.30.81.118 dev ens33

# 添加如下路由才会在R2上ping通现有k8s集群节点。 可以在ping通后删除掉, 因为R2只是中间节点而已
route add -n 20.20.20.0/24 gw 10.30.81.118 dev ens33
route add -n 30.30.30.0/24 gw 10.30.81.118 dev ens33

在k8s所有节点添加了如上的路由就可以在R2上ping通所有的k8s节点了

新机器加入k8s集群

创建虚机并配置它的网络为nat模式，配置它们的网卡和路由， 注意不要让它们有10.30.81.0/24网段的路由指向vmnet8。网卡配置如下

# 网卡配置如下
[root@k8s-node4 ~]# cat ifcfg-ens33
TYPE=Ethernet
DNS1=8.8.8.8
IPADDR=192.168.219.40
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.219.10
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
NAME=ens33
UUID=6ef9b5bf-31c1-43b9-89d6-b8e89ab3c9c3
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes

# 下面的路由可以不加
route add -net 10.30.81.0/24 gw 192.168.219.10 dev ens33

之后就是节点加入k8s的准备

  1. 系统配置， 如下

    echo "Stop Firewalld"
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
sed -ie 's/SELINUX=enforcing/SELINUX=disabled/g' /etc/selinux/config
setenforce 0

echo "net.ipv4.ip_forward = 1" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1" >>/etc/sysctl.conf
echo "net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1" >>/etc/sysctl.conf
echo "net.bridge.bridge-nf-call-arptables = 1" >>/etc/sysctl.conf
swapoff -a
echo swapoff -a >> /etc/rc.local
sysctl  -p

  2. 从已k8s集群节点中将kubeadm、kubelet、kubectl的二进制文件拷贝到/usr/bin目录下，设置kubelet开机自启，kubelet的配置如下

    [Unit]
Description=kubelet: The Kubernetes Node Agent
Documentation=https://kubernetes.io/docs/
Wants=network-online.target
After=network-online.target

[Service]
ExecStart=/usr/bin/kubelet --bootstrap-kubeconfig=/etc/kubernetes/bootstrap-kubelet.conf --kubeconfig=/etc/kubernetes/kubelet.conf --config=/var/lib/kubelet/config.yaml --network-plugin=cni --pod-infra-container-image=k8s.gcr.io/pause:3.2 --fail-swap-on=false
Restart=always
StartLimitInterval=0
RestartSec=10

[Install]
WantedBy=multi-user.target

  3. 安装docker

  4. 从已有k8s集群节点中将calico相关的容器镜像、kube-proxy镜像导出并给导入到新节点中。集群已经存在了， k8s控制平面的apiserver、etcd、controller-manager、scheduler镜像可以不拷到新节点。

  5. 使用kubeadm将新节点加入k8s集群

验证跨网段之间的通信是走了ensp网络的， 从k8s-master上跟踪到k8s-node3的路由路径， 下一跳中存在20.20.20.20为R2的接口

[root@k8s-master ~]# traceroute 192.168.219.20
traceroute to 192.168.219.20 (192.168.219.20), 30 hops max, 60 byte packets
 1  10.30.81.118 (10.30.81.118)  18.396 ms  79.412 ms  79.396 ms
 2  20.20.20.20 (20.20.20.20)  79.387 ms  79.380 ms  83.814 ms
 3  k8s-node3 (192.168.219.20)  108.104 ms  112.777 ms  117.847 ms

通过如上搭建出了5节点的跨网段k8s集群， 如下

[root@k8s-node4 ~]# kubectl get node  -o wide
NAME         STATUS   ROLES                  AGE   VERSION   INTERNAL-IP      
k8s-master   Ready    control-plane,master   45d   v1.20.0   10.30.81.127     
k8s-node1    Ready    <none>                 45d   v1.20.0   10.30.81.128     
k8s-node2    Ready    <none>                 9d    v1.20.0   10.30.81.130     
k8s-node3    Ready    <none>                 20h   v1.20.0   192.168.219.20   
k8s-node4    Ready    <none>                 20h   v1.20.0   192.168.219.40

calico配置bgp

配置bgp需要使用calicoctl工具， 自己准备好， 配置bgp主要分为以下步骤

  1. 确认calico部署是纯BGP模式

  2. 关闭BGP默认的full mesh模式

  3. 修改指定主机k8s-node3和k8s-node4的bgp as number值为64513

  4. 给所有主机打标签进行bgp as分组， 满足bpg peer选择特定的peer对等体

  5. 创建bgp peer， 通过第四步打的标签让rr client与rr建立ibgp关系

确认calico-node的如下两个配置为Never

- name: CALICO_IPV4POOL_IPIP
     value: "Never"
- name: CALICO_IPV4POOL_VXLAN
     value: "Never"

calico的bgp模式默认是full mesh的， 将其关闭

calicoctl get bgpconfiguration default -o yaml 
apiVersion: projectcalico.org/v3
items:
- apiVersion: projectcalico.org/v3
  kind: BGPConfiguration
  metadata:
    creationTimestamp: "2021-09-05T06:23:50Z"
    name: default
    resourceVersion: "555583"
    uid: 9438105f-cdd8-4315-8694-6d4885c76c85
  spec:
    logSeverityScreen: Info
    nodeToNodeMeshEnabled: false   # 修改为false后calicoctl apply -f bgpconfiguration.yaml
kind: BGPConfigurationList
metadata:
  resourceVersion: "580613"

将calico节点k8s-node3和k8s-node4的bgp as number设置为64513

calicoctl get node k8s-node3 -o yaml > node3.yaml
apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: Node
metadata:
  annotations:
    projectcalico.org/kube-labels: '{"beta.kubernetes.io/arch":"amd64","beta.kubernetes.io/os":"linux","kubernetes.io/arch":"amd64","kubernetes.io/hostname":"k8s-node3","kubernetes.io/os":"linux"}'
  creationTimestamp: "2021-09-04T14:03:35Z"
  labels:
    beta.kubernetes.io/arch: amd64
    beta.kubernetes.io/os: linux
    kubernetes.io/arch: amd64
    kubernetes.io/hostname: k8s-node3
    kubernetes.io/os: linux
  name: k8s-node3
  resourceVersion: "580885"
  uid: 64f44ad1-f537-43f3-9f0e-d5d5b80adba2
spec:
  addresses:
  - address: 192.168.219.20/24
    type: CalicoNodeIP
  - address: 192.168.219.20
    type: InternalIP
  bgp:
    asNumber: 64513                # 添加这一行
    ipv4Address: 192.168.219.20/24
  orchRefs:
  - nodeName: k8s-node3
    orchestrator: k8s
status:
  podCIDRs:
  - 10.244.4.0/24

给节点打标签

:'
 给as64512的节点打标签
'
kubectl label nodes k8s-master as-group=as64512
kubectl label nodes k8s-master as-id=as64512
kubectl label nodes k8s-node1 as-group=as64512
kubectl label nodes k8s-node1 as-id=as64512
kubectl label nodes k8s-node2 as-group=as64512
kubectl label nodes k8s-node2 as-id=as64512

:'
 给as64513的节点打标签
'
kubectl label nodes k8s-node3 as-group=as64513
kubectl label nodes k8s-node3 as-id=as64513
kubectl label nodes k8s-node4 as-group=as64513
kubectl label nodes k8s-node4 as-id=as64513

:'
 后面部署pod测试跨网段节点的pod间的通信使用
'
kubectl label nodes k8s-master node=master
kubectl label nodes k8s-node4 node=node4
kubectl label nodes k8s-node3 node=node3
kubectl label nodes k8s-node2 node=node2
kubectl label nodes k8s-node1 node=node1

创建calico的bgp peer实例， 因为在ensp配置部分已经在R1、R2上配置好了RR模式。在RR模式下我们选择将所有的k8s节点都作为rr的client， 因此同意as下的k8s节点间不需要再建立ibgp对等体关系，剩下的则让各自as的k8s节点分别和R1与R2建立ibgp关系即可

:'
 区域as64513的k8s节点与R2建立rr关系
'
vim as64513_r2_peer.yaml
apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: BGPPeer
metadata:
  name: as64513-to-r2-peer        ## 给BGPPeer取一个名称，方便识别
spec:
  nodeSelector: rr-id == 'as64513'   ## 通过节点选择器添加有rr-id == 'as64513'标签的节点
  peerIP: 192.168.219.10             
  asNumber: 64513                 


:'
 区域as64512的k8s节点与R1建立rr关系
'
vim as64512_r1_peer.yaml
apiVersion: projectcalico.org/v3
kind: BGPPeer
metadata:
  name: as64512-to-r1-peer        ## 给BGPPeer取一个名称，方便识别
spec:
  nodeSelector: rr-id == 'as64512'   ## 通过节点选择器添加有rr-id == 'as64512'标签的节点
  peerIP: 10.30.81.118             
  asNumber: 64512

calicoctl apply -f as64512_r1_peer.yaml
calicoctl apply -f as64513_r2_peer.yaml

验证bgp路由宣告和pod间通信

使用标签在各个节点行创建pod， 然后找跨网端的两台主机的pod进行ping通信并抓包。创建pod

mkdir test_pod
cd test_pod

vim master.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: master
spec:
  containers:
  - name: master
    image: larioy/nettool:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  nodeSelector:
    node: master
    
sed s/master/node1/g master.yaml > node1.yaml
sed s/master/node2/g master.yaml > node2.yaml
sed s/master/node3/g master.yaml > node3.yaml
sed s/master/node4/g master.yaml > node4.yaml

ls -l | grep -v grep | grep yaml | awk '{print $9}' | xargs -I {} kubectl apply -f {}

看看创建出来的pod的分布情况

[root@k8s-master ~]# kubectl get pod -o wide
NAME     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE       
master   1/1     Running   0          4h17m   10.244.235.192   k8s-master 
node1    1/1     Running   0          4h17m   10.244.36.64     k8s-node1  
node2    1/1     Running   0          4h17m   10.244.169.129   k8s-node2  
node3    1/1     Running   0          4h17m   10.244.107.192   k8s-node3  
node4    1/1     Running   0          4h17m   10.244.122.64    k8s-node4

在bird客户端看看学习到的bgp路由， 在k8s-master节点上操作， 其自身pod子网段为：10.244.235.192/26

0ea9cfcb1f88f30d660e8817ea959543.png
rr路由宣告

在ensp网络的R1上其应该能学习到所有k8s节点的pod子网对应的子网段路由

49003df5c42e9f7d3fc095168b16d5e7.png
R1学习的bgp路由

接着通过跨网段节点的pod间通信抓包验证， as64512的k8s-master节点的pod master与as64513的k8s-node3的pod node3间通信抓包， 在R2上抓包

[root@k8s-master ~]# kubectl get pod -o wide | grep -E "node3|master" 
master   1/1     Running   0          29m   10.244.235.192   k8s-master
node3    1/1     Running   0          29m   10.244.107.192   k8s-node3 

[root@k8s-master ~]# kubectl exec -it master -- ping 10.244.107.192
PING 10.244.107.192 (10.244.107.192): 56 data bytes
64 bytes from 10.244.107.192: seq=0 ttl=60 time=49.314 ms
64 bytes from 10.244.107.192: seq=1 ttl=60 time=28.744 ms
64 bytes from 10.244.107.192: seq=2 ttl=60 time=48.422 ms
64 bytes from 10.244.107.192: seq=3 ttl=60 time=39.144 ms
64 bytes from 10.244.107.192: seq=4 ttl=60 time=32.472 ms
7c6d31b377ba86debc4ab327e6585eaf.png
R2抓包

如上跨节点k8s集群基于bgp实现了pod间的通信

手动维护bgp

实验过程中在ENSP部分有关R1/R2的bgp配置都是手工进行维护的， 针对每机架一个AS的部署模式， 怎么监控到一个AS内的主机的上下线， 然后自动的更新RR上client的信息。

bgp架构的思考

在本篇测试中只建立了"每机架作为一个独立as"架构的测试，该架构中最上层是采用交换机连接， 因此要求所有不同网段中的RR要建立其ebgp关系， 不一定要全互联但是要保证每个RR都可以从某一个RR学到其他剩余的RR宣告的BGP路由。"每机架作为一个独立AS"架构的另一种为最上层为路由器， 他们与所有RR都建立EBGP关系，这样在RR之间就不需要再建立BGP关系了。另外就是考虑路由条目变多后， 哪种架构更合适， 暂未涉及。

问题记录

  • ensp使用云无法找到vmnet8网卡问题， 重装winPcap，重装ensp， 路由和同网段主机突然不通了可能是网卡找不到...

  • ensp路由设备无效问题：见ensp界面右上角菜单查找帮助手册， 删掉页面上的所有设备重新注册， 还是失败考虑重装ensp...

  • workstation在nat模式下无法连接虚机：先查主机上vmnet8网卡的ip地址，在虚拟网络编辑器中设置nat时， 设置的nat范围需要和vmnet8的ip地址在同一网段且网关设置为vmnet8的ip

  • 新增k8s节点在安装必备的工具时可以先切换回桥接联网，然后再切换回nat， 然后在加入k8s集群

  • ensp部分网络配置不通可以直接在路由器R1和R2的两端接口处抓包， 分析哪段不通， 哪段接到请求但是没有响应

本文为原创投稿文章，文章原文：https://larioy.gst.monster/2021/09/05/k8s-ji-chong-cni-fang-an-jie-xi/calico/ensp-mo-ni-calico-kua-wang-duan-bgp-wang-luo/

参考资料

[1]

The AS Per Rack model: https://docs.projectcalico.org/reference/architecture/design/l3-interconnect-fabric

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