Calico BGP功能介绍：BIRD简介

Calico作为一种常用的Kubernetes网络插件，使用BGP协议对各节点的容器网络进行路由交换。本文是《Calico BGP功能介绍》系列的第一篇，介绍Calico所使用的BGP软件路由器——BIRD。

关于BGP协议，网上资料众多，在这里不再做介绍。另外，推荐《BGP in the datacenter》作为BGP应用的进阶阅读，另有中文翻译版本

BIRD

BIRD实际上是BIRD Internet Routing Daemon的缩写（禁止套娃），是一款可运行在Linux和其他类Unix系统上的路由软件，它实现了多种路由协议，比如BGP、OSPF、RIP等。

概念

BIRD会在内存中维护许多路由表，路由表根据不同的协议，通过与各种“其他事物”交换路由信息，来更新路由规则。这里说的“其他事物”可能是其他的路由表，也可能是外部的路由器，还可以是内核的某些API。

路由表

路由表（Routing tables）是BIRD的核心，一个路由表是内存中一组路由规则的集合，BIRD根据网络类型的不同会有多种路由表。默认情况下，BIRD有master4和master6两个默认的路由表，分别保存IPv4和IPv6路由规则。除此外，你也可以创建其他的路由表，比如在配置文件bird.conf中添加如下配置，创建一个IPv4的路由表my_table。

ipv4 table my_table;

要注意的是，BIRD的路由表仅仅是一个表，并没有转发的功能，真正的转发控制，是内核的FIB（Forwarding Information Base）。而BIRD的kernel协议，可以将BIRD路由表与FIB进行同步，后面会介绍。

路由规则中包含了各种路由属性（Route attributes），网络类型不同的路由表，其路由属性也不太一样，比如常见的IPv4和IPv6的路由表，会包括两个路由属性：

  • 路由目的地
  • 路由下一跳

而VPN路由表还会包含路由属性：路由标识符（Route distinguisher）。

BIRD的每种表都会将一个或一组路由属性作为主键，类似于SQL数据库。当多个来源都提供了相同主键的路由条目时，BIRD会根据一定的规则选择最优路由。例如IPv4和IPv6类型的路由表，将“路由目的地”作为主键。

协议与通道

协议（Protocols）将路由表和“其他事物”连接起来。“其他事物”可以是一个Socket对象，连接了外部的路由器，例如BGP路由协议；也可以是修改FIB的内核API，例如kernel协议；也可以是空，比如静态路由static协议。一个协议可以实例化为多个对象，例如创建多个BGP协议的实例，以表示多个BGP邻居。

协议也会提供一些路由属性，根据协议的不同路由属性也不同，比如使用BGP协议时，会有bgp_path属性。

协议可能包含一些通道（Channels），通道是在协议和路由表之间，配置了路由规则在导入（import)）、导出（export）两个方向上的行为，导入导出是针对路由表来说的，路由规则经过通道后，或是被接收（Accept），或是被拒绝（Reject），或是被修改。不同的协议可拥有的通道也不一样，例如BGP协议可以同时拥有IPv4和IPv6通道，RIP只能拥有IPv4或IPv6一种协议，而BFD则没有通道。

下面是根据官网样例修改而来的配置，实例化了一个名为peer_one的BGP协议，并且设置了ipv4和ipv6两个通道，两个通道都未指明连接的路由表，则使用默认的master4与master6路由表。其中在ipv4 通道中，导入方向配置为全部接收，导出方向上只导出静态路由，同时还会对路由规则的BGP信息进行修改：修改bgp community，修改bgp path；在ipv6通道上，则直接使用默认配置。

protocol bgp peer_one {
        local 198.51.100.14 as 65000;        # Use a private AS number
        neighbor 198.51.100.130 as 64496;    # Our neighbor ...
        ipv4 {
                export filter {                      # We use non-trivial export rules
                        if source = RTS_STATIC then { # Export only static routes
                                # Assign our community
                                bgp_community.add((65000,64501));
                                # Artificially increase path length
                                # by advertising local AS number twice
                                if bgp_path ~ [= 65000 =] then
                                        bgp_path.prepend(65000);
                                accept;
                        }
                        reject;
                };
                import all;
        };
        ipv6;
}

主要功能

模板

在BIRD中，可以定义模板（template），通过模板来创建一个协议的多个实例。模板在使用BGP协议时非常好用，因为BGP通常都会设置多个BGP Peer。例如下面配置，通过模板提取出共用的配置，然后利用模板创建多个BGP邻居。

template bgp foo {
        local 198.51.100.14 as 65000;

        ipv4 {
                table mytable4;
                import filter { ... };
                export none;
        };
        ipv6 {
                table mytable6;
                import filter { ... };
                export none;
        };
}

protocol bgp bgp1 from foo {
        neighbor 198.51.100.130 as 64496;
}

protocol bgp bgp2 from foo {
        neighbor 198.51.100.131 as 64496;
}

过滤器

过滤器（Filters）在上面的用例中已经出现了多次，通过在通道中添加过滤器，可以灵活地控制路由规则的交换。在过滤器中，你可以像访问变量一样直接使用各种路由属性，来编写各种判断条件，以决定对路由规则是ACCEPT还是REJECT，或是直接对路由属性进行修改。

为了便于复用，还可以以函数的形式定义一个过滤器，使用时在相应的通道中直接调用。需要注意的是，编写过滤器需要使用BIRD提供的专门的编程语言，它提供了一些例如if、switch的简单控制结构，但不允许有循环出现。同时，除了int、string这些基础的数据结构外，它还提供了例如bgppatch、bgpmask等这种表示路由规则中某些信息的数据结构。例如下面定义了一个名为not_too_far的过滤器，丢弃掉rip_metric大于10的路由规则，可以通过import filter not_too_far直接调用此函数。

filter not_too_far
int var;
{
        if defined( rip_metric ) then
                var = rip_metric;
        else {
                var = 1;
                rip_metric = 1;
        }
        if rip_metric > 10 then
                reject "RIP metric is too big";
        else
                accept "ok";
}

常见协议

这里只介绍Calico中使用到的几种协议，以及用到的协议属性。

device

准确来说，device并不算是一个协议，它不产生任何路由，也不支持通道，而是被用来从内核中获取网卡设备的信息。每个bird.conf的配置文件中，都应定义一个device。

protocol device {
        scan time 10;           # Scan the interfaces often
        interface "eth0" {
                preferred 192.168.1.1;
                preferred 2001:db8:1:10::1;
        };
}

上面配置定义了BIRD每10s扫描一遍eth0网卡，同时定义了首选的IP地址。

kernel

kernel也不算真正的协议，它负责同步路由表与内核。如果内核支持多个内核路由表，那么可以创建多个kernel实例，否则只需要创建一个kernel实例。kernel协议有两个限制：

  • 不能将多个kernel实例都连接到同一个路由表上
  • 不能修改导出（export）路由规则的目标地址

一些主要的参数包括：

  • learn switch，开启后路由表可以从内核中学习到非内核生成（其他方式添加）的路由。“内核生成的路由”指的是由于本机网络的配置而产生的路由，比如eth0在被分配192.168.1.2/24后，会自动产生一条目的地为192.168.1.0/24，下一跳为eth0的路由。需要注意的是，即使是开启learn，kernel也不会将这些路由从内核导入（import）路由表，这种路由的传递需要使用到direct协议。（switch表示on和off两种值，下面相同）
  • persist switch，BIRD退出时，在内核保留同步的路由（即不会进行clean up操作）。
  • scan time number，同步间隔，单位秒
# 同步master4、master6路由表与主FIB，并在退出后保持同步的路由
protocol kernel {
    learn;
    persist;
}

direct

如上面所述，direct用于将内核生成的路由规则从内核导入到BIRD路由表中，可用的参数包括：

  • interface pattern [, ...]，用于指定传递由哪些网卡生成的路由规则，默认是全部网卡
  • check link switch，开启后会考虑link的状态，当link状态为up时，传递路由，否则，撤销传递的路由
# 同步除了eth0以外的其他网卡
protocol direct {
  interface -"eth0", "*"; 
}

BGP

每一个BGP协议的实例，代表了一个BGP Peer连接。需要注意的是，部分参数的默认值对IBGP与EBGP并不相同，例如aigp默认在IBGP中是开启的，默认在EBGP是关闭的。协议的主要参数包括：

  • local [ip] [port number] [as number]，可以用来指定BGP的源IP地址以及本地的AS。
  • multihop [number]，表示多跳的BGP，后面的number可以用来设置TTL的值，IBGP默认开启；相反的，还有个参数为direct，表示与BGP邻居直连，EBGP默认开启。
  • source address ip，用来指定本端使用的BGP源地址。
  • add paths switch|rx|tx，开启时，会将 BGP 配置为向同一目标通告多个路径，否则 BGP 仅通告活动路径。
  • password string ，使用设置的密码进行BGP的身份验证。
  • rr client，开启RR模式（Route Reflector）。
  • rr cluster id IPv4 address，设置RR的cluster id，以防止路由环路。默认情况下，会直接使用BGP的router id（一般是ipv4地址）作为cluster id，当有多个RR时，需要使用此参数设置相同的cluster id。
  • bfd switch|graceful，使用BFD作为BGP协议心跳机制。
  • passive switch，被动模式，不主动初始化连接，而是等待其他BGP邻居发起连接。

以上是协议一层的配置参数，在BGP协议中，通道也会有额外的参数，例如：

  • gateway direct|recursive，用来控制如何计算路由的gw属性。当设置为direct时，如果路由中的bgp_next_hop是和本机中的某个地址同一子网（同一个二层），则gw直接为bgp_next_hop，否则为对端BGP Peer的IP地址；当设置为recursive时，会从IGP路由表中查询bgp_next_hop来作为gw。
  • next hop keep switch|ibgp|ebgp，开启后，BGP不再将next hop属性修改为自身，而是直接通告原始的next hop，这个参数在多跳的EBGP场景或BGP路由反射中会使用到。

参考文档

BIRD官方手册