云原生负载均衡器之 OpenELB 使用指南

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本文转自 TinyChen 的博客，原文：https://tinychen.com/20220523-k8s-07-loadbalancer-openelb/，版权归原作者所有。欢迎投稿，投稿请添加微信好友：cloud-native-yang

本文主要在 k8s 原生集群上部署 v0.4.4 版本的 OpenELB 作为 k8s 的 LoadBalancer，主要涉及 OpenELB 的 Layer2 模式和 BGP 模式两种部署方案。由于 BGP 的相关原理和配置比较复杂，这里仅涉及简单的 BGP 配置。

文中使用的 k8s 集群是在 CentOS7 系统上基于 docker 和 calico 组件部署 v1.23.6 版本，此前写的一些关于 k8s 基础知识和集群搭建的一些方案^[1]，有需要的同学可以看一下。

工作原理

简介

OpenELB 是一个开源的云原生负载均衡器实现，可以在基于裸金属服务器、边缘以及虚拟化的 Kubernetes 环境中使用 LoadBalancer 类型的 Service 对外暴露服务。OpenELB 项目最初由 KubeSphere 社区^[2] 发起，目前已作为 CNCF 沙箱项目^[3] 加入 CNCF 基金会，由 OpenELB 开源社区维护与支持。

与 MetalLB 类似，OpenELB 也拥有两种主要工作模式：Layer2 模式和 BGP 模式。OpenELB 的 BGP 模式目前暂不支持 IPv6。

无论是 Layer2 模式还是 BGP 模式，核心思路都是通过某种方式将特定 VIP 的流量引到 k8s 集群中，然后再通过 kube-proxy 将流量转发到后面的特定服务。

Layer2 模式

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Layer2 模式需要我们的 k8s 集群基础环境支持发送 anonymous ARP/NDP packets。因为 OpenELB 是针对裸金属服务器设计的，因此如果是在云环境中部署，需要注意是否满足条件。

下图来自OpenELB 官方^[4]，这里简单阐述一下 Layer2 模式的工作原理：

• 图中有一个类型为 LoadBalancer 的 Service，其 VIP 为 192.168.0.91（和 k8s 的节点相同网段），后端有两个 pod（分别为 pod1 和 pod2）
• 安装在 Kubernetes 集群中的 OpenELB 随机选择一个节点（图中为 worker 1）来处理 Service  请求。当局域网中出现 arp request 数据包来查询 192.168.0.91 的 mac 地址的时候，OpenELB 会进行回应（使用 worker 1 的 MAC 地址），此时路由器（也可能是交换机）将 Service 的 VIP 192.168.0.91 和 worker 1 的 MAC  地址绑定，之后所有请求到 192.168.0.91 的数据包都会被转发到 worker1 上
• Service 流量到达 worker 1 后， worker 1 上的 kube-proxy 将流量转发到后端的两个 pod 进行负载均衡，这些 pod 不一定在 work1 上

主要的工作流程就如同上面描述的一般，但是还有几个需要额外注意的点：

• 如果 worker 1 出现故障，OpenELB 会重新向路由器发送 APR/NDP 数据包，将 Service IP 地址映射到 worker 2 的 MAC 地址，Service 流量切换到 worker 2
• 主备切换过程并不是瞬间完成的，中间会产生一定时间的服务中断（具体多久官方也没说，实际上应该是却决于检测到节点宕机的时间加上重新选主的时间）
• 如果集群中已经部署了多个 openelb-manager 副本，OpenELB 使用 Kubernetes 的领导者选举特性算法来进行选主，从而确保只有一个副本响应 ARP/NDP 请求

BGP 模式

OpenELB 的 BGP 模式使用的是gobgp^[5]实现的 BGP 协议，通过使用 BGP 协议和路由器建立 BGP 连接并实现 ECMP 负载均衡，从而实现高可用的 LoadBalancer。

我们还是借用官网的图^[6]来解释一下这个流程，注意 BGP 模式暂不支持 IPv6。

• 图中有一个类型为 LoadBalancer 的 Service，其 VIP 为 172.22.0.2（和 k8s 的节点不同网段），后端有两个 pod（分别为 pod1 和 pod2）
• 安装在 Kubernetes 集群中的 OpenELB 与 BGP 路由器建立 BGP 连接，并将去往 172.22.0.2  的路由发布到 BGP 路由器，在配置得当的情况下，路由器上面的路由表可以看到 172.22.0.2  这个 VIP 的下一条有多个节点（均为 k8s 的宿主机节点）
• 当外部客户端机器尝试访问 Service 时，BGP 路由器根据从 OpenELB 获取的路由，在 master、worker 1 和  worker 2 节点之间进行流量负载均衡。Service 流量到达一个节点后，该节点上的 kube-proxy  将流量转发到后端的两个 pod 进行负载均衡，这些 pod 不一定在该节点上

Layer2 Mode

配置 ARP 参数

部署 Layer2 模式需要把 k8s 集群中的 ipvs 配置打开strictARP^[7]，开启之后 k8s 集群中的 kube-proxy 会停止响应 kube-ipvs0 网卡之外的其他网卡的 arp 请求，而由 OpenELB 接手处理。

strict ARP 开启之后相当于把 将 arp_ignore 设置为 1 并将 arp_announce 设置为 2 启用严格的 ARP，这个原理和 LVS 中的 DR 模式对 RS 的配置一样，可以参考之前的文章中的解释^[8]。

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strict ARP configure arp_ignore and arp_announce to avoid answering ARP queries from kube-ipvs0 interface

# 查看kube-proxy中的strictARP配置
$ kubectl get configmap -n kube-system kube-proxy -o yaml | grep strictARP
      strictARP: false

# 手动修改strictARP配置为true
$ kubectl edit configmap -n kube-system kube-proxy
configmap/kube-proxy edited

# 使用命令直接修改并对比不同
$ kubectl get configmap kube-proxy -n kube-system -o yaml | sed -e "s/strictARP: false/strictARP: true/" | kubectl diff -f - -n kube-system

# 确认无误后使用命令直接修改并生效
$ kubectl get configmap kube-proxy -n kube-system -o yaml | sed -e "s/strictARP: false/strictARP: true/" | kubectl apply -f - -n kube-system

# 重启kube-proxy确保配置生效
$ kubectl rollout restart ds kube-proxy -n kube-system

# 确认配置生效
$ kubectl get configmap -n kube-system kube-proxy -o yaml | grep strictARP
      strictARP: true

部署 openelb

这里我们还是使用 yaml 进行部署，官方把所有部署的资源整合到了一个文件中，我们还是老规矩先下载到本地再进行部署

$ wget https://raw.githubusercontent.com/openelb/openelb/master/deploy/openelb.yaml

$ kubectl apply -f openelb.yaml
namespace/openelb-system created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/bgpconfs.network.kubesphere.io created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/bgppeers.network.kubesphere.io created
customresourcedefinition.apiextensions.k8s.io/eips.network.kubesphere.io created
serviceaccount/kube-keepalived-vip created
serviceaccount/openelb-admission created
role.rbac.authorization.k8s.io/leader-election-role created
role.rbac.authorization.k8s.io/openelb-admission created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/kube-keepalived-vip created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/openelb-admission created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/openelb-manager-role created
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/leader-election-rolebinding created
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/openelb-admission created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/kube-keepalived-vip created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/openelb-admission created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/openelb-manager-rolebinding created
service/openelb-admission created
deployment.apps/openelb-manager created
job.batch/openelb-admission-create created
job.batch/openelb-admission-patch created
mutatingwebhookconfiguration.admissionregistration.k8s.io/openelb-admission created
validatingwebhookconfiguration.admissionregistration.k8s.io/openelb-admission created

接下来我们看看都部署了什么 CRD 资源，这几个 CRD 资源主要就是方便我们管理 openelb，这也是 OpenELB 相对 MetalLB 的优势。

$ kubectl get crd
NAME                             CREATED AT
bgpconfs.network.kubesphere.io   2022-05-19T06:37:19Z
bgppeers.network.kubesphere.io   2022-05-19T06:37:19Z
eips.network.kubesphere.io       2022-05-19T06:37:19Z

$ kubectl get ns openelb-system -o wide
NAME             STATUS   AGE
openelb-system   Active   2m27s

实际上主要工作的负载就是这两个 jobs.batch 和这一个 deployment

$ kubectl get pods -n openelb-system
NAME                               READY   STATUS      RESTARTS   AGE
openelb-admission-create-57tzm     0/1     Completed   0          5m11s
openelb-admission-patch-j5pl4      0/1     Completed   0          5m11s
openelb-manager-5cdc8697f9-h2wd6   1/1     Running     0          5m11s

$ kubectl get deploy -n openelb-system
NAME              READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
openelb-manager   1/1     1            1           5m38s

$ kubectl get jobs.batch -n openelb-system
NAME                       COMPLETIONS   DURATION   AGE
openelb-admission-create   1/1           11s        11m
openelb-admission-patch    1/1           12s        11m

创建 EIP

接下来我们需要配置 loadbalancerIP 所在的网段资源，这里我们创建一个 Eip 对象来进行定义，后面对 IP 段的管理也是在这里进行。

apiVersion: network.kubesphere.io/v1alpha2
kind: Eip
metadata:
    # Eip 对象的名称。
    name: eip-layer2-pool
spec:
    # Eip 对象的地址池
    address: 10.31.88.101-10.31.88.200

    # openELB的运行模式，默认为bgp
    protocol: layer2

    # OpenELB 在其上侦听 ARP/NDP 请求的网卡。该字段仅在protocol设置为时有效layer2。
    interface: eth0

    # 指定是否禁用 Eip 对象
    # false表示可以继续分配
    # true表示不再继续分配
    disable: false
    
status:

    # 指定 Eip 对象中的IP地址是否已用完。
    occupied: false

    # 指定 Eip 对象中有多少个 IP 地址已分配给服务。
    # 直接留空，系统会自动生成
    usage: 

    # Eip 对象中的 IP 地址总数。
    poolSize: 100

    # 指定使用的 IP 地址和使用 IP 地址的服务。服务以Namespace/Service name格式显示（例如，default/test-svc）。
    # 直接留空，系统会自动生成
    used: 

    # Eip 对象中的第一个 IP 地址。
    firstIP: 10.31.88.101
    # Eip 对象中的最后一个 IP 地址。
    lastIP: 10.31.88.200

    ready: true
    # 指定IP协议栈是否为 IPv4。目前，OpenELB 仅支持 IPv4，其值只能是true.
    v4: true

配置完成后我们直接部署即可

$ kubectl apply -f openelb/openelb-eip.yaml
eip.network.kubesphere.io/eip-layer2-pool created

部署完成后检查 eip 的状态

$ kubectl get eip
NAME              CIDR                        USAGE   TOTAL
eip-layer2-pool   10.31.88.101-10.31.88.200           100

创建测试服务

然后我们创建对应的服务

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: nginx-quic

---

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-lb
  namespace: nginx-quic
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-lb
  replicas: 4
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-lb
    spec:
      containers:
      - name: nginx-lb
        image: tinychen777/nginx-quic:latest
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80

---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-lb-service
  namespace: nginx-quic
spec:
  allocateLoadBalancerNodePorts: false
  externalTrafficPolicy: Cluster
  internalTrafficPolicy: Cluster
  selector:
    app: nginx-lb
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80 # match for service access port
    targetPort: 80 # match for pod access port
  type: LoadBalancer
 

---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-lb2-service
  namespace: nginx-quic
spec:
  allocateLoadBalancerNodePorts: false
  externalTrafficPolicy: Cluster
  internalTrafficPolicy: Cluster
  selector:
    app: nginx-lb
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80 # match for service access port
    targetPort: 80 # match for pod access port
  type: LoadBalancer
  
---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-lb3-service
  namespace: nginx-quic
spec:
  allocateLoadBalancerNodePorts: false
  externalTrafficPolicy: Cluster
  internalTrafficPolicy: Cluster
  selector:
    app: nginx-lb
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80 # match for service access port
    targetPort: 80 # match for pod access port
  type: LoadBalancer

然后我们检查部署状态：

$ kubectl apply -f nginx-quic-lb.yaml
namespace/nginx-quic unchanged
deployment.apps/nginx-lb created
service/nginx-lb-service created
service/nginx-lb2-service created
service/nginx-lb3-service created

$ kubectl get svc -n nginx-quic
NAME                 TYPE           CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP    PORT(S)        AGE
nginx-lb-service     LoadBalancer   10.88.17.248   10.31.88.101   80:30643/TCP   58m
nginx-lb2-service    LoadBalancer   10.88.13.220   10.31.88.102   80:31114/TCP   58m
nginx-lb3-service    LoadBalancer   10.88.18.110   10.31.88.103   80:30485/TCP   58m

此时我们再查看 eip 的状态可以看到新部署的三个 LoadBalancer 服务：

$ kubectl get eip
NAME              CIDR                        USAGE   TOTAL
eip-layer2-pool   10.31.88.101-10.31.88.200   3       100

[root@tiny-calico-master-88-1 tiny-calico]# kubectl get eip -o yaml
apiVersion: v1
items:
- apiVersion: network.kubesphere.io/v1alpha2
  kind: Eip
  metadata:
    annotations:
      kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration: |
        {"apiVersion":"network.kubesphere.io/v1alpha2","kind":"Eip","metadata":{"annotations":{},"name":"eip-layer2-pool"},"spec":{"address":"10.31.88.101-10.31.88.200","disable":false,"interface":"eth0","protocol":"layer2"},"status":{"firstIP":"10.31.88.101","lastIP":"10.31.88.200","occupied":false,"poolSize":100,"ready":true,"usage":1,"used":{"10.31.88.101":"nginx-quic/nginx-lb-service"},"v4":true}}
    creationTimestamp: "2022-05-19T08:21:58Z"
    finalizers:
    - finalizer.ipam.kubesphere.io/v1alpha1
    generation: 2
    name: eip-layer2-pool
    resourceVersion: "1623927"
    uid: 9b091518-7b64-43ae-9fd4-abaf50563160
  spec:
    address: 10.31.88.101-10.31.88.200
    interface: eth0
    protocol: layer2
  status:
    firstIP: 10.31.88.101
    lastIP: 10.31.88.200
    poolSize: 100
    ready: true
    usage: 3
    used:
      10.31.88.101: nginx-quic/nginx-lb-service
      10.31.88.102: nginx-quic/nginx-lb2-service
      10.31.88.103: nginx-quic/nginx-lb3-service
    v4: true
kind: List
metadata:
  resourceVersion: ""
  selfLink: ""

关于 nodeport

openELB 似乎并不支持 allocateLoadBalancerNodePorts 字段，在指定了 allocateLoadBalancerNodePorts 为 false 的情况下还是为服务创建了 nodeport，查看部署后的配置可以发现参数被修改回了 true，并且无法修改为 false。

[root@tiny-calico-master-88-1 tiny-calico]# kubectl get svc -n nginx-quic
NAME                 TYPE           CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP    PORT(S)        AGE
nginx-lb-service     LoadBalancer   10.88.17.248   10.31.88.101   80:30643/TCP   106m
nginx-lb2-service    LoadBalancer   10.88.13.220   10.31.88.102   80:31114/TCP   106m
nginx-lb3-service    LoadBalancer   10.88.18.110   10.31.88.113   80:30485/TCP   106m

[root@tiny-calico-master-88-1 tiny-calico]# kubectl get svc -n nginx-quic nginx-lb-service -o yaml | grep "allocateLoadBalancerNodePorts:"
  allocateLoadBalancerNodePorts: true

关于 VIP

如何查找 VIP

Layer2 模式下，所有的 k8s 节点的 kube-ipvs0 接口上都会看到所有的 VIP，因此确定 VIP 的节点还是和 MetalLB 一样，需要通过查看 pod 中的日志，或者是看 arp 表来确定

$ kubectl logs -f -n  openelb-system openelb-manager-5cdc8697f9-h2wd6
...省略一堆日志输出...
{"level":"info","ts":1652949142.6426723,"logger":"IPAM","msg":"assignIP","args":{"Key":"nginx-quic/nginx-lb3-service","Addr":"10.31.88.113","Eip":"eip-layer2-pool","Protocol":"layer2","Unalloc":false},"result":{"Addr":"10.31.88.113","Eip":"eip-layer2-pool","Protocol":"layer2","Sp":{}},"err":null}
{"level":"info","ts":1652949142.65095,"logger":"arpSpeaker","msg":"map ingress ip","ingress":"10.31.88.113","nodeIP":"10.31.88.1","nodeMac":"52:54:00:74:eb:11"}
{"level":"info","ts":1652949142.6509972,"logger":"arpSpeaker","msg":"send gratuitous arp packet","eip":"10.31.88.113","nodeIP":"10.31.88.1","hwAddr":"52:54:00:74:eb:11"}
{"level":"info","ts":1652949142.6510363,"logger":"arpSpeaker","msg":"send gratuitous arp packet","eip":"10.31.88.113","nodeIP":"10.31.88.1","hwAddr":"52:54:00:74:eb:11"}
{"level":"info","ts":1652949142.6849823,"msg":"setup openelb service","service":"nginx-quic/nginx-lb3-service"}

查看 arp 表来确定 MAC 地址从而确定 VIP 所在的节点

$ ip neigh  | grep 10.31.88.113
10.31.88.113 dev eth0 lladdr 52:54:00:74:eb:11 STALE
$ arp -a | grep 10.31.88.113
? (10.31.88.113) at 52:54:00:74:eb:11 [ether] on eth0

如何指定 VIP

如果需要指定 VIP，我们还是在 service 中修改 loadBalancerIP 字段从而指定 VIP：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-lb3-service
  namespace: nginx-quic
  annotations:
    lb.kubesphere.io/v1alpha1: openelb
    protocol.openelb.kubesphere.io/v1alpha1: layer2
    eip.openelb.kubesphere.io/v1alpha2: eip-layer2-pool
spec:
  allocateLoadBalancerNodePorts: true
  externalTrafficPolicy: Cluster
  internalTrafficPolicy: Cluster
  selector:
    app: nginx-lb
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80 # match for service access port
    targetPort: 80 # match for pod access port
  type: LoadBalancer
  # 使用 loadBalancerIP 字段从而指定VIP
  loadBalancerIP: 10.31.88.113

修改完成之后我们重新部署，openelb 会自动生效并且将服务的 EXTERNAL-IP 变更为新 IP。

$ kubectl get svc -n nginx-quic -o wide
NAME                 TYPE           CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP    PORT(S)        AGE     SELECTOR
nginx-lb-service     LoadBalancer   10.88.17.248   10.31.88.101   80:30643/TCP   18h     app=nginx-lb
nginx-lb2-service    LoadBalancer   10.88.13.220   10.31.88.102   80:31114/TCP   18h     app=nginx-lb
nginx-lb3-service    LoadBalancer   10.88.18.110   10.31.88.113   80:30485/TCP   18h     app=nginx-lb

Layer2 工作原理

我们查看 pod 的日志，可以看到更多的详细信息：

$ kubectl logs -f -n  openelb-system openelb-manager-5cdc8697f9-h2wd6
...省略一堆日志输出...
{"level":"info","ts":1652950197.1421876,"logger":"arpSpeaker","msg":"got ARP request, sending response","interface":"eth0","ip":"10.31.88.101","senderIP":"10.31.254.250","senderMAC":"6c:b1:58:56:e9:d4","responseMAC":"52:54:00:56:df:ae"}
{"level":"info","ts":1652950496.9334905,"logger":"arpSpeaker","msg":"got ARP request, sending response","interface":"eth0","ip":"10.31.88.102","senderIP":"10.31.254.250","senderMAC":"6c:b1:58:56:e9:d4","responseMAC":"52:54:00:74:eb:11"}
{"level":"info","ts":1652950497.1327593,"logger":"arpSpeaker","msg":"got ARP request, sending response","interface":"eth0","ip":"10.31.88.113","senderIP":"10.31.254.250","senderMAC":"6c:b1:58:56:e9:d4","responseMAC":"52:54:00:74:eb:11"}
{"level":"info","ts":1652950497.1528928,"logger":"arpSpeaker","msg":"got ARP request, sending response","interface":"eth0","ip":"10.31.88.101","senderIP":"10.31.254.250","senderMAC":"6c:b1:58:56:e9:d4","responseMAC":"52:54:00:56:df:ae"}
{"level":"info","ts":1652950796.9339302,"logger":"arpSpeaker","msg":"got ARP request, sending response","interface":"eth0","ip":"10.31.88.102","senderIP":"10.31.254.250","senderMAC":"6c:b1:58:56:e9:d4","responseMAC":"52:54:00:74:eb:11"}
{"level":"info","ts":1652950797.1334393,"logger":"arpSpeaker","msg":"got ARP request, sending response","interface":"eth0","ip":"10.31.88.113","senderIP":"10.31.254.250","senderMAC":"6c:b1:58:56:e9:d4","responseMAC":"52:54:00:74:eb:11"}
{"level":"info","ts":1652950797.1572392,"logger":"arpSpeaker","msg":"got ARP request, sending response","interface":"eth0","ip":"10.31.88.101","senderIP":"10.31.254.250","senderMAC":"6c:b1:58:56:e9:d4","responseMAC":"52:54:00:56:df:ae"}

可以看到 openelb-manager 会持续的监听局域网中的 ARP request 请求，当遇到请求的 IP 是自己 IP 池里面已经使用的 VIP 时会主动响应。如果 openelb-manager 存在多个副本的时候，它们会先使用 k8s 的选主算法来进行选主，然后再由选举出来的主节点进行 ARP 报文的响应。

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• In Layer 2 mode, OpenELB uses the leader election feature of  Kubernetes to ensure that only one replica responds to ARP/NDP requests.

OpenELB-manager 高可用

默认情况下，openelb-manager 只会部署一个副本，对于可用性要求较高的生产环境可能无法满足需求，官方也给出了部署多个副本^[9]的教程。

官方教程的方式是推荐通过给节点添加 label 的方式来控制副本的部署数量和位置，这里我们将其配置为每个节点都运行一个服务（类似于 daemonset）。首先我们给需要部署的节点打上 labels。

# 我们给集群内的三个节点都打上label
$ kubectl label --overwrite nodes tiny-calico-master-88-1.k8s.tcinternal tiny-calico-worker-88-11.k8s.tcinternal tiny-calico-worker-88-12.k8s.tcinternal lb.kubesphere.io/v1alpha1=openelb


# 查看当前节点的labels
$ kubectl get nodes -o wide --show-labels=true | grep openelb
tiny-calico-master-88-1.k8s.tcinternal    Ready    control-plane,master   16d   v1.23.6   10.31.88.1    <none>        CentOS Linux 7 (Core)   3.10.0-1160.62.1.el7.x86_64   docker://20.10.14   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=tiny-calico-master-88-1.k8s.tcinternal,kubernetes.io/os=linux,lb.kubesphere.io/v1alpha1=openelb,node-role.kubernetes.io/control-plane=,node-role.kubernetes.io/master=,node.kubernetes.io/exclude-from-external-load-balancers=
tiny-calico-worker-88-11.k8s.tcinternal   Ready    <none>                 16d   v1.23.6   10.31.88.11   <none>        CentOS Linux 7 (Core)   3.10.0-1160.62.1.el7.x86_64   docker://20.10.14   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=tiny-calico-worker-88-11.k8s.tcinternal,kubernetes.io/os=linux,lb.kubesphere.io/v1alpha1=openelb
tiny-calico-worker-88-12.k8s.tcinternal   Ready    <none>                 16d   v1.23.6   10.31.88.12   <none>        CentOS Linux 7 (Core)   3.10.0-1160.62.1.el7.x86_64   docker://20.10.14   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=tiny-calico-worker-88-12.k8s.tcinternal,kubernetes.io/os=linux,lb.kubesphere.io/v1alpha1=openelb

然后我们先把副本的数量缩容到 0。

$ kubectl scale deployment openelb-manager --replicas=0 -n openelb-system

接着修改配置，在部署节点的 nodeSelector 字段中增加我们前面新加的 labels

$ kubectl get deployment openelb-manager -n openelb-system -o yaml
...略去一堆输出...
      nodeSelector:
        kubernetes.io/os: linux
        lb.kubesphere.io/v1alpha1: openelb
...略去一堆输出...

扩容副本数量到 3。

$ kubectl scale deployment openelb-manager --replicas=3 -n openelb-system

检查 deployment 状态

$ kubectl get po -n openelb-system -o wide
NAME                               READY   STATUS      RESTARTS   AGE   IP            NODE                                      NOMINATED NODE   READINESS GATES
openelb-admission-create-fvfzk     0/1     Completed   0          78m   10.88.84.89   tiny-calico-worker-88-11.k8s.tcinternal   <none>           <none>
openelb-admission-patch-tlmns      0/1     Completed   1          78m   10.88.84.90   tiny-calico-worker-88-11.k8s.tcinternal   <none>           <none>
openelb-manager-6457bdd569-6n9zr   1/1     Running     0          62m   10.31.88.1    tiny-calico-master-88-1.k8s.tcinternal    <none>           <none>
openelb-manager-6457bdd569-c6qfd   1/1     Running     0          62m   10.31.88.12   tiny-calico-worker-88-12.k8s.tcinternal   <none>           <none>
openelb-manager-6457bdd569-gh995   1/1     Running     0          62m   10.31.88.11   tiny-calico-worker-88-11.k8s.tcinternal   <none>           <none>

至此就完成了 openelb-manager 的高可用部署改造。

BGP Mode

IP	Hostname
10.31.88.1	tiny-calico-master-88-1.k8s.tcinternal
10.31.88.11	tiny-calico-worker-88-11.k8s.tcinternal
10.31.88.12	tiny-calico-worker-88-12.k8s.tcinternal
10.88.64.0/18	podSubnet
10.88.0.0/18	serviceSubnet
10.89.0.0/16	OpenELB-BGP-IPpool
10.31.254.251	BGP Router

这里路由器的 AS 号为 64512，OpenELB 的 AS 号为 64154。

创建 BGP 配置

这里我们需要创建两个 CRD，分别为BgpConf^[10]和BgpPeer^[11]，用来配置对端 BGP 路由器的信息和自己 OpenELB 的 BGP 配置。

• 需要特别注意的是 bgpconf 这里配置的监听端口，OpenELB 在默认情况下会同时监听 IPv4 和 IPv6 网络栈，因此需要确保集群开启了 IPv6 网络栈，否则会无法正确建立 BGP 连接。pod 内的报错日志类似 "listen tcp6 [::]:17900: socket: address family not supported by protocol"
• 如果 k8s 集群的 CNI 插件使用的是类似 calico 的 bgp 模式，已经使用了服务器的 179 端口，那么 listenPort 就要修改为其他端口避免冲突，这里我们修改为 17900 避免和集群的 calico 使用的 bird 冲突

apiVersion: network.kubesphere.io/v1alpha2

kind: BgpConf

metadata:
  # BgpConf 对象的名称，无需设置，因此openelb只认default，设置成别的会被忽略
  name: default

spec:
  # openelb 的ASN，必须与BgpPeer配置中的spec:conf:peerAS值不同。
  as: 64514

  # OpenELB 监听的端口。默认值为179（默认 BGP 端口号）。
  # 如果 Kubernetes 集群中的其他组件（例如 Calico）也使用 BGP 和 179 端口，则必须设置不同的值以避免冲突。
  listenPort: 17900

  # 本地路由器ID，通常设置为Kubernetes主节点的主网卡IP地址。
  # 如果不指定该字段，则使用openelb-manager所在节点的第一个IP地址。
  routerId: 10.31.88.1

---

apiVersion: network.kubesphere.io/v1alpha2

kind: BgpPeer

metadata:

  # BgpPeer 对象的名称
  name: bgppeer-openwrt-plus
spec:
  conf:
    # 对端BGP路由器的ASN，必须与BgpConf配置中的spec:as值不同。
    peerAs: 64512
    # 对端BGP路由器的IP
    neighborAddress: 10.31.254.251

  # 指定IP协议栈（IPv4/IPv6）。
  # 不用修改，因此目前，OpenELB 仅支持 IPv4。
  afiSafis:
    - config:
        family:
          afi: AFI_IP
          safi: SAFI_UNICAST
        enabled: true
      addPaths:
        config:
          # OpenELB 可以发送到对等 BGP 路由器以进行等价多路径 (ECMP) 路由的最大等效路由数。
          sendMax: 10
  nodeSelector:
    matchLabels:
      # 如果 Kubernetes 集群节点部署在不同的路由器下，并且每个节点都有一个 OpenELB 副本，则需要配置此字段，以便正确节点上的 OpenELB 副本与对端 BGP 路由器建立 BGP 连接。
      # 默认情况下，所有 openelb-manager 副本都会响应 BgpPeer 配置并尝试与对等 BGP 路由器建立 BGP 连接。
      openelb.kubesphere.io/rack: leaf1

然后我们部署并查看信息

$ kubectl apply -f openelb/openelb-bgp.yaml
bgpconf.network.kubesphere.io/default created
bgppeer.network.kubesphere.io/bgppeer-openwrt-plus created
$ kubectl get bgpconf
NAME      AGE
default   16s
$ kubectl get bgppeer
NAME                   AGE
bgppeer-openwrt-plus   20s

修改 EIP

和之前的 Layer2 模式类似，我们也需要创建一个 BGP 模式使用的 Eip。

apiVersion: network.kubesphere.io/v1alpha2
kind: Eip
metadata:
    # Eip 对象的名称。
    name: eip-bgp-pool
spec:
    # Eip 对象的地址池
    address: 10.89.0.1-10.89.255.254

    # openELB的运行模式，默认为bgp
    protocol: bgp

    # OpenELB 在其上侦听 ARP/NDP 请求的网卡。该字段仅在protocol设置为时有效layer2。
    interface: eth0

    # 指定是否禁用 Eip 对象
    # false表示可以继续分配
    # true表示不再继续分配
    disable: false
status:

    # 指定 Eip 对象中的IP地址是否已用完。
    occupied: false

    # 指定 Eip 对象中有多少个 IP 地址已分配给服务。
    # 直接留空，系统会自动生成
    usage: 

    # Eip 对象中的 IP 地址总数。
    poolSize: 65534

    # 指定使用的 IP 地址和使用 IP 地址的服务。服务以Namespace/Service name格式显示（例如，default/test-svc）。
    # 直接留空，系统会自动生成
    used: 

    # Eip 对象中的第一个 IP 地址。
    firstIP: 10.89.0.1
    # Eip 对象中的最后一个 IP 地址。
    lastIP: 10.89.255.254

    ready: true
    # 指定IP协议栈是否为 IPv4。目前，OpenELB 仅支持 IPv4，其值只能是true.
    v4: true

然后我们部署并查看信息，可以看到两个 eip 资源都存在系统中。

$ kubectl apply -f openelb/openelb-eip-bgp.yaml
eip.network.kubesphere.io/eip-bgp-pool created
[root@tiny-calico-master-88-1 tiny-calico]# kubectl get eip
NAME              CIDR                        USAGE   TOTAL
eip-bgp-pool      10.89.0.1-10.89.255.254             65534
eip-layer2-pool   10.31.88.101-10.31.88.200   3       100

配置路由器

以家里常见的 openwrt 路由器为例，我们先在上面安装 quagga 组件，当然要是使用的 openwrt 版本编译了 frr 模块^[12]的话推荐使用 frr 来进行配置。

❝

如果使用的是别的发行版 Linux（如 CentOS 或者 Debian）推荐直接使用 frr^[13] 进行配置。

我们先在 openwrt 上面直接使用 opkg 安装 quagga

$ opkg update 
$ opkg install quagga quagga-zebra quagga-bgpd quagga-vtysh

如果使用的 openwrt 版本足够新，是可以直接使用 opkg 安装 frr 组件的

$ opkg update 
$ opkg install frr frr-babeld frr-bfdd frr-bgpd frr-eigrpd frr-fabricd frr-isisd frr-ldpd frr-libfrr frr-nhrpd frr-ospf6d frr-ospfd frr-pbrd frr-pimd frr-ripd frr-ripngd frr-staticd frr-vrrpd frr-vtysh frr-watchfrr frr-zebra

如果是使用 frr 记得在配置中开启 bgpd 参数再重启 frr

$ sed -i 's/bgpd=no/bgpd=yes/g' /etc/frr/daemons
$ /etc/init.d/frr restart

路由器这边我们使用 frr 进行 BGP 协议的配置，需要注意的是因为前面我们把端口修改为 17900，因此这里也需要进行同步配置节点端口为 17900。

root@tiny-openwrt-plus:~# cat /etc/frr/frr.conf
frr version 8.2.2
frr defaults traditional
hostname tiny-openwrt-plus
log file /home/frr/frr.log
log syslog
!
password zebra
!
router bgp 64512
 bgp router-id 10.31.254.251
 no bgp ebgp-requires-policy
 !
 !
 neighbor 10.31.88.1 remote-as 64514
 neighbor 10.31.88.1 port 17900
 neighbor 10.31.88.1 description 10-31-88-1

 neighbor 10.31.88.11 remote-as 64514
 neighbor 10.31.88.11 port 17900
 neighbor 10.31.88.11 description 10-31-88-11

 neighbor 10.31.88.12 remote-as 64514
 neighbor 10.31.88.12 port 17900
 neighbor 10.31.88.12 description 10-31-88-12
 !
 !
 address-family ipv4 unicast
 !maximum-paths 3
 exit-address-family
exit
!
access-list vty seq 5 permit 127.0.0.0/8
access-list vty seq 10 deny any
!
line vty
 access-class vty
exit
!

部署测试服务

这里我们创建两个服务进行测试，需要注意和上面的 layer2 模式不同，这里的注解要同步修改为使用 bgp 和对应的 eip。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-lb2-service
  namespace: nginx-quic
  annotations:
    lb.kubesphere.io/v1alpha1: openelb
    protocol.openelb.kubesphere.io/v1alpha1: bgp
    eip.openelb.kubesphere.io/v1alpha2: eip-bgp-pool
spec:
  allocateLoadBalancerNodePorts: false
  externalTrafficPolicy: Cluster
  internalTrafficPolicy: Cluster
  selector:
    app: nginx-lb
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80 # match for service access port
    targetPort: 80 # match for pod access port
  type: LoadBalancer
  
---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-lb3-service
  namespace: nginx-quic
  annotations:
    lb.kubesphere.io/v1alpha1: openelb
    protocol.openelb.kubesphere.io/v1alpha1: bgp
    eip.openelb.kubesphere.io/v1alpha2: eip-bgp-pool
spec:
  allocateLoadBalancerNodePorts: false
  externalTrafficPolicy: Cluster
  internalTrafficPolicy: Cluster
  selector:
    app: nginx-lb
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80 # match for service access port
    targetPort: 80 # match for pod access port
  type: LoadBalancer
  loadBalancerIP: 10.89.100.100

部署完成之后我们再查看服务的状态，可以看到没有指定 loadBalancerIP 的服务会自动按顺序分配一个可用 IP，而指定了 IP 的会分配为我们手动指定的 IP，同时 layer2 模式的也可以共存。

$ kubectl get eip -A
NAME              CIDR                        USAGE   TOTAL
eip-bgp-pool      10.89.0.1-10.89.255.254     2       65534
eip-layer2-pool   10.31.88.101-10.31.88.200   1       100
$ kubectl get svc -n nginx-quic
NAME                TYPE           CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP     PORT(S)        AGE
nginx-lb-service    LoadBalancer   10.88.15.40    10.31.88.101    80:30972/TCP   2m48s
nginx-lb2-service   LoadBalancer   10.88.60.227   10.89.0.1       80:30425/TCP   2m48s
nginx-lb3-service   LoadBalancer   10.88.11.160   10.89.100.100   80:30597/TCP   2m48s

再查看路由器上面的路由表，可以看到两个 BGP 模式的 VIP 有多个下一条路由，则说明 ECMP 开启成功

tiny-openwrt-plus# show ip route
Codes: K - kernel route, C - connected, S - static, R - RIP,
       O - OSPF, I - IS-IS, B - BGP, E - EIGRP, N - NHRP,
       T - Table, v - VNC, V - VNC-Direct, A - Babel, F - PBR,
       f - OpenFabric,
       > - selected route, * - FIB route, q - queued, r - rejected, b - backup
       t - trapped, o - offload failure

K>* 0.0.0.0/0 [0/0] via 10.31.254.254, eth0, 12:56:32
C>* 10.31.0.0/16 is directly connected, eth0, 12:56:32
B>* 10.89.0.1/32 [20/0] via 10.31.88.1, eth0, weight 1, 00:00:28
  *                     via 10.31.88.11, eth0, weight 1, 00:00:28
  *                     via 10.31.88.12, eth0, weight 1, 00:00:28
B>* 10.89.100.100/32 [20/0] via 10.31.88.1, eth0, weight 1, 00:00:28
  *                         via 10.31.88.11, eth0, weight 1, 00:00:28
  *                         via 10.31.88.12, eth0, weight 1, 00:00:28

最后再找一台机器进行 curl 测试

[tinychen /root]# curl 10.89.0.1
10.31.88.1:22432
[tinychen /root]# curl 10.89.100.100
10.31.88.11:59470

总结

OpenELB 的两种模式的优缺点和MetalLB^[14]几乎一模一样，两者在这方面的优缺点概况文档可以结合起来一起看：

Layer2 mode 优缺点

优点：

• 通用性强，对比 BGP 模式不需要 BGP 路由器支持，几乎可以适用于任何网络环境；当然云厂商的网络环境例外

缺点：

• 所有的流量都会在同一个节点上，该节点的容易成为流量的瓶颈
• 当 VIP 所在节点宕机之后，需要较长时间进行故障转移（官方没说多久），这主要是因为 OpenELB 使用了 k8s 同款的选主算法来进行选主，当 VIP 所在节点宕机之后重新选主的时间要比传统的 keepalived 使用的 vrrp 协议（一般为 1s）要更长
• 难以定位 VIP 所在节点，OpenELB 并没有提供一个简单直观的方式让我们查看到底哪一个节点是 VIP 所属节点，基本只能通过抓包或者查看 pod 日志来确定，当集群规模变大的时候这会变得非常的麻烦

改进方案：

• 有条件的可以考虑使用 BGP 模式
• 既不能用 BGP 模式也不能接受 Layer2 模式的，基本和目前主流的三个开源负载均衡器无缘了（三者都是 Layer2 模式和 BGP 模式且原理类似，优缺点相同）

BGP mode 优缺点

BGP 模式的优缺点几乎和 Layer2 模式相反

优点：

• 无单点故障，在开启 ECMP 的前提下，k8s 集群内所有的节点都有请求流量，都会参与负载均衡并转发请求

缺点：

• 条件苛刻，需要有 BGP 路由器支持，配置起来也更复杂；
• ECMP 的故障转移（failover）并不是特别地优雅，这个问题的严重程度取决于使用的 ECMP 算法；当集群的节点出现变动导致 BGP 连接出现变动，所有的连接都会进行重新哈希（使用三元组或五元组哈希），这对一些服务来说可能会有影响；

❝

路由器中使用的哈希值通常 不稳定，因此每当后端集的大小发生变化时（例如，当一个节点的 BGP 会话关闭时），现有的连接将被有效地随机重新哈希，这意味着大多数现有的连接最终会突然被转发到不同的后端，而这个后端可能和此前的后端毫不相干且不清楚上下文状态信息。

改进方案：

OpenELB 官方并没有给出 BGP 模式的优缺点分析和改进方案，但是我们可以参考 MetalLB 官方给出的资料：

MetalLB 给出了一些改进方案^[15]，下面列出来给大家参考一下

• 使用更稳定的 ECMP 算法来减少后端变动时对现有连接的影响，如“resilient ECMP” or “resilient LAG”
• 将服务部署到特定的节点上减少可能带来的影响
• 在流量低峰期进行变更
• 将服务分开部署到两个不同的 LoadBalanceIP 的服务中，然后利用 DNS 进行流量切换
• 在客户端加入透明的用户无感的重试逻辑
• 在 LoadBalance 后面加入一层 ingress 来实现更优雅的 failover（但是并不是所有的服务都可以使用 ingress）
• 接受现实……（Accept that there will be occasional bursts of reset  connections. For low-availability internal services, this may be  acceptable as-is.）

OpenELB 优缺点

这里尽量客观的总结概况一些客观事实，是否为优缺点可能会因人而异：

• OpenELB 是国内的青云科技团队主导开发的产品（也是 KubeSphere 的开发团队）
• OpenELB 的部署方式并不是使用 daemonset+deployment 的方式，而是使用 deployment+jobs.batch，
• OpenELB 的 deployment 默认状态下并没有高可用部署，需要自己手动配置
• OpenELB 的文档非常少，比 MetalLB 的还要少，仅有少数几篇必要的文档，建议先全部阅读完再开始上手
• OpenELB 对 IPv6 的支持不完善（BGP 模式下暂不支持 IPv6）
• OpenELB 可以通过注解来同时部署使用BGP 模式和 Layer2 模式
• OpenELB 使用了 CRD 来一定程度上改善了 IPAM 的问题，可以通过查看 EIP 的状态来查看 IP 池的分配情况和对应服务
• OpenELB 在 Layer2 模式下无法快速定位当前的 VIP 所在节点
• OpenELB 官方表示已经有一定的数量的 企业^[16] 采用（包括生产和测试环境），但是没有具体披露使用的模式和规模

总的来说，OpenELB 是一款不错的负载均衡器，在前人 MetalLB 的基础上做了一些改进，有一定的社区热度、有一定的专业团队进行维护；但是目前感觉还处于比较初级的阶段，有较多的功能还没有开发完善，使用起来偶尔会有些不大不小的问题。青云科技官方表示会在后面的 KubeSphere v3.3.0 版本内置 OpenELB 用于服务暴露，届时应该会有更多的用户参与进来。

引用链接

[1]

方案: https://tinychen.com/tags/k8s/

[2]

KubeSphere 社区: https://kubesphere.io/

[3]

沙箱项目: https://www.cncf.io/sandbox-projects/

[4]

OpenELB 官方: https://openelb.github.io/docs/concepts/layer-2-mode/

[5]

gobgp: https://github.com/osrg/gobgp

[6]

官网的图: https://openelb.github.io/docs/concepts/bgp-mode/

[7]

strictARP: https://kubernetes.io/docs/reference/config-api/kube-proxy-config.v1alpha1/

[8]

文章中的解释: https://tinychen.com/20200427-lvs-principle-introduction/#6、ARP-in-LVS

[9]

部署多个副本: https://openelb.github.io/docs/getting-started/configuration/configure-multiple-openelb-replicas/

[10]

BgpConf: https://openelb.github.io/docs/getting-started/configuration/configure-openelb-in-bgp-mode/#configure-local-bgp-properties-using-bgpconf

[11]

BgpPeer: https://openelb.github.io/docs/getting-started/configuration/configure-openelb-in-bgp-mode/#configure-peer-bgp-properties-using-bgppeer

[12]

编译了 frr 模块: http://docs.frrouting.org/projects/dev-guide/en/latest/building-frr-for-openwrt.html

[13]

frr: https://frrouting.org/

[14]

MetalLB: https://tinychen.com/20220519-k8s-06-loadbalancer-metallb/

[15]

改进方案: https://metallb.universe.tf/concepts/bgp/#limitations

[16]

企业: https://github.com/openelb/openelb/blob/master/ADOPTERS.md

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