Kubernetes 网络故障常见排查方法

网络可以说是 Kubernetes 部署和使用过程中最容易出问题的了，最主要的是对网络技术非常熟悉的人员相对较少，和 Kubernetes 结合后能搞透彻网络这块的就更加稀少了，导致我们在部署使用过程中经常遇到一些网络问题。本文将重点关注网络，列出我们遇到的一些问题，包括解决和发现问题的简单方法，并就如何避免这些故障提供一些建议。

流量转发和桥接

Kubernetes 支持各种 网络插件 ，每个插件出现问题的方式都不尽相同。

Kubernetes 的核心是依靠 Netfilter 内核模块来设置低级别的集群IP负载均衡，这需要用到两个关键的模块：IP 转发和桥接（IP forward 和 bridge）。

图片来源: https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Netfilter-packet-flow.svg

IP forward

IP forward 是一种内核态设置，允许将一个接口的流量转发到另外一个接口，该配置是 Linux 内核将流量从容器路由到外部所必须的。

失败情况

有时候该项设置可能会被安全团队运行的定期安全扫描给重置了，或者没有配置为重启后生效，在这种情况下，就会出现网络访问失败的情况。

Pod 服务连接超时：

* connect to 10.100.225.223 port 5000 failed: Connection timed out
* Failed to connect to 10.100.225.223 port 5000: Connection timed out
* Closing connection 0
curl: (7) Failed to connect to 10.100.225.223 port 5000: Connection timed out

Tcpdump 可以显示发送了大量重复的 SYN 数据包，但没有收到 ACK 。

如何诊断

# 检查 ipv4 forwarding 是否开启
sysctl net.ipv4.ip_forward
# 0 意味着未开启
net.ipv4.ip_forward = 0

如何修复

# this will turn things back on a live server
sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
# on Centos this will make the setting apply after reboot
echo net.ipv4.ip_forward=1 >> /etc/sysconf.d/10-ipv4-forwarding-on.conf

# 验证并生效
sysctl -p

桥接

bridge-netfilter 设置可以使 iptables 规则可以在 Linux Bridges 上面工作 ，就像 Docker 和 Kubernetes 设置的那样。

此设置对于 Linux 内核进行宿主机和容器之间进行数据包的地址转换是必须的。

失败情况

Pod 进行外部服务网络请求的情况下，将会出现目标主机不可达或者连接拒绝等错误（host unreachable 或 connection refused）。

如何诊断

# 检查 bridge netfilter 是否开启
sysctl net.bridge.bridge-nf-call-iptables

# 0 表示未开启
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 0

如何修复

# Note some distributions may have this compiled with kernel,
# check with cat /lib/modules/$(uname -r)/modules.builtin | grep netfilter
modprobe br_netfilter
# 开启这个 iptables 设置
sysctl -w net.bridge.bridge-nf-call-iptables=1
echo net.bridge.bridge-nf-call-iptables=1 >> /etc/sysconf.d/10-bridge-nf-call-iptables.conf
sysctl -p

防火墙规则

Kubernetes 提供了各种网络插件来支持其集群功能，同时也对传统的基于 IP 和端口的应用程序提供了向后兼容的支持。

最常见的 一种 Kubernetes 网络方案就是利用 VxLan Overlay 网络，其中的 IP 数据包被封装在 UDP 中通过8472端口进行数据传输。

失败情况

这种情况下会出现100%数据包丢失：

$ ping 10.244.1.4 
PING 10.244.1.4 (10.244.1.4): 56 data bytes
^C--- 10.244.1.4 ping statistics ---
5 packets transmitted, 0 packets received, 100% packet loss

如何诊断

最好的方式是使用相同的协议来传输数据，因为防火墙规则可能配置了特地的协议，比如可能会阻止 UDP 流量。

iperf 是一个很好的验证工具：

#  在服务端执行
iperf -s -p 8472 -u
# 在客户端执行
iperf -c 172.28.128.103 -u -p 8472 -b 1K

如何修复

当然是更新防火墙规则来停止组织这些流量了，这里有一些常见的 iptables 使用建议可以参考： https://serverfault.com/questions/696182/debugging-iptables-and-common-firewall-pitfalls

Pod CIDR 冲突

Kubernetes 为容器和容器之间的通信建立了一层特殊的 Overlay 网络。使用隔离的 Pod 网络，容器可以获得唯一的 IP 并且可以避免集群上的端口冲突，我们可以 点击这里查看更多关于 Kubernetes 网络模型的一些信息 。

当 Pod 子网和主机网络出现冲突的情况下就会出现问题了。

失败情况

Pod 和 Pod 之间通信会因为路由问题被中断：

$ curl http://172.28.128.132:5000
curl: (7) Failed to connect to 172.28.128.132 port 5000: No route to host

如何诊断

首先查看分配的 Pod IP 地址：

$ kubectl get pods -o wide
NAME                       READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP               NODE
netbox-2123814941-f7qfr    1/1       Running   4          21h       172.28.27.2      172.28.128.103
netbox-2123814941-ncp3q    1/1       Running   4          21h       172.28.21.3      172.28.128.102
testbox-2460950909-5wdr4   1/1       Running   3          21h       172.28.128.132   172.28.128.101

然后将主机 IP 范围与 apiserver 中指定的 kubernetes 子网进行比较：

$ ip addr list
3: eth1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:2c:6c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.28.128.103/24 brd 172.28.128.255 scope global eth1
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::5054:ff:fe2c:6c50/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

如果出现了同网段的 IP，则很大概率会出现冲突了。

如何修复

仔细检查你的网络设置，确保你正在使用的网络、VLAN 或 VPC 之间不会有重叠。如果有冲突的，我们可以在 CNI 插件或 kubelet 的 pod-cidr 参数中指定 IP 地址范围，避免冲突。

故障排查工具

下面是一些我们在排查上述问题时使用的一些非常有用的工具。

tcpdump

Tcpdump 是一个用来捕获网络流量的工具，可以帮助我们解决一些常见的网络问题，下面是一个使用 tcpdump 进行流量捕获的一个简单例子。

我们进入一个容器来尝试去和其他的容器进行通信：

kubectl exec -ti testbox-2460950909-5wdr4 -- /bin/bash
$ curl http://172.28.21.3:5000
curl: (7) Failed to connect to 172.28.21.3 port 5000: No route to host

发现无法进行通信，然后在容器所在的主机，我们来捕获与容器目标 IP 有关的流量：

$ tcpdump -i any host 172.28.21.3
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked), capture size 262144 bytes
20:15:59.903566 IP 172.28.128.132.60358 > 172.28.21.3.5000: Flags [S], seq 3042274422, win 28200, options [mss 1410,sackOK,TS val 10056152 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
20:15:59.903566 IP 172.28.128.132.60358 > 172.28.21.3.5000: Flags [S], seq 3042274422, win 28200, options [mss 1410,sackOK,TS val 10056152 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
20:15:59.905481 ARP, Request who-has 172.28.21.3 tell 10.244.27.0, length 28
20:16:00.907463 ARP, Request who-has 172.28.21.3 tell 10.244.27.0, length 28
20:16:01.909440 ARP, Request who-has 172.28.21.3 tell 10.244.27.0, length 28
20:16:02.911774 IP 172.28.128.132.60358 > 172.28.21.3.5000: Flags [S], seq 3042274422, win 28200, options [mss 1410,sackOK,TS val 10059160 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
20:16:02.911774 IP 172.28.128.132.60358 > 172.28.21.3.5000: Flags [S], seq 3042274422, win 28200, options [mss 1410,sackOK,TS val 10059160 ecr 0,nop,wscale 7], length 0

我们可以看到由于线路出现了问题，所以内核无法将数据包路由到目标 IP。

这里有一篇关于 tcpdump 的一些比较有用的介绍文章： http://bencane.com/2014/10/13/quick-and-practical-reference-for-tcpdump/

Netbox

在一个镜像中内置一些网络工具包，对我们排查工作会非常有帮助，比如在下面的简单服务中我们添加一些常用的网络工具包： iproute2 net-tools ethtool

FROM library/python:3.3

RUN apt-get update && apt-get -y install iproute2 net-tools ethtool nano

CMD ["/usr/bin/python", "-m", "SimpleHTTPServer", "5000"]

这里是一个简单的 Deployment 的资源清单文件：

apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    run: netbox
  name: netbox
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      run: netbox
  template:
    metadata:
      labels:
        run: netbox
    spec:
      nodeSelector:
        type: other      
      containers:
      - image: quay.io/gravitational/netbox:latest
        imagePullPolicy: Always
        name: netbox
      securityContext:
        runAsUser: 0
      terminationGracePeriodSeconds: 30

参考链接： https://gravitational.com/blog/troubleshooting-kubernetes-networking/ 。

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