网络排错 - Kubernetes指南

本章主要介绍各种常见的网络问题以及排错方法，包括 Pod 访问异常、Service 访问异常以及网络安全策略异常等。
说到 Kubernetes 的网络，其实无非就是以下三种情况之一
Pod 访问容器外部网络
从容器外部访问 Pod 网络
Pod 之间相互访问
当然，以上每种情况还都分别包括本地访问和跨主机访问两种场景，并且一般情况下都是通过 Service 间接访问 Pod。
排查网络问题基本上也是从这几种情况出发，定位出具体的网络异常点，再进而寻找解决方法。网络异常可能的原因比较多，常见的有
CNI 网络插件配置错误，导致多主机网络不通，比如
IP 网段与现有网络冲突
插件使用了底层网络不支持的协议
忘记开启 IP 转发等
sysctl net.ipv4.ip_forward
sysctl net.bridge.bridge-nf-call-iptables
Pod 网络路由丢失，比如
kubenet 要求网络中有 podCIDR 到主机 IP 地址的路由，这些路由如果没有正确配置会导致 Pod 网络通信等问题
在公有云平台上，kube-controller-manager 会自动为所有 Node 配置路由，但如果配置不当（如认证授权失败、超出配额等），也有可能导致无法配置路由
Service NodePort 和 health probe 端口冲突
在 1.10.4 版本之前的集群中，多个不同的 Service 之间的 NodePort 和 health probe 端口有可能会有重合 （已经在 kubernetes#64468 修复）
主机内或者云平台的安全组、防火墙或者安全策略等阻止了 Pod 网络，比如
非 Kubernetes 管理的 iptables 规则禁止了 Pod 网络
公有云平台的安全组禁止了 Pod 网络（注意 Pod 网络有可能与 Node 网络不在同一个网段）
交换机或者路由器的 ACL 禁止了 Pod 网络
Flannel Pods 一直处于 Init:CrashLoopBackOff 状态
Flannel 网络插件非常容易部署，只要一条命令即可
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml
然而，部署完成后，Flannel Pod 有可能会碰到初始化失败的错误
$ kubectl -n kube-system get pod
NAME                            READY     STATUS                  RESTARTS   AGE
kube-flannel-ds-ckfdc           0/1       Init:CrashLoopBackOff   4          2m
kube-flannel-ds-jpp96           0/1       Init:CrashLoopBackOff   4          2m
查看日志会发现
$ kubectl -n kube-system logs kube-flannel-ds-jpp96 -c install-cni
cp: can't create '/etc/cni/net.d/10-flannel.conflist': Permission denied
这一般是由于 SELinux 开启导致的，关闭 SELinux 既可解决。有两种方法：
修改 /etc/selinux/config 文件方法：SELINUX=disabled
通过命令临时修改（重启会丢失）：setenforce 0
Pod 无法分配 IP
Pod 一直处于 ContainerCreating 状态，查看事件发现网络插件无法为其分配 IP：
  Normal   SandboxChanged          5m (x74 over 8m)    kubelet, k8s-agentpool-66825246-0  Pod sandbox changed, it will be killed and re-created.
  Warning  FailedCreatePodSandBox  21s (x204 over 8m)  kubelet, k8s-agentpool-66825246-0  Failed create pod sandbox: rpc error: code = Unknown desc = NetworkPlugin cni failed to set up pod "deployment-azuredisk6-56d8dcb746-487td_default" network: Failed to allocate address: Failed to delegate: Failed to allocate address: No available addresses
查看网络插件的 IP 分配情况，进一步发现 IP 地址确实已经全部分配完，但真正处于 Running 状态的 Pod 数却很少：
# 详细路径取决于具体的网络插件，当使用 host-local IPAM 插件时，路径位于 /var/lib/cni/networks 下面
$ cd /var/lib/cni/networks/kubenet
$ ls -al|wc -l
258
​
$ docker ps | grep POD | wc -l
7
这有两种可能的原因
网络插件本身的问题，Pod 停止后其 IP 未释放
Pod 重新创建的速度比 Kubelet 调用 CNI 插件回收网络（垃圾回收时删除已停止 Pod 前会先调用 CNI 清理网络）的速度快
对第一个问题，最好联系插件开发者询问修复方法或者临时性的解决方法。当然，如果对网络插件的工作原理很熟悉的话，也可以考虑手动释放未使用的 IP 地址，比如：
停止 Kubelet
找到 IPAM 插件保存已分配 IP 地址的文件，比如 /var/lib/cni/networks/cbr0（flannel）或者 /var/run/azure-vnet-ipam.json（Azure CNI）等
查询容器已用的 IP 地址，比如 kubectl get pod -o wide --all-namespaces | grep <node-name>
对比两个列表，从 IPAM 文件中删除未使用的 IP 地址，并手动删除相关的虚拟网卡和网络命名空间（如果有的话）
重启启动 Kubelet
# Take kubenet for example to delete the unused IPs
$ for hash in $(tail -n +1 * | grep '^[A-Za-z0-9]*#x27; | cut -c 1-8); do if [ -z $(docker ps -a | grep $hash | awk '{print $1}') ]; then grep -ilr $hash ./; fi; done | xargs rm
而第二个问题则可以给 Kubelet 配置更快的垃圾回收，如
--minimum-container-ttl-duration=15s
--maximum-dead-containers-per-container=1
--maximum-dead-containers=100
Pod 无法解析 DNS
如果 Node 上安装的 Docker 版本大于 1.12，那么 Docker 会把默认的 iptables FORWARD 策略改为 DROP。这会引发 Pod 网络访问的问题。解决方法则在每个 Node 上面运行 iptables -P FORWARD ACCEPT，比如
echo "ExecStartPost=/sbin/iptables -P FORWARD ACCEPT" >> /etc/systemd/system/docker.service.d/exec_start.conf
systemctl daemon-reload
systemctl restart docker
如果使用了 flannel/weave 网络插件，更新为最新版本也可以解决这个问题。
除此之外，还有很多其他原因导致 DNS 无法解析：
（1）DNS 无法解析也有可能是 kube-dns 服务异常导致的，可以通过下面的命令来检查 kube-dns 是否处于正常运行状态
$ kubectl get pods --namespace=kube-system -l k8s-app=kube-dns
NAME                    READY     STATUS    RESTARTS   AGE
...
kube-dns-v19-ezo1y      3/3       Running   0           1h
...
如果 kube-dns 处于 CrashLoopBackOff 状态，那么可以参考 Kube-dns/Dashboard CrashLoopBackOff 排错 来查看具体排错方法。
（2）如果 kube-dns Pod 处于正常 Running 状态，则需要进一步检查是否正确配置了 kube-dns 服务：
$ kubectl get svc kube-dns --namespace=kube-system
NAME          CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)             AGE
kube-dns      10.0.0.10      <none>        53/UDP,53/TCP        1h
​
$ kubectl get ep kube-dns --namespace=kube-system
NAME       ENDPOINTS                       AGE
kube-dns   10.180.3.17:53,10.180.3.17:53    1h
如果 kube-dns service 不存在，或者 endpoints 列表为空，则说明 kube-dns service 配置错误，可以重新创建 kube-dns service，比如
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: kube-dns
  namespace: kube-system
  labels:
    k8s-app: kube-dns
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
    kubernetes.io/name: "KubeDNS"
spec:
  selector:
    k8s-app: kube-dns
  clusterIP: 10.0.0.10
  ports:
  - name: dns
    port: 53
    protocol: UDP
  - name: dns-tcp
    port: 53
    protocol: TCP
（3）如果最近升级了 CoreDNS，并且使用了 CoreDNS 的 proxy 插件，那么需要注意 1.5.0 以上的版本需要将 proxy 插件替换为 forward 插件。比如：
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: coredns-custom
  namespace: kube-system
data:
  test.server: |
    abc.com:53 {
        errors
        cache 30
        forward . 1.2.3.4
    }
    my.cluster.local:53 {
        errors
        cache 30
        forward . 2.3.4.5
    }
    azurestack.local:53 {
        forward . tls://1.1.1.1 tls://1.0.0.1 {
          tls_servername cloudflare-dns.com
          health_check 5s
        }
    }
（4）如果 kube-dns Pod 和 Service 都正常，那么就需要检查 kube-proxy 是否正确为 kube-dns 配置了负载均衡的 iptables 规则。具体排查方法可以参考下面的 Service 无法访问部分。
DNS解析缓慢
由于内核的一个 BUG，连接跟踪模块会发生竞争，导致 DNS 解析缓慢。社区跟踪 Issue 为 https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/56903。
临时解决方法：为容器配置 options single-request-reopen，避免相同五元组的并发 DNS 请求：
        lifecycle:
          postStart:
            exec:
              command:
              - /bin/sh
              - -c 
              - "/bin/echo 'options single-request-reopen' >> /etc/resolv.conf"
或者为 Pod 配置 dnsConfig：
template:
  spec:
    dnsConfig:
      options:
        - name: single-request-reopen
注意：single-request-reopen 选项对 Alpine 无效，请使用 Debian 等其他的基础镜像，或者参考下面的修复方法。
修复方法：升级内核并保证包含以下两个补丁
1.​netfilter: nf_nat: skip nat clash resolution for same-origin entries (included since kernel v5.0)
2.​netfilter: nf_conntrack: resolve clash for matching conntracks (included since kernel v4.19)
对于 Azure 来说，这个问题已经在 v4.15.0-1030.31/v4.18.0-1006.6 中修复了（patch1, patch2）。
其他可能的原因和修复方法还有：
Kube-dns 和 CoreDNS 同时存在时也会有问题，只保留一个即可。
kube-dns 或者 CoreDNS 的资源限制太小时会导致 DNS 解析缓慢，这时候需要增大资源限制。
配置 DNS 选项 use-vc，强制使用 TCP 协议发送 DNS 查询。
在每个节点上运行一个 DNS 缓存服务，然后把所有容器的 DNS nameserver 都指向该缓存。
推荐部署 Nodelocal DNS Cache 扩展来解决这个问题，同时也提升 DNS 解析的性能。 Nodelocal DNS Cache 的部署步骤请参考 https://github.com/kubernetes/kubernetes/tree/master/cluster/addons/dns/nodelocaldns。
更多 DNS 配置的方法可以参考 Customizing DNS Service。
Service 无法访问
访问 Service ClusterIP 失败时，可以首先确认是否有对应的 Endpoints
kubectl get endpoints <service-name>
如果该列表为空，则有可能是该 Service 的 LabelSelector 配置错误，可以用下面的方法确认一下
# 查询 Service 的 LabelSelector
kubectl get svc <service-name> -o jsonpath='{.spec.selector}'
​
# 查询匹配 LabelSelector 的 Pod
kubectl get pods -l key1=value1,key2=value2
如果 Endpoints 正常，可以进一步检查
Pod 的 containerPort 与 Service 的 containerPort 是否对应
直接访问 podIP:containerPort 是否正常
再进一步，即使上述配置都正确无误，还有其他的原因会导致 Service 无法访问，比如
Pod 内的容器有可能未正常运行或者没有监听在指定的 containerPort 上
CNI 网络或主机路由异常也会导致类似的问题
kube-proxy 服务有可能未启动或者未正确配置相应的 iptables 规则，比如正常情况下名为 hostnames 的服务会配置以下 iptables 规则
$ iptables-save | grep hostnames
-A KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR -s 10.244.3.6/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.3.6:9376
-A KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ -s 10.244.1.7/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.1.7:9376
-A KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 -s 10.244.2.3/32 -m comment --comment "default/hostnames:" -j MARK --set-xmark 0x00004000/0x00004000
-A KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3 -p tcp -m comment --comment "default/hostnames:" -m tcp -j DNAT --to-destination 10.244.2.3:9376
-A KUBE-SERVICES -d 10.0.1.175/32 -p tcp -m comment --comment "default/hostnames: cluster IP" -m tcp --dport 80 -j KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -m statistic --mode random --probability 0.33332999982 -j KUBE-SEP-WNBA2IHDGP2BOBGZ
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-X3P2623AGDH6CDF3
-A KUBE-SVC-NWV5X2332I4OT4T3 -m comment --comment "default/hostnames:" -j KUBE-SEP-57KPRZ3JQVENLNBR
Pod 无法通过 Service 访问自己
这通常是 hairpin 配置错误导致的，可以通过 Kubelet 的 --hairpin-mode 选项配置，可选参数包括 "promiscuous-bridge"、"hairpin-veth" 和 "none"（默认为"promiscuous-bridge"）。
对于 hairpin-veth 模式，可以通过以下命令来确认是否生效
$ for intf in /sys/devices/virtual/net/cbr0/brif/*; do cat $intf/hairpin_mode; done
1
1
1
1
而对于 promiscuous-bridge 模式，可以通过以下命令来确认是否生效
$ ifconfig cbr0 |grep PROMISC
UP BROADCAST RUNNING PROMISC MULTICAST  MTU:1460  Metric:1
无法访问 Kubernetes API
很多扩展服务需要访问 Kubernetes API 查询需要的数据（比如 kube-dns、Operator 等）。通常在 Kubernetes API 无法访问时，可以首先通过下面的命令验证 Kubernetes API 是正常的：
$ kubectl run curl  --image=appropriate/curl -i -t  --restart=Never --command -- sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ #
/ # KUBE_TOKEN=$(cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token)
/ # curl -sSk -H "Authorization: Bearer $KUBE_TOKEN" https://$KUBERNETES_SERVICE_HOST:$KUBERNETES_SERVICE_PORT/api/v1/namespaces/default/pods
{
  "kind": "PodList",
  "apiVersion": "v1",
  "metadata": {
    "selfLink": "/api/v1/namespaces/default/pods",
    "resourceVersion": "2285"
  },
  "items": [
   ...
  ]
 }
如果出现超时错误，则需要进一步确认名为 kubernetes 的服务以及 endpoints 列表是正常的：
$ kubectl get service kubernetes
NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1    <none>        443/TCP   25m
$ kubectl get endpoints kubernetes
NAME         ENDPOINTS          AGE
kubernetes   172.17.0.62:6443   25m
然后可以直接访问 endpoints 查看 kube-apiserver 是否可以正常访问。无法访问时通常说明 kube-apiserver 未正常启动，或者有防火墙规则阻止了访问。
但如果出现了 403 - Forbidden 错误，则说明 Kubernetes 集群开启了访问授权控制（如 RBAC），此时就需要给 Pod 所用的 ServiceAccount 创建角色和角色绑定授权访问所需要的资源。比如 CoreDNS 就需要创建以下 ServiceAccount 以及角色绑定：
# 1. service account
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: coredns
  namespace: kube-system
  labels:
      kubernetes.io/cluster-service: "true"
      addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
---
# 2. cluster role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  labels:
    kubernetes.io/bootstrapping: rbac-defaults
    addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
  name: system:coredns
rules:
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - endpoints
  - services
  - pods
  - namespaces
  verbs:
  - list
  - watch
---
# 3. cluster role binding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  annotations:
    rbac.authorization.kubernetes.io/autoupdate: "true"
  labels:
    kubernetes.io/bootstrapping: rbac-defaults
    addonmanager.kubernetes.io/mode: EnsureExists
  name: system:coredns
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: system:coredns
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: coredns
  namespace: kube-system
---
# 4. use created service account
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: coredns
  namespace: kube-system
  labels:
    k8s-app: coredns
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
    addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
    kubernetes.io/name: "CoreDNS"
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      k8s-app: coredns
  template:
    metadata:
      labels:
        k8s-app: coredns
    spec:
      serviceAccountName: coredns
      ...
内核导致的问题
除了以上问题，还有可能碰到因内核问题导致的服务无法访问或者服务访问超时的错误，比如
​未设置 --random-fully 导致无法为 SNAT 分配端口，进而会导致服务访问超时。注意， Kubernetes 暂时没有为 SNAT 设置 --random-fully 选项，如果碰到这个问题可以参考这里 配置。
参考文档
​Troubleshoot Applications​
​Debug Services​
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大纲
Flannel Pods 一直处于 Init:CrashLoopBackOff 状态
Pod 无法分配 IP
Pod 无法解析 DNS
DNS解析缓慢
Service 无法访问
Pod 无法通过 Service 访问自己
无法访问 Kubernetes API
内核导致的问题
参考文档