Kubernetes之网络排查详细文

前言

• Pod 常见网络异常分类
• 网络排查工具
• Pod 网络异常排查思路及流程模型
• CNI 网络异常排查步骤
• 案例学习

一、Pod 网络异常

1.1 网络异常大概分为如下几类

1. 网络不可达主要现象为 ping 不通其可能原因为
   • 源端和目的端防火墙iptables, selinux限制
   • 网络路由配置不正确
   • 源端和目的端的系统负载过高网络连接数满网卡队列满
   • 网络链路故障
2. 端口不可达主要现象为可以 ping 通但 telnet 端口不通其可能原因为
   • 源端和目的端防火墙限制
   • 源端和目的端的系统负载过高网络连接数满网卡队列满端口耗尽
   • 目的端应用未正常监听导致应用未启动或监听为 127.0.0.1 等
3. DNS 解析异常主要现象为基础网络可以连通访问域名报错无法解析访问 IP 可以正常连通。其可能原因为
   • Pod 的 DNS 配置不正确
   • DNS 服务异常
   • pod 与 DNS 服务通讯异常
   • 可使用 ping -s 指定数据包大小进行测试
   • 数据包的大小超过了 docker、CNI 插件、或者宿主机网卡的 MTU 值。

4.大数据包丢包主要现象为基础网络和端口均可以连通小数据包收发无异常大数据包丢包。可能原因为

• 可使用 ping -s 指定数据包大小进行测试
• 数据包的大小超过了 docker、CNI 插件、或者宿主机网卡的 MTU 值。

5. CNI 异常主要现象为 Node 可以通但 Pod 无法访问集群地址可能原因有
   • kube-proxy 服务异常没有生成 iptables 策略或者 ipvs 规则导致无法访问
   • CIDR 耗尽无法为 Node 注入 PodCIDR 导致 CNI 插件异常
   • 其他 CNI 插件问题

1.2 那么整个 Pod 网络异常分类可以如下图所示

总结一下Pod 最常见的网络故障有:

1. 网络不可达ping 不通
2. 端口不可达telnet 不通
3. DNS 解析异常域名不通
4. 大数据包丢失大包不通
5. CNI 异常等

二、常用网络排查工具

在了解到常见的网络异常后在排查时就需要使用到一些网络工具才可以很有效的定位到网络故障原因下面会介绍一些网络排查工具。

2.1 tcpdump

tcpdump 网络嗅探器:将强大和简单结合到一个单一的命令行界面中能够将网络中的报文抓取输出到屏幕或者记录到文件中。

1. 各系统下的安装查
   看指定接口上的所有通讯

Ubuntu/Debian: tcpdump  apt-get install -y tcpdump
Centos/Fedora: tcpdump yum install -y tcpdump
Aplinetcpdump apk add tcpdump --no-cache

2. 语法

参数	说明
-i (interface)
-w (file)	第一个n表示将地址解析为数字格式而不是主机名,第二个N表示将端口解析为数字格式而不是服务名
-n	不显示IP地址
-X	hex and ASCll
-A	ASCll(实际是以人类可读懂的包进行显示)
-XX
-v	详细信息
-r	读取文件而不是实时抓包
关键字
type	host (主机名,域名,IP地址),net,port,portrange
direction	src,dst,src or dst,src and ds
protocol	ether,IP,arp,tcp,udp,wlan

2.1.1 抓取示例

1. 捕获所有网络接口

tcpdump -D

2. 按 IP 查找流量
   最常见的查询之一 host可以看到来往于 1.1.1.1 的流量。

tcpdump host 1.1.1.1

3. 按源 / 目的 地址过滤
   如果只想查看来自 / 向某方向流量可以使用 src 和 dst。

tcpdump src|dst 1.1.1.1

4. 通过网络查找数据包
   使用 net 选项来要查找出 / 入某个网络或子网的数据包。

tcpdump net 1.2.3.0/24

5. 使用十六进制输出数据包内容
   hex 可以以 16 进制输出包的内容

tcpdump -c 1 -X icmp

6. 查看特定端口的流量
   用 port 选项来查找特定的端口流量。

tcpdump port 3389
tcpdump src port 1025

7. 查找端口范围的流量

tcpdump portrange 21-23

8. 过滤包的大小
   如果需要查找特定大小的数据包可以使用以下选项。你可以使用 lessgreater。

tcpdump less 32
tcpdump greater 64
tcpdump <= 128

9. 捕获流量输出为文件
   -w 可以将数据包捕获保存到一个文件中以便将来进行分析。这些文件称为 PCAPPEE-cap文件它们可以由不同的工具处理包括 Wireshark 。

tcpdump port 80 -w capture_file

10. 组合条件
    tcpdump 也可以结合逻辑运算符进行组合条件查询

AND and or &&
OR or or ||
EXCEPT not or !

tcpdump -i eth0 -nn host 220.181.57.216 and 10.0.0.1  # 主机之间的通讯
tcpdump -i eth0 -nn host 220.181.57.216 or 10.0.0.1
# 获取10.0.0.1与 10.0.0.9或 10.0.0.1 与10.0.0.3之间的通讯
tcpdump -i eth0 -nn host 10.0.0.1 and \(10.0.0.9 or 10.0.0.3\)

11. 原始输出
    并显示人类可读的内容进行输出包不包含内容。

tcpdump -ttnnvvS -i eth0
tcpdump -ttnnvvS -i eth0

12. IP 到端口
    让我们查找从某个 IP 到端口任何主机的某个端口所有流量。

tcpdump -nnvvS src 10.5.2.3 and dst port 3389

13. 去除特定流量
    可以将指定的流量排除如这显示所有到 192.168.0.2 的 非 ICMP 的流量。

tcpdump dst 192.168.0.2 and src net and not icmp

来自非指定端口的流量如显示来自不是 SSH 流量的主机的所有流量。

tcpdump -vv src mars and not dst port 22

2.1.2 选项分组

在构建复杂查询时必须使用单引号 '。单引号用于忽略特殊符号 () 以便于使用其他表达式如 host, port, net 等进行分组。

tcpdump 'src 10.0.2.4 and (dst port 3389 or 22)'

2.1.3 过滤 TCP 标记位

1. TCP RST

The filters below find these various packets because tcp[13] looks at
offset 13 in the TCP header, the number represents the location within
the byte, and the !=0 means that the flag in question is set to 1,i.e. it’s on.

tcpdump 'tcp[13] & 4!=0'
tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-rst'

2. TCP SYN

tcpdump 'tcp[13] & 2!=0'
tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-syn'

3. 同时忽略 SYN 和 ACK 标志的数据包

tcpdump 'tcp[13]=18'

4. TCP URG

tcpdump 'tcp[13] & 32!=0'
tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-urg'

5. TCP ACK

tcpdump 'tcp[13] & 16!=0'
tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-ack'

6. TCP PSH

tcpdump 'tcp[13] & 8!=0'
tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-push'

7. TCP FIN

tcpdump 'tcp[13] & 1!=0'
tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-fin'

2.1.4 查找 http 包

1. 查找 user-agent 信息

tcpdump -vvAls0 | grep 'User-Agent:'

2. 查找只是 GET 请求的流量

tcpdump -vvAls0 | grep 'GET'

3. 查找 http 客户端 IP

tcpdump -vvAls0 | grep 'Host:'

4. 查询客户端 cookie

tcpdump -vvAls0 | grep 'Set-Cookie|Host:|Cookie:'

2.1.5 查找 DNS 流量

tcpdump -vvAs0 port 53

2.1.6 查找对应流量的明文密码

tcpdump port http or port ftp or port smtp or port imap or port pop3 or port telnet -lA | egrep -i -B5 'pass=|pwd=|log=|login=|user=|username=|pw=|passw=|passwd= |password=|pass:|user:|username:|password:|login:|pass |user '

2.1.7 wireshark 追踪流

1. wireshare 追踪流可以很好的了解出在一次交互过程中都发生了那些问题。
2. wireshare 选中包右键选择 “追踪流“ 如果该包是允许的协议是可以打开该选项的

2.1.8 关于抓包节点和抓包设备

如何抓取有用的包以及如何找到对应的接口有以下建议

2.1.9 抓包节点

1. 通常情况下会在源端和目的端两端同时抓包观察数据包是否从源端正常发出目的端是否接收到数据包并给源端回包以及源端是否正常接收到回包。如果有丢包现象则沿网络链路上各节点抓包排查。

2. 例如A 节点经过 c 节点到 B 节点先在 AB 两端同时抓包如果 B 节点未收到 A 节点的包则在 c 节点同时抓包。

2.1.10 抓包设备

对于 Kubernetes 集群中的 Pod由于容器内不便于抓包通常视情况在 Pod 数据包经过的 veth 设备docker0 网桥CNI 插件设备如 cni0flannel.1 etc…及 Pod 所在节点的网卡设备上指定 Pod IP 进行抓包。选取的设备根据怀疑导致网络问题的原因而定比如范围由大缩小从源端逐渐靠近目的端比如怀疑是 CNI 插件导致则在 CNI 插件设备上抓包。从 pod 发出的包逐一经过 veth 设备cni0 设备flannel0宿主机网卡到达对端抓包时可按顺序逐一抓包定位问题节点。

需要注意在不同设备上抓包时指定的源目 IP 地址需要转换如抓取某 Pod 时ping {host} 的包在 veth 和 cni0 上可以指定 Pod IP 抓包而在宿主机网卡上如果仍然指定 Pod IP 会发现抓不到包因为此时 Pod IP 已被转换为宿主机网卡 IP。

2.1.11 下图是一个使用 VxLAN 模式的 flannel 的跨界点通讯的网络模型在抓包时需要注意对应的网络接口

2.2 nsenter

nsenter 是一款可以进入进程的名称空间中。例如如果一个容器以非 root 用户身份运行而使用 docker exec 进入其中后但该容器没有安装 sudo 或未 netstat 并且您想查看其当前的网络属性如开放端口这种场景下将如何做到这一点nsenter 就是用来解决这个问题的。

nsenter (namespace enter) 可以在容器的宿主机上使用 nsenter 命令进入容器的命名空间以容器视角使用宿主机上的相应网络命令进行操作。当然需要拥有 root 权限

各系统下的安装

Ubuntu/Debian: util-linux  apt-get install -y util-linux
Centos/Fedora: util-linux yum install -y util-linux
Aplineutil-linux apk add util-linux --no-cache

nsenter 的 c 使用语法为nsenter -t pid -n <commond>-t 接 进程 ID 号-n 表示进入名称空间内 为执行的命令。

实例如我们有一个 Pod 进程 ID 为 30858进入该 Pod 名称空间内执行 ifconfig 如下列所示

$ ps -ef|grep tail
root      17636  62887  0 20:19 pts/2    00:00:00 grep --color=auto tail
root      30858  30838  0 15:55 ?        00:00:01 tail -f

$ nsenter -t 30858 -n ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1480
        inet 192.168.1.213  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255
        ether 5e:d5:98:af:dc:6b  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 92  bytes 9100 (8.8 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 92  bytes 8422 (8.2 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 5  bytes 448 (448.0 B)`在这里插入代码片`
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 5  bytes 448 (448.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

net1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.1.0.201  netmask 255.255.255.0  broadcast 10.1.0.255
        ether b2:79:f9:dd:2a:10  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 228  bytes 21272 (20.7 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 216  bytes 20272 (19.7 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

2.2.1 如何定位 Pod 名称空间

1. 首先需要确定 Pod 所在的节点名称

$ kubectl get pods -owide |awk '{print $1,$7}'
NAME NODE
netbox-85865d5556-hfg6v master-machine
netbox-85865d5556-vlgr4 node01

2. 如果 Pod 不在当前节点还需要用 IP 登录则还需要查看 IP可选

$ kubectl get pods -owide |awk '{print $1,$6,$7}'
NAME IP NODE
netbox-85865d5556-hfg6v 192.168.1.213 master-machine
netbox-85865d5556-vlgr4 192.168.0.4 node01

3. 接下来登录节点获取容器 lD如下列所示每个 pod 默认有一个 pause 容器其他为用户 yaml 文件中定义的容器理论上所有容器共享相同的网络命名空间排查时可任选一个容器。

$ docker ps |grep netbox-85865d5556-hfg6v
6f8c58377aae   f78dd05f11ff                                                    "tail -f"                45 hours ago   Up 45 hours             k8s_netbox_netbox-85865d5556-hfg6v_default_4a8e2da8-05d1-4c81-97a7-3d76343a323a_0
b9c732ee457e   registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/pause:3.1   "/pause"                 45 hours ago   Up 45 hours             k8s_POD_netbox-85865d5556-hfg6v_default_4a8e2da8-05d1-4c81-97a7-3d76343a323a_0

4. 接下来获得获取容器在节点系统中对应的进程号如下所示

docker inspect --format "{{ .State.Pid }}" 6f8c58377aae
30858

5. 最后就可以通过 nsenter 进入容器网络空间执行命令了

2.3 paping

paping 命令可对目标地址指定端口以 TCP 协议进行连续 ping通过这种特性可以弥补 ping ICMP 协议以及 nmap , telnet 只能进行一次操作的的不足通常情况下会用于测试端口连通性和丢包率.

paping downloadpaping[2]

paping 还需要安装以下依赖这取决于你安装的 paping 版本

• RedHat/CentOSyum install -y libstdc++.i686 glibc.i686
• Ubuntu/Debian最小化安装无需依赖

$ paping -h
paping v1.5.5 - Copyright (c) 2011 Mike Lovell

Syntax: paping [options] destination

Options:
 -?, --help     display usage
 -p, --port N   set TCP port N (required)
     --nocolor  Disable color output
 -t, --timeout  timeout in milliseconds (default 1000)
 -c, --count N  set number of checks to N

2.4 mtr

mtr 是一个跨平台的网络诊断工具将 traceroute 和 ping 的功能结合到一个工具。与 traceroute 不同的是 mtr 显示的信息比起 traceroute 更加丰富通过 mtr 可以确定网络的条数并且可以同时打印响应百分比以及网络中各跳跃点的响应时间。

各系统下的安装 [2\][3]

Ubuntu/Debian: mtr  apt-get install -y mtr
Centos/Fedora: mtr yum install -y mtr
Aplinemtr apk add mtr --no-cache

最简单的示例就是后接域名或 IP这将跟踪整个路由

mtr google.com

Start: Thu Jun 28 12:10:13 2018
HOST: TecMint                     Loss%   Snt   Last   Avg  Best  Wrst StDev
  1.|-- 192.168.0.1                0.0%     5    0.3   0.3   0.3   0.4   0.0
  2.|-- 5.5.5.211                  0.0%     5    0.7   0.9   0.7   1.3   0.0
  3.|-- 209.snat-111-91-120.hns.n 80.0%     5    7.1   7.1   7.1   7.1   0.0
  4.|-- 72.14.194.226              0.0%     5    1.9   2.9   1.9   4.4   1.1
  5.|-- 108.170.248.161            0.0%     5    2.9   3.5   2.0   4.3   0.7
  6.|-- 216.239.62.237             0.0%     5    3.0   6.2   2.9  18.3   6.7
  7.|-- bom05s12-in-f14.1e100.net  0.0%     5    2.1   2.4   2.0   3.8   0.5

1. -n 强制 mtr 打印 IP 地址而不是主机名

$ mtr -n google.com

Start: Thu Jun 28 12:12:58 2018
HOST: TecMint                     Loss%   Snt   Last   Avg  Best  Wrst StDev
  1.|-- 192.168.0.1                0.0%     5    0.3   0.3   0.3   0.4   0.0
  2.|-- 5.5.5.211                  0.0%     5    0.9   0.9   0.8   1.1   0.0
  3.|-- ???                       100.0     5    0.0   0.0   0.0   0.0   0.0
  4.|-- 72.14.194.226              0.0%     5    2.0   2.0   1.9   2.0   0.0
  5.|-- 108.170.248.161            0.0%     5    2.3   2.3   2.2   2.4   0.0
  6.|-- 216.239.62.237             0.0%     5    3.0   3.2   3.0   3.3   0.0
  7.|-- 172.217.160.174            0.0%     5    3.7   3.6   2.0   5.3   1.4

2. -b 同时显示 IP 地址与主机名

$ mtr -b google.com

Start: Thu Jun 28 12:14:36 2018
HOST: TecMint                     Loss%   Snt   Last   Avg  Best  Wrst StDev
  1.|-- 192.168.0.1                0.0%     5    0.3   0.3   0.3   0.4   0.0
  2.|-- 5.5.5.211                  0.0%     5    0.7   0.8   0.6   1.0   0.0
  3.|-- 209.snat-111-91-120.hns.n  0.0%     5    1.4   1.6   1.3   2.1   0.0
  4.|-- 72.14.194.226              0.0%     5    1.8   2.1   1.8   2.6   0.0
  5.|-- 108.170.248.209            0.0%     5    2.0   1.9   1.8   2.0   0.0
  6.|-- 216.239.56.115             0.0%     5    2.4   2.7   2.4   2.9   0.0
  7.|-- bom07s15-in-f14.1e100.net  0.0%     5    3.7   2.2   1.7   3.7   0.9

3. -c 跟一个具体的值这将限制 mtr ping 的次数到达次数后会退出

$ mtr -c5 google.com

4. 如果需要指定次数并且在退出后保存这些数据使用 -r flag

$ mtr -r -c 5 google.com >  1
$ cat 1
Start: Sun Aug 21 22:06:49 2022
HOST: xxxxx.xxxxx.xxxx.xxxx Loss%   Snt   Last   Avg  Best  Wrst StDev
  1.|-- gateway                    0.0%     5    0.6 146.8   0.6 420.2 191.4
  2.|-- 212.xx.21.241              0.0%     5    0.4   1.0   0.4   2.3   0.5
  3.|-- 188.xxx.106.124            0.0%     5    0.7   1.1   0.7   2.1   0.5
  4.|-- ???                       100.0     5    0.0   0.0   0.0   0.0   0.0
  5.|-- 72.14.209.89               0.0%     5   43.2  43.3  43.1  43.3   0.0
  6.|-- 108.xxx.250.33             0.0%     5   43.2  43.1  43.1  43.2   0.0
  7.|-- 108.xxx.250.34             0.0%     5   43.7  43.6  43.5  43.7   0.0
  8.|-- 142.xxx.238.82             0.0%     5   60.6  60.9  60.6  61.2   0.0
  9.|-- 142.xxx.238.64             0.0%     5   59.7  67.5  59.3  89.8  13.2
 10.|-- 142.xxx.37.81              0.0%     5   62.7  62.9  62.6  63.5   0.0
 11.|-- 142.xxx.229.85             0.0%     5   61.0  60.9  60.7  61.3   0.0
 12.|-- xx-in-f14.1e100.net  0.0%     5   59.0  58.9  58.9  59.0   0.0

5. 默认使用的是 ICMP 协议 -i 可以指定 -u, -t 使用其他协议

mtr --tcp google.com

6. -m 指定最大的跳数

mtr -m 35 216.58.223.78

7. -s指定包的大小

2.5 mtr 输出的数据

colum	describe
last	最近一次的探测延迟值
avg	探测延迟的平均值
best	探测延的迟最小值
wrst	探测延迟的最大值
stdev	标准偏差.越大说明相应的节点越不稳定

2.6 丢包判断

任一节点的 Loss%丢包率如果不为零则说明这一跳网络可能存在问题。导致相应节点丢包的原因通常有两种。

• 运营商基于安全或性能需求人为限制了节点的 ICMP 发送速率导致丢包。
• 节点确实存在异常导致丢包。可以结合异常节点及其后续节点的丢包情况来判定丢包原因。

Notes:

• 如果随后节点均没有丢包则通常说明异常节点丢包是由于运营商策略限制所致。可以忽略相关丢包。
• 如果随后节点也出现丢包则通常说明节点确实存在网络异常导致丢包。对于这种情况如果异常节点及其后续节点连续出现丢包而且各节点的丢包率不同则通常以最后几跳的丢包率为准。如链路测试在第 5、6、7 跳均出现了丢包。最终丢包情况以第 7 跳作为参考。

2.7 延迟判断

由于链路抖动或其它因素的影响节点的 Best 和 Worst 值可能相差很大。而 Avg平均值统计了自链路测试以来所有探测的平均值所以能更好的反应出相应节点的网络质量。而 StDev标准偏差值越高则说明数据包在相应节点的延时值越不相同越离散。所以标准偏差值可用于协助判断 Avg 是否真实反应了相应节点的网络质量。例如如果标准偏差很大说明数据包的延迟是不确定的。可能某些数据包延迟很小例如25ms而另一些延迟却很大例如350ms但最终得到的平均延迟反而可能是正常的。所以此时 Avg 并不能很好的反应出实际的网络质量情况。

这就需要结合如下情况进行判断

1. 如果 StDev 很高则同步观察相应节点的 Best 和 wrst来判断相应节点是否存在异常。
2. 如果 StDev 不高则通过 Avg 来判断相应节点是否存在异常。

三、Pod 网络排查流程

Pod 网络异常时排查思路可以按照下图所示

四、案例学习

测试环境 k8s 节点扩容后无法访问集群 clusterlP 类型的 registry 服务

4.1 环境信息

• cni 插件flannel vxlan
• kube-proxy 工作模式为 iptables
• registry 服务
  • 单实例部署在 10.61.187.48:5000
  • Pod IP10.233.65.46
  • Cluster IP10.233.0.100

4.2 现象

1. 所有节点之间的 pod 通信正常
2. 任意节点和 Pod curl registry 的 Pod 的 IP:5000 均可以连通
3. 新扩容节点 10.153.204.15 curl registry 服务的 Cluster lP 10.233.0.100:5000 不通其他节点 curl 均可以连通

4.3 分析思路

1. 根据现象 1 可以初步判断 CNI 插件无异常
2. 根据现象 2 可以判断 registry 的 Pod 无异常
3. 根据现象 3 可以判断 registry 的 service 异常的可能性不大可能是新扩容节点访问 registry 的 service 存在异常

4.3 怀疑方向

1. 问题节点的 kube-proxy 存在异常
2. 问题节点的 iptables 规则存在异常
3. 问题节点到 service 的网络层面存在异常

4.4 排查顺序

1. 排查问题节点的 kube-proxy
2. 执行 kubectl get pod -owide -nkube-system l grep kube-proxy 查看 kube-proxy Pod 的状态问题节点上的 kube-proxy Pod 为 running 状态
3. 执行 kubecti logs <nodename> <kube-proxy pod name> -nkube-system 查看问题节点 kube-proxy 的 Pod 日志没有异常报错
4. 在问题节点操作系统上执行 iptables -S -t nat 查看 iptables 规则

4.5 排查过程

1. 确认存在到 registry 服务的 Cluster lP 10.233.0.100 的 KUBE-SERVICES 链跳转至 KUBE-SVC-* 链做负载均衡再跳转至 KUBE-SEP-* 链通过 DNAT 替换为服务后端 Pod 的 IP 10.233.65.46。因此判断 iptables 规则无异常执行 route-n 查看问题节点存在访问 10.233.65.46 所在网段的路由如下图所示

2. 查看对端的回程路由

以上排查证明问题原因不是 cni 插件或者 kube-proxy 异常导致因此需要在访问链路上抓包判断问题原因、问题节点执行 curl 10.233.0.100:5000在问题节点和后端 pod 所在节点的 flannel.1 上同时抓包发包节点一直在重传Cluster lP 已 DNAT 转换为后端 Pod IP如图所示(抓包过程,发送端)

3. 后端 Pod registry 服务所在节点的 flannel.1 上未抓到任何数据包如图所示(抓包过程服务端)