记一次 Kubernetes 网络故障深度追踪
作者：骆冰利，端点技术专家
某天晚上，客户碰到了 K8S 集群一直扩容失败，所有的节点都无法正常加入集群。在经过多番折腾无解后，反馈到我们这里进行技术支持。这个问题的整个排查过程比较有意思，所以对其中的排查思路和用到的方法进行整理分享。
问题现象
运维同学在对客户的 K8S 集群进行节点扩容时，发现新增的节点一直添加失败。该同学进行了初步的排查如下：
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在新增节点上，访问 k8s master service vip 网络不通；
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在新增节点上，直接访问 k8s master hostIP + 6443 网络正常
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在新增节点上，访问其他节点的容器 IP 可以正常 ping 通
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在新增节点上，访问 coredns service vip 网络正常；
该客户使用的 Kubernetes 版本是 1.13.10，宿主机的内核版本是 4.18（centos 8.2）。
问题排查过程
收到该一线同事的反馈，我们已经初步怀疑是 ipvs 的问题。根据以往网络问题排查的经验，先对现场做了些常规排查：
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确认内核模块 ip_tables 是否加载（正常）
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确认 iptable forward 是否默认 accpet （正常）
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确认宿主机网络是否正常（正常）
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确认容器网络是否正常（正常）
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...
排除了常规的问题之后，基本可以缩小范围，再继续基于 ipvs 相关层面进行排查。
通过 ipvsadm 命令排查
10.96.0.1 是客户集群 k8s master service vip
可以发现有异常连接，处于 SYN_RECV 的状态，并且可以观察到，启动时 kubelet + kube-proxy 是有正常建连的，说明是在启动之后，k8s service 网络出现异常。
tcpdump 抓包分析
两端进行抓包，并通过 telnet 10.96.0.1 443 命令进行确认。
结论：发现 SYN 包在本机没有发送出去。
初步总结
通过上面的排查，可以再次缩小范围，问题基本就在 kube-proxy 身上。我们采用了 ipvs 模式，也会依赖了 iptables 配置实现一些网络的转发、snat、drop 等等。
根据上面的排查过程，我们又缩小了范围，开始分析怀疑对象 kube-proxy。
查看 kube-proxy 日志
发现异常日志，iptables-restore 命令执行异常。通过 Google、社区查看，确认问题。
相关 issue 链接可以参考下：
继续深入
通过代码查看（1.13.10 版本 pkg/proxy/ipvs/proxier.go:1427），可以发现该版本确实没有判断 KUBE-MARK-DROP 是否存在并创建的逻辑。当出现该链不存在时，会出现逻辑缺陷，导致 iptable 命令执行失败。
k8s master service vip 不通，但是实际容器相关的 ip 是通的原因，与下面这条 iptable 规则有关：
iptable -t nat -A KUBE-SERVICES ! -s 9.0.0.0/8 -m comment --comment "Kubernetes service cluster ip + port for masquerade purpose" -m set --match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst -j KUBE-MARK-MASQ
根因探究
前面我们已经知道了 kube-proxy 1.13.10 版本存在缺陷，在没有创建 KUBE-MARK-DROP 链的情况下，执行 iptables-restore 命令配置规则。但是为何 k8s 1.13.10 版本跑在 centos8.2 4.18 内核的操作系统上会报错，跑在 centos7.6 3.10 内核的操作系统上却正常呢？
查看下 kube-proxy 的源码，可以发现 kube-proxy 其实也就是执行 iptables 命令进行规则配置。那既然 kube-proxy 报错 iptables-restore 命令失败，我们就找一台 4.18 内核的机器，进入 kube-proxy 容器看下情况。
到容器内执行下 iptables-save 命令，可以发现 kube-proxy 容器内确实没有创建 KUBE-MARK-DROP 链（符合代码预期）。继续在宿主机上执行下 iptables-save 命令，却发现是有 KUBE-MARK-DROP 链。
这里有两个疑问：
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为何 4.18 内核宿主机的 iptables 有 KUBE-MARK-DROP 链？
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为何 4.18 内核宿主机的 iptables 规则和 kube-proxy 容器内的规则不一致？
第一个疑惑，凭感觉怀疑除了 kube-proxy，还会有别的程序在操作 iptables，继续撸下 K8S 代码。
>>> 结论：发现确实除了 kube-proxy，还有 kubelet 也会修改 iptables 规则。具体代码可以查看 pkg/kubelet/kubelet_network_linux.go
第二个疑惑，继续凭感觉吧。Google 一发捞一下为何 kube-proxy 容器挂载了宿主机 /run/xtables.lock 文件的情况下，宿主机和容器 iptables 查看的规则不一致。
>>> 结论：CentOS 8 在网络方面摒弃 iptables 采用 nftables 框架作为默认的网络包过滤工具。
至此，所有的谜团都解开了。
团队完成过大量的客户项目交付，还是有些问题可以再解答下：
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问题一：为何这么多客户环境第一次碰到该情况？
因为需要 k8s 1.13.10 + centos 8.2 的操作系统，这个组合罕见，且问题是必现。升级 k8s 1.16.0+ 就不会有该问题。
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问题二：为何使用 k8s 1.13.10 + 5.5 内核却没有该问题？
因为那是与 centos 8 操作系统有关，我们手动升级 5.5 版本后，默认还是使用的 iptables 框架。
可以通过 iptables -v 命令来确认，是否使用了 nftables。
nftables 是何方神圣？比 iptables 好么？这是另一个值得进一步学习的点，这里就不再深入了。
解决方法
针对以上的排查问题，我们总结下解决方法：
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调整内核版本到 3.10（centos 7.6+），或者手动升级内核版本到 5.0 +；
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升级 kubernetes 版本，当前确认 1.16.10+ 版本没有该问题。
