Kube-Proxy IPVS 模式详解以及故障排查指南

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本文转自 Yoaz 的博客，原文：https://lqingcloud.cn/post/kube-proxy-02/，版权归原作者所有。欢迎投稿，投稿请添加微信好友：cloud-native-yang

在 iptables 工作模式下，iptables 中 KUBE-SEP-XXX 链上规则和 Pod  数量成正比，当集群规模增大（10000 个 Pod 以上）时每个 k8s 节点上 iptables 规则会快速上升，从而影响集群 Service  的连接速度以及 CPU 资源消耗。

为了应对大集群中 iptables 模式的性能问题，kubernetes v1.8 中引入了 ipvs 模式。ipvs 模式在 v1.9 中处于 beta 阶段，在 v1.11 中已经正式可用了。

IPVS 模式详解

ipvs 和 iptables 都是基于 netfilter，但 ipvs 具有以下优势：

• ipvs 连接复杂度为 O(1)，而 IPtables 为 O(n)
• ipvs 支持比 iptables 更复杂的复制均衡算法（最小负载、最少连接、加权等等）
• ipvs 支持服务器健康检查和连接重试等功能

ipvs 模式中参与数据转发的内核工具包括：

• ipvs：将数据包 DNAT
• iptables：将数据包 DROP、masquared（ipvs 模式中，iptables 规则数量是恒定的）
• ipset：iptables 的辅助工具

IPVS 原理

ipvs 两个部分组成，分别是用户空间的管理工具 ipvsadm 以及运行在内核中 ipvs 模块。

如果抛开细节 kube-proxy 在 ipvs 模式下的工作实际上非常简单，下面我们模仿 kube-proxy 在一个节点上创建一个 VIP。通过这个这个 VIP，我们可以负载均衡一个 kubernetes 集群的 kube-apiserver。

主机 A 的地址为 172.24.37.57，vip 为 10.103.97.2:6789，kube-apiserver 地址包括以下三个：

• 172.28.126.39:6443
• 172.28.126.40:6443
• 172.28.126.41:6443

在主机 A 上通过 ipvsadm 创建 ipvs 服务，并关联 Real Server（RS）：

# 创建 server
$ ipvsadm -A -t 10.103.97.2:6789 -s rr

# 管理 Real Service
$ ipvsadm -a -t 10.103.97.2:6789 -r 172.28.126.39:6443 -m
$ ipvsadm -a -t 10.103.97.2:6789 -r 172.28.126.40:6443 -m
$ ipvsadm -a -t 10.103.97.2:6789 -r 172.28.126.41:6443 -m

# 添加NAT
$ iptables -t nat -A POSTROUTING -m ipvs --vaddr 10.103.97.2 --vport 6789 -j MASQUERADE
# 绑定VIP到一张 dummy 网卡
$ ip link add ipvs0 type dummy
$ ip addr add 10.103.97.2/32 dev ipvs0
# 开启 contrack
$ echo 1 >  /proc/sys/net/ipv4/vs/conntrack

通过上述命令，即可实现主机 A 上对三个 kube-apisever 的负载均衡访问。

kube-proxy 通过 kube-apiserver 获取集群中所有的 Service 和 Endpoint 信息，在每个节点上创建 ipvs service/real server。

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ipvs 包含 tunnel（ipip）、direct、nat 三中工作模式，kube-proxy 基于 nat 模式工作。参考：https://blog.csdn.net/qq_15437667/article/details/50644594

HOOK 位置

了解了 kube-proxy 的工作原理，我们可以稍稍挖掘一些细节。

ipvs 基于 netfilter 框架工作，工作原理同样基于在 TCP/IP 协议栈中注入钩子函数，那么 ipvs 的 hook 函数在 TCP/IP 协议栈的那些位置？

为了探明真相我在网上查了非常多的资料，但是并没有发现找到非常满意的答案。

绝大多数文章中 ipvs 在 NF_INET_FORWARD、NF_INET_FORWARD、NF_INET_POST_ROUTING 中添加了 hook 函数，如下图：

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参考-1：https://github.com/liexusong/linux-source-code-analyze/blob/master/lvs-principle-and-source-analysis-part2.md

参考-2：https://blog.csdn.net/raintungli/article/details/39051435

上述文章都只分析了接收数据包的场景，并没有分析发送数据包的场景（即在 ipvs 网关机器上访问 vip）。

结合访问 service 的几种情形，我们可以梳理出以下场景：

id	Src	Dst	经过的链路
1	k8s node	ClusterIP/NodePort	OUTPUT -> POSTROUTING ？？？
2	集群外 node	NodePort	PREROUTING -> INPUT -> ipvs nat -> POSTROUTING
3	Pod	NodePort/ClusterIP	PREROUTING -> INPUT -> ipvs nat -> POSTROUTING

kube-proxy 在 node 上创建了一张 dummy 网卡（kube-ipvs0），使所有访问 ClusterIP 数据包能够在 INPUT Chain 上被 DNAT，上述场景中 2、3 正式这种情况。

场景 1 中数据包从本机 OUTPUT 发出并没有经过 INPUT 发生 DNAT，但实际情况是在 k8s node 主机上直接通过 ClusterIP/ 本机 IP:NodePort，依然是可以正常访问到 Pod 和实际不符。

查阅了 Linux Master  分支上的最新内核代码^[1]，发现在 2010 年 ipvs 已经移除了 NF_INET_POSTROUTING HOOK 点，并且在 NF_INET_LOCAL_OUT 添加了新 HOOK 用于支持 IPVS 的 LocalNode^[2] 功能。

因此上述场景 1 中，我的疑问或许可以通过这个改动得以解释，即 OUTPUT 链上或许 ipvs 同样具有 dnat 能力！

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提交记录：https://github.com/torvalds/linux/commit/cf356d69db0afef692cd640917bc70f708c27f14，https://github.com/torvalds/linux/commit/cb59155f21d4c0507d2034c2953f6a3f7806913d

IPtables

在 ipvs 模式下，kube-proxy 依然使用 iptables 进行 SNAT/MASQUERADE，并且借助 ipset  工具通过 hash 的方式快速识别访问 Service。在这种情况下，kube-proxy 在 iptables  中注入的规则数量是固定不变的包括以下：

数据包入口：OUTPUT/PREROUTING，流量被导入到自定义链 KUBE-SERVICES。

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target         prot opt source               destination         
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */
 
Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target         prot opt source               destination         
KUBE-SERVICES  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service portals */

自定义链 KUBE-SERVICES 中数据包被进行分类，其中第一条规则和第三条规则中 match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst 的含义就是数据包 dst 包含在 ipset 的 KUBE-CLUSTER-IP 字典中时命中改规则，此时流量在 KUBE-MARK-MASQ 链中被打上 MASQUERADE 标记，然后直接进入 INPUT/OUTPUT chain 中的 ipvs 进行 DNAT。

其余访问本地网卡的流量，则进入 KUBE-NODE-PORT 链。

Chain KUBE-SERVICES (2 references)
target          prot opt source               destination         
KUBE-MARK-MASQ  all  -- !10.233.64.0/18       0.0.0.0/0            /* Kubernetes service cluster ip + port for masquerade purpose */ match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst
KUBE-NODE-PORT  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ADDRTYPE match dst-type LOCAL
ACCEPT          all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            match-set KUBE-CLUSTER-IP dst,dst

Chain KUBE-MARK-MASQ (3 references)
target     prot opt source               destination         
MARK       all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK or 0x4000

KUBE-NODE-PORT 链主要用于处理 externalTrafficPolicy 逻辑，其中  KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP 字典记录 Local 模式的 NodePort， 而 KUBE-NODE-PORT-TCP  字典记录了全量 NoderPort。可以看到 Local 模式的数据包没有经过 KUBE-MARK-MASQ 即没有标记 MASQUERADE 。

访问 NodePort 流量会经过 OUTPUT/PREROUTING 上的其他规则，最后进入 ipvs 进行 DNAT。

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PS：iptables 模式中由于 DNAT 在 iptables 上完成后直接进入 next chain，因此访问 NodePort  的数据包无法走完整的 PREROUTING、OUTPUT chain 导致 firewalld 防火墙规则失效，而在 ipvs  模式下并不存在这种问题。

Chain KUBE-NODE-PORT (1 references)
target          prot opt source               destination         
RETURN          tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* Kubernetes nodeport TCP port with externalTrafficPolicy=local */ match-set KUBE-NODE-PORT-LOCAL-TCP dst
KUBE-MARK-MASQ  tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* Kubernetes nodeport TCP port for masquerade purpose */ match-set KUBE-NODE-PORT-TCP dst

经过 ipvs 转发的数据包，最后由 POSTROUTING 进入 MASQUERADE 。

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A 访问 B 时，如果数据包（SRC：A，DST：B）在 B 上发生了 DNAT（SRC：A，DST：C），则 C 发出的应答包为（SRC：C，DST：A），由于 C 可能和 A 不是同一个子网因此包可能无法送达。

上述场景中需要进行 SNAT，整个流程变为 （SRC：A，DST：B）-> B(DNAT and SNAT) ->  （SRC：B，DST：C） -> C 应答 ->（SRC：C，DST：B）-> B ->（SRC：B，DST：A)  -> A

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target            prot opt source               destination         
KUBE-POSTROUTING  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes postrouting rules */

Chain KUBE-POSTROUTING (1 references)
target      prot opt source               destination         
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* Kubernetes endpoints dst ip:port, source ip for solving hairpin purpose */ match-set KUBE-LOOP-BACK dst,dst,src
RETURN      all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            mark match ! 0x4000/0x4000
MARK        all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            MARK xor 0x4000
MASQUERADE  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* kubernetes service traffic requiring SNAT */

将上述流程绘制成图如下：

VIP 访问 NodePort 失效

在单个网卡上通过 ip addr 命令为网卡配置 VIP 时，无法通过 VIP 访问 NodePort 服务，网卡的信息如下：

2: rcosmgmt: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether fa:16:3e:d6:d2:99 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.28.110.16/24 brd 172.16.1.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 172.28.110.7/24 scope global secondary eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

进一步定位发现 kube-proxy 没有为 VIP(172.28.110.7) 地址创建 ipvs 服务。此时通过 curl 命令访问 vip:NodePort 卡死，但 tcpdump 测试发现报文传输正常。

造成上述奇怪现象的原因是：数据包没有经过 ivps dnat，直接发送到了 kube-proxy 的监听端口。

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kube-proxy 为每个 NodePort 创建对应的监听端口，该端口仅用来标记 NodePort 端口已经被使用。

解决方案一

官方 issues/75443^[3] 提及当前 ipvs 模式下，kube-proxy 获取本地网卡的 ip 地址时，无法获取辅助 IP，即被标记为 scope global secondary ip 地址。

该 ISSUES 中最后给出的规避方案是将 VIP 的子网掩码设置为 32。

Linux 内核中，通过 ip 命令在设备上添加 primary ip 同网段的 ip 时，这些 ip 显示为 secondary ip ，并且通过 ifconfig 命令无法查看到。如果添加的 ip 不是同网段的，那么都作为 primary ip。

kube-proxy 默认情况下，将 NodePort 绑定到本地路由表的 src 地址（即以这个 ip:NodePort 创建 ipvs-service），其代码实现等价于以下命令：

$ ip route show table local type local proto kernel | grep -v  kube-ipvs0 

local 172.28.110.7 dev rcosmgmt scope host src 172.28.110.16   # 172.28.110.7 是 secondary ip，即 vip
local 172.28.110.16 dev rcosmgmt scope host src 172.28.110.16  # 172.28.110.16 是 primary ip

从上述输出可以看出，rcosmgmt 虽然都有两条路由记录，但是 src 地址均是 primary ip，因此 kubeproxy 没有绑定 NodePort 到 secondary ip（VIP）。

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PS：个人分析这是 ip 命令的实现造成的，具体为啥这样可能需要更深入分析。

解决方案二

仔细阅读 kube-proxy 源码后，发现还有更好解决方案。

用户可以在 kube-proxy 配置文件中添加 nodePortAddresses 配置，使 kube-proxy 直接从网卡配置的 ip 上获取 NodePort 绑定的地址，配置如下：

apiVersion: kubeproxy.config.k8s.io/v1alpha1
kind: KubeProxyConfiguration
nodePortAddresses: 
- "127.0.0.1/8"
- "172.28.110.0/24"

上述配置，kube-proxy 会获取网卡所有配置的 ip 并选择属于 “172.28.110.0/24” 和 “127.0.0.1/8” 的地址来绑定 NodePort ，这种情况下 secondary ip 也能正常绑定。

kube-proxy 更新 ipvs 规则的逻辑在 pkg/proxy/ipvs/proxier.go 文件中， Proxier 类的 syncProxyRules() 方法中实现：

func (proxier *Proxier) syncProxyRules() {
 
 // 省略其他逻辑 ...
 
 // 当定义了 NodePort 时，获取本地 IP
 if hasNodePort {
  // 通过 GetNodeAddresses 接口获取本地 ip，该方法直接获取设备上配置的 ip 地址，并判断对应的 ip 是否包含在 NodePortAddresses 定义的网段中，如果是将 ip 加入返回的 list 中。
  // 以下情况返回结果会插入 0.0.0.0/0，此时后续逻辑会再次通过路由表获取本地ip
  // 1. 当 NodePortAddresses 为空或者定义了 0.0.0.0/0 
  // 2. 所有设备的 ip 都没有包含在 NodePortAddresses 中的 cidr 中
  nodeAddrSet, err := utilproxy.GetNodeAddresses(proxier.nodePortAddresses, proxier.networkInterfacer)
  if err != nil {
   klog.Errorf("Failed to get node ip address matching nodeport cidr: %v", err)
  } else {
   nodeAddresses = nodeAddrSet.List()
   for _, address := range nodeAddresses {
    // ipGetter.NodeIPs() 获取本地 ip，该方法通过本地路由表获取 ip。
    if utilproxy.IsZeroCIDR(address) {
     nodeIPs, err = proxier.ipGetter.NodeIPs()
     if err != nil {
      klog.Errorf("Failed to list all node IPs from host, err: %v", err)
     }
     break
    }
    nodeIPs = append(nodeIPs, net.ParseIP(address))
   }
  }
 }

 // Build IPVS rules for each service.
 for svcName, svc := range proxier.serviceMap {

        // 省略其他逻辑 ...
  
  if svcInfo.NodePort() != 0 {

            // 省略其他逻辑 ...
   
   // 为每个 nodeIP:NodePort 创建 svc
   for _, nodeIP := range nodeIPs {
    // ipvs call
    serv := &utilipvs.VirtualServer{
     Address:   nodeIP,
     Port:      uint16(svcInfo.NodePort()),
     Protocol:  string(svcInfo.Protocol()),
     Scheduler: proxier.ipvsScheduler,
                }
   }

            // 省略其他逻辑 ...
  }
 }


}

总结

kube-proxy 可以通过 nodePortAddresses 选择 NodePort 绑定在那些本地 ip 上。当该值为空时 kube-proxy 回退到通过本地路由表来选择 NodePort 绑定的 ip，此时可能出现辅助 ip 无法绑定的情况。

访问 127.0.0.1:NodePort 失效

当使用 Kube-Proxy ipvs 模式时，在 kubernetes 节点上无法使用 127.0.0.1:NodePort 访问服务，而在 Kube-Proxy iptables 模式时该问题并不存在。

按照官方 issues/67730^[4] 的分析，原因是：内核 crosses_local_route_boundary 函数进行路由合法性检查失败，数据包被丢弃。

解决方案

如果有使用 127.0.0.1 访问 NodePort 的需求可以使用 iptables 模式。kube-proxy 配置 iptables 模式时，会自动开启内核的 route_localnet 参数：

route_localnet - BOOLEAN
    Do not consider loopback addresses as martian source or destination
    while routing. This enables the use of 127/8 for local routing purposes.
    default FALSE

开启上述配置后，linux 将支持 127.0.0.1 地址的路由，并正常进行 NAT 地址转换。

参考文档

• ipvs-based-in-cluster-load-balancing-deep-dive^[5]
• ipvs 基本介绍^[6]
• IPVS 学习手册^[7]
• IPVS 使用的 Netfilter Hook 点^[8]
• create-a-ipvs-svc-without-container^[9]
• issues/67730^[10]
• issues/96879^[11]
• pull/101023^[12]
• 为什么不能将客户端的连接请求跳转或转发到本机lo回环接口上？^[13]

引用链接

[1]

Linux Master  分支上的最新内核代码: https://github.com/torvalds/linux/blob/master/net/netfilter/ipvs/ip_vs_core.c

[2]

LocalNode: http://www.linuxvirtualserver.org/docs/LocalNode.html

[3]

issues/75443: https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/75443

[4]

issues/67730: https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/67730#issuecomment-578859752

[5]

ipvs-based-in-cluster-load-balancing-deep-dive: https://kubernetes.io/blog/2018/07/09/ipvs-based-in-cluster-load-balancing-deep-dive/

[6]

ipvs 基本介绍: https://www.qikqiak.com/post/how-to-use-ipvs-in-kubernetes/

[7]

IPVS 学习手册: https://www.hwchiu.com/tags/IPVS/

[8]

IPVS 使用的 Netfilter Hook 点: https://blog.csdn.net/sinat_20184565/article/details/101271253

[9]

create-a-ipvs-svc-without-container: https://cloudnative.to/blog/create-a-ipvs-svc-without-container/

[10]

issues/67730: https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/67730

[11]

issues/96879: https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/96879

[12]

pull/101023: https://github.com/kubernetes/kubernetes/pull/101023

[13]

为什么不能将客户端的连接请求跳转或转发到本机lo回环接口上？: https://www.cnblogs.com/hanyifeng/p/6723964.html

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