CLB 回环问题

问题描述

使用 TKE 一些用户,可能会遇到因 CLB 回环问题导致服务访问不通或访问 Ingress 几秒延时的现象,本文就此问题介绍下相关背景、原因以及一些思考与建议。

有哪些现象?

CLB 回环可能导致的问题现象有:

  1. 不管是 iptables 还是 ipvs 模式,访问本集群内网 Ingress 出现 4 秒延时或不通。
  2. ipvs 模式下,集群内访问本集群 LoadBanacer 类型的内网 Service 出现完全不通,或者时通时不通。

为什么会回环?

根本原因在于 CLB 将请求转发到 rs 时,报文的源目的 IP 都在同一节点内,导致数据包在子机内部回环出不去:

下面我们针对具体场景来分析下。

分析 Ingress 回环

我们先来分析下 Ingress。使用 TKE 默认自带的 Ingress,会为每个 Ingress 资源创建一个 CLB 以及 80,443 的 7 层监听器规则(HTTP/HTTPS),并为 Ingress 每个 location 绑定对应 TKE 各个节点某个相同的 NodePort 作为 rs (每个 location 对应一个 Service,每个 Service 都通过各个节点的某个相同 NodePort 暴露流量),CLB 根据请求匹配 location 转发到相应的 rs (即 NodePort),流量到了 NodePort 后会再经过 K8S 的 iptables 或 ipvs 转发给对应的后端 Pod。集群中的 Pod 访问本集群的内网 Ingress,CLB 将请求转发给其中一台节点的对应 NodePort:

如图,当被转发的这台节点恰好也是发请求的 client 所在节点时:

  1. 集群中的 Pod 访问 CLB,然后 CLB 将请求转发到任意一台节点的对应 NodePort。
  2. 报文到 NodePort 时,目的 IP 是节点 IP,源 IP 是 client pod 的真实 IP, 因为 CLB 不做 SNAT,会将真实源 IP 透传过去。
  3. 由于源 IP 与目的 IP 都在这台机器内,所以就导致了回环,CLB 将收不到来自 rs 的响应。

那为什么访问集群内 Ingress 的故障现象大多是几秒延时呢?因为 7 层 CLB 如果请求 rs 后端超时(大概 4s),会重试下一个 rs,所以如果 client 这侧设置的超时时间较长,出现回环问题的现象就是请求响应慢,有几秒的延时。当然如果集群只有一个节点,CLB 也没得可以重试的 rs,现象就是访问不通了。

分析 LoadBalancer Service 回环

上面分析了 7 层 CLB 的情况,下面来分析下 4 层 CLB。当使用 LoadBalancer 类型的内网 Service 时暴露服务时,会创建内网 CLB 并创建对应的 4 层监听器(TCP/UDP)。当集群内 Pod 访问 LoadBalancer 类型 Service 的 EXTERNAL-IP 时(即 CLB IP),原生 K8S 实际上不会去真正访问 LB,而是直接通过 iptables 或 ipvs 转发到后端 Pod (不经过 CLB):

所以原生 K8S 的逻辑是不会有这个问题的。但在 TKE 的 ipvs 模式下,client 访问 CLB IP 的包会真正到 CLB,所以如果在 ipvs 模式下 Pod 访问本集群 LoadBalancer 类型 Service 的 CLB IP 会遇到回环问题,情况跟前面内网 Ingress 回环类似:

有一点不同的是,四层 CLB 不会重试下一个 rs,当遇到回环时,现象通常是时通时不通;当然如果集群只有一个节点,也就完全不通。

那为什么 TKE 的 ipvs 模式不是用原生 K8S 那样的转发逻辑呢(不经过 LB,直接转发到后端 pod)?这个要从我在 19 年 7 月份发现,到目前为止社区都还没解决的问题说起: https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/79783

这里大概介绍下背景,以前 TKE 的 ipvs 模式集群使用 LoadBalancer 内网 Service 暴露服务,内网 CLB 对后端 NodePort 的健康探测会全部失败,原因是:

  1. ipvs 主要工作在 INPUT 链,需要将要转发的 VIP (Service 的 Cluster IP 和 EXTERNAL-IP )当成本机 IP,才好让报文进入 INPUT 链交给 ipvs 处理。
  2. kube-proxy 的做法是将 Cluster IP 和 EXTERNAL-IP 都绑到一个叫 kube-ipvs0 的 dummy 网卡,这个网卡仅仅用来绑 VIP (内核自动为其生成 local 路由),不用于接收流量。
  3. 内网 CLB 对 NodePort 的探测报文源 IP 是 CLB 自身的 VIP,目的 IP 是 Node IP。当探测报文到达节点时,节点发现源 IP 是本机 IP (因为它被绑到了 kube-ipvs0),就将其丢掉。所以 CLB 的探测报文永远无法收到响应,也就全部探测失败,虽然 CLB 有全死全活逻辑 (全部探测失败视为全部可以被转发),但也相当于探测就没起到任何作用,在某些情况下会造成一些异常。

为了解决这个问题,TKE 的修复策略是:ipvs 模式不绑 EXTERNAL-IPkube-ipvs0 。也就是说,集群内 Pod 访问 CLB IP 的报文不会进入 INPUT 链,而是直接出节点网卡,真正到达 CLB,这样健康探测的报文进入节点时就不会被当成本机 IP 而丢弃,同时探测响应报文也不会进入 INPUT 链导致出不去。

虽然这种方法修复了 CLB 健康探测失败的问题,但也导致集群内 Pod 访问 CLB 的包真正到了 CLB,由于访问集群内的服务,报文又会被转发回其中一台节点,也就存在了回环的可能性。

为什么公网 CLB 没这个问题?

使用公网 Ingress 和 LoadBalancer 类型公网 Service 没有回环问题,我的理解主要是公网 CLB 收到的报文源 IP 是子机的出口公网 IP,而子机内部感知不到自己的公网 IP,当报文转发回子机时,不认为公网源 IP 是本机 IP,也就不存在回环。

CLB 是否有避免回环机制?

有。CLB 会判断源 IP,如果发现后端 rs 也有相同 IP,就不考虑转发给这个 rs,而选择其它 rs。但是,源 Pod IP 跟后端 rs IP 并不相同,CLB 也不知道这两个 IP 是在同一节点,所以还是可能会转发过去,也就可能发生回环。

client 与 server 反亲和部署能否规避?

如果我将 client 跟 server 通过反亲和性部署,避免 client 跟 server 部署在同一节点,能否规避这个问题?默认情况下, LB 通过节点 NodePort 绑定 rs,可能转发给任意节点 NodePort,此时不管 client 与 server 是否在同一节点都可能发生回环。但如果给 Service 设置 externalTrafficPolicy: Local, LB 就只会转发到有 server pod 的节点,如果 client 与 server 通过反亲和调度在不同节点,此时是不会发生回环的,所以反亲和 + externalTrafficPolicy: Local 可以规避此问题(包括内网 Ingress 和 LoadBalancer 类型内网 Service),就是有点麻烦。

VPC-CNI 的 LB 直通 Pod 是否也存在这个问题?

TKE 通常用的 Global Router 网络模式(网桥方案),还有一种是 VPC-CNI (弹性网卡方案)。目前 LB 直通 Pod 只支持 VPC-CNI 的 Pod,即 LB 不绑 NodePort 作为 rs,而是直接绑定后端 Pod 作为 rs:

这样就绕过了 NodePort,不会像之前一样可能会转发给任意节点。但如果 client 与 server 在同一节点,也一样还是可能会发生回环,通过反亲和可以规避。

有什么建议?

反亲和 与 externalTrafficPolicy: Local 的规避方式不太优雅。一般来讲,访问集群内的服务避免访问本集群的 CLB,因为服务本身在集群内部,从 CLB 绕一圈不仅会增加网络链路的长度,还会引发回环问题。

访问集群内服务尽量用 Service 名称,比如:server.prod.svc.cluster.local ,这样就不会经过 CLB,没有回环问题。

如果业务有耦合域名,不能使用 Service 名称,可以使用 coredns 的 rewirte 插件,将域名指向集群内的 Service,coredns 配置示例:

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: coredns
  namespace: kube-system
data:
  Corefile: |2-
        .:53 {
            rewrite name roc.oa.com server.prod.svc.cluster.local
        ...
            

如果多个 Service 共用一个域名,可以自行部署 Ingress Controller (如 nginx-ingress),用上面 rewrite 的方法将域名指向自建的 Ingress Controller,然后自建的 Ingress 根据请求 location (域名+路径) 匹配 Service,再转发给后端 Pod,整段链路也是不经过 CLB,也能规避回环问题。

总结

本文对 TKE 的 CLB 回环问题进行了详细的梳理,介绍了其前因后果以及一些规避的建议。

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