操作指南:调试 Kubernetes 应用程序
调试Kubernetes应用程序通常是一个痛苦的过程,充满未知和不可预知的副作用。当你的Kubernetes集群没有自我愈合时会发生什么?错误配置的资源限制如何影响应用程序在生产环境中运行?如果不遵循一些基本原则,处理这些问题通常会使调试Kubernetes成为一个非常困难的过程。
在《软件测试的艺术》第二版(The Art of Software Testing, Second Edition)中,作者指出“这些原则本质上是心理学的,直觉上是显而易见的,但它们经常被遗忘或忽视。“你有多少次因为没有使用正确的方法而难以找到问题的根源;最后,答案是显而易见的?
当涉及到故障排除和调试时,该过程保持不变,不管它是运行在Kubernetes上的应用程序,还是运行在裸VM上的应用程序。通过从一开始就了解一些关键的指导原则和可能的问题,你可以让调试过程少很多痛苦。
本文为在Kubernetes环境中运行的应用程序提供了一些常见的故障排除和调试技术,还介绍了你可能遇到的最常见的问题。
缓解疼痛的三个简单方法
很多时候,我们会忘记一些简单的技巧,这些技巧可以帮助我们提高工作效率,减少头痛。下面是这类技巧的三种故障排除方法。
关注根本原因
在调试过程中,很容易陷入困境并开始忽略实际问题。因此,请确保你关注任何问题的根本原因,并仔细阅读错误消息!当某些事情没有按照预期工作时,通常会尝试许多与实际故障排除无关的不同方法。例如,你将不断地重新创建一个Pod或更改随机的代码行,并相信这将修复问题。
但是调试是一个解决问题的过程。因此,首先,你必须通过理解特定问题发生的原因来思考并找到根本原因,例如,通过仔细查看Kubernetes事件或应用程序日志。
寻求帮助
网上搜索问题并不是可耻的,看看*类似的问题,并与他人联系。很可能其他人也有和你一样的问题;所以好好利用这一点吧!
对于特定于kubernets的问题,值得这样做:
- 加入Kubernetes Slack频道。
- 看看Kubernetes GitHub仓库的问题。
- 成为Kubernetes社区的一部分。
休息一下
这可能听起来很明显,但是意识到你的能力以及你能保持良好专注多久是非常重要的。如果你无法在合理的时间内定位错误,请暂时放弃它,然后处理其他事情。
Kubernetes部署中可能出现的五个问题
在前一节中,我们讨论了处理调试时的一些通用原则。现在,让我们看看在使用Kubernetes时会出现什么问题,常见的问题是什么,以及如何识别它们。
不正确的资源限制
当你的资源限制设置得过高,并且Kubernetes集群在资源方面没有足够的容量时,则无法在节点上调度应用程序。这意味着它将处于Pending阶段,在运行kubectl get pods时不可见;所以,你应该看看Kubernetes事件。
当超过内存资源限制时,Kubernetes将由于OOM(Out of memory,内存不足)错误而终止Pod。超过CPU资源限制会在操作系统级别限制容器进程,并且它永远不会被驱逐。
活性和就绪探测失败
活性(Liveness)探测是Kubernetes自我修复机制的一部分。如果你的活性探测器由于某种原因失败了,Kubernetes将不会重新启动你的豆荚(Pod),直到它变得健康。
就绪(Readiness)探测确定应用程序何时准备好为流量服务,这意味着Kubernetes服务将不会将任何流量转发给该应用程序,直到探测恢复正常为止。
网络问题
现在,当使用托管的Kubernetes集群时,容器网络(CNI)由云提供商进行监视和维护。但这并不意味着不会有任何问题。
另一方面,配置不当的网络安全策略和/或入侵可能导致从/到应用程序的连接问题。
基于角色的访问控制(RBAC)问题
当在Kubernetes中启用RBAC时,你的应用程序需要使用分配了细粒度角色的服务帐户。但有时这些权限可能不够,导致应用程序本身出现问题。
配置错误、受约束的Pod安全策略
当你的应用程序需要一些特殊的权限,比如访问主机卷或网络时,Pod安全策略就会发挥作用。配置不当的策略意味着你的应用程序无法启动。
Kubernetes原生解决方案
在本节中,我们将重点讨论Kubernetes的内置机制,这些机制可以帮助我们调试应用程序。
Kubernetes事件
Kubernetes事件指示Kubernetes资源状态中的任何更改和错误。这包括超过资源配额或由于RBAC角色配置错误而挂起的Pod,以及任何其他信息消息。作为一个例子,让我们看看“Kubernetes在挂载卷#29166时不断失败”的问题,并使用以下Kubernetes事件:
https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/29166
Warning FailedSync Error syncing pod, skipping: timeout expired waiting for volumes to attach/mount for pod "cinder-init-jrryr"/"default". list of unattached/unmounted volumes=[default-token-ea2n7]
正如在上面的示例中所看到的,Kubernetes事件表示Pod的卷附加/挂载由于超时而出现问题。
为了从特定的命名空间获取Kubernetes事件,运行:
kubectl get events --namespace <namespace-name> --sort-by='{.lastTimestamp}'
调试Pod和容器
容器日志
调试容器日志最明显的方式是通过日志记录机制。在Kubernetes中,每个容器通常都写标准输出(stdout)和标准错误(stderr)流,除非配置了默认的日志记录方法,例如,保存到.log文件。
应用程序日志可以使用以下方法检索:
kubectl -n logs <pod-name>
kubectl -n logs <pod-name> --container <container-name>.
要获得更多kubectl日志示例,请查看此备忘单。
https://kubernetes.io/docs/reference/kubectl/cheatsheet/#interacting-with-running-pods
但是,当一个Pod终止或从节点中驱逐时,所有相应的日志文件都将消失。为了避免这种损失,你需要将日志存储与Kubernetes应用程序生命周期分开。这里是一个使用ELK堆栈进行集中日志记录的示例。
https://kubernetes.io/docs/tasks/debug-application-cluster/logging-elasticsearch-kibana/
Pod的不同阶段
Pod的生命周期包括五个阶段,如下所述:
当你运行以下命令时,你可以看到Pod的实际阶段和状态:
kubectl describe pod <pod-name>
kubectl describe pod <pod-name> -o wide
kubectl describe pod <pod-name> -o yaml
当你的容器不断崩溃时,根据status部分中的终止退出码确定Pod失败的原因是值得的。
另外,当Pod阶段处于Pending状态时,这意味着由于某些问题,例如缺乏权限(RBAC角色)或超过资源限制,应用程序无法启动。在这种情况下,我们有必要看看Kubernetes事件:
kubectl get events --namespace <namespace-name> --sort-by='{.lastTimestamp}'
活性和就绪探测
活性和就绪探测是Kubernetes中高可用性和自愈的关键因素。当活性探测器失败时,你的Pod将不在运行阶段,Kubernetes将重新启动它。你可以通过运行以下命令来检查:
kubectl describe pod <pod-name>
在某些情况下,由于各种问题(如初始数据索引过程可能导致活动和准备就绪探测失败),你的应用程序重启所需的时间将比通常长。在这种情况下,你必须根据应用程序的启动时间调整活性和就绪阈值。
资源限额及配额
根据良好的实践,应该指定资源限制,以帮助Kubernetes调度器确定应用程序是否适合特定的节点。
在更多资源受限的Kubernetes环境中,集群操作符用于配置CPU、内存和其他Kubernetes资源的资源配额,比如卷或集群/命名空间级别允许的Pod数量。
当应用程序不满足资源需求时,这种设置可能会导致一些问题。要想知道这里是否有问题,最简单的方法就是看看Kubernetes事件:
kubectl get events --sort-by='{.lastTimestamp}'
Error from server (Forbidden): error when creating "examples/admin/resource/quota-mem-cpu-pod-2.yaml":
pods "quota-mem-cpu-demo-2" is forbidden: exceeded quota: mem-cpu-demo,
requested: requests.memory=700Mi,used: requests.memory=600Mi, limited: requests.memory=1Gi
正如你在上面的示例中所看到的,Pod的内存请求为700 MiB。但是,当新的内存请求添加到已使用的内存请求时,总数将超过内存命名空间资源配额;这阻止了Pod的运行。
如果希望在命名空间/集群级别监视资源配额使用情况,可以运行以下命令:
kubectl describe quota
kubectl describe quota --namespace <namespace-name>
在正在运行的容器中获得Shell
另一种有趣的故障排除方法是直接执行容器并使用kubectl exec命令获得shell。
kubectl run exec-test-nginx --image=nginx
kubectl exec -it exec-test-nginx-6558988d5-fgxgg -- sh
$ ps -ef |grep kubectl
501 8507 8409 0 7:19PM ttys000 0:00.13 kubectl exec -it exec-test-nginx-6558988d5-fgxgg -- sh
一旦进入,就可以像在本地环境中一样调试实际的应用程序。请注意,Pod必须处于运行阶段,这意味着你不能执行到崩溃的容器中。
在这文章中,你可以了解更多关于kubectl exec是如何工作的。
https://erkanerol.github.io/post/how-kubectl-exec-works/
边车和共享进程命名空间
在创建运行两个容器的Pod的场景中,容器可以共享卷和网络并使用它们进行通信。
根据Kubernetes的容器设计模式,“边车容器扩展并与主容器一起工作。当主容器和需要为其执行的任何次要任务之间存在明显差异时,这种模式最适合使用。”
https://www.weave.works/blog/container-design-patterns-for-kubernetes/
下面的Pod清单显示了一个简单的边车模式:
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: pod-with-sidecar
spec:
volumes:
- name: shared-logs
emptyDir: {}
containers:
- name: app-container
image: alpine
command: ["/bin/sh"]
args: ["-c", "while true; do date >> /var/log/app.txt; sleep 1;done"]
volumeMounts:
- name: shared-logs
mountPath: /var/log
- name: sidecar-container
image: alpine
volumeMounts:
- name: shared-logs
mountPath: /var/log/app-logs
这对调试有什么帮助呢?拥有一个共享的存储和网络,你可以使用localhost loopback进行通信,这为你提供了从另一个容器监视和排除应用程序故障的许多可能性——即使你的主应用程序容器正在崩溃!
如果你的应用程序是作为Deployment运行,你可以简单地添加一个边车容器使用以下命令:
kubectl edit <deployment-name>
完成之后,就可以将shell转移到运行中的边车容器中,如前面部分所述。
调试网络
排除和调试Kubernetes网络问题是困难的。它需要对OSI层、软件定义网络、操作系统以及特定于云提供商的网络有很好的理解。
Kubernetes支持多个容器网络接口(CNI),每个接口的工作方式略有不同。例如,Flannel利用VxLAN覆盖网络,其中IP包封装在UDP上。另一方面,Cilium基于底层的Linux内核技术BPF。可以看到,根据使用的CNI实现,调试过程可能完全不同。
下面让我们看看Kubernetes中常见的网络问题。
防火墙规则阻止网络流量
如果一个容器不能与在同一个Kubernetes集群中运行的其他服务进行外部通信,我们需要执行到容器中,并通过从容器中运行一个简单的ping命令来验证外部连接:
kubectl exec <pod-name>
$ ping google.com
PING google.com (216.58.215.110) 56(84) bytes of data.
64 bytes from waw02s17-in-f14.1e100.net (216.58.215.110): icmp_seq=1 ttl=53 time=19.0 ms
64 bytes from waw02s17-in-f14.1e100.net (216.58.215.110): icmp_seq=2 ttl=53 time=21.8 ms
^C
--- google.com ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1002ms
rtt min/avg/max/mdev = 19.085/20.466/21.847/1.381 ms
此外,如果你想使用不同的网络协议,你可以看看iperf:
# on the server side container
iperf -s -p 8081 -u
# on the client side container
iperf -c 172.28.128.123 -u -p 8081 -b 1K
要了解更多的细节,可以看看Kubernetes使用iperf进行的网络基准测试。
https://operating-kubernetes.info/posts/kubernetes-network-benchmarking/
Kubernetes服务无法工作
在开始调试服务端点之前,必须确保可以通过DNS解析服务名称。为了做到这一点,你可以连到Pod和运行:
nslookup <service-name>
Address 1: 10.0.0.12 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
当你的Kubernetes服务spec.selector部分没有正确定义时,端点部分为空可能是一个常见问题。确保你的Pod是目标服务,通过运行:
kubectl get endpoints <service-name>
NAME ENDPOINTS
hostnames 10.244.0.5:9376,10.244.0.6:9376,10.244.0.7:9376
有关更多信息,请查看调试服务。
https://kubernetes.io/docs/tasks/debug-application-cluster/debug-service/
网络策略阻塞Kubernetes命名空间之间的通信
当容器无法在Kubernetes命名空间之间通信时,可能是由于网络策略阻塞了流量。
下面的网络策略选择所有的Pod,但不允许任何进入流量到这些Pod:
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: default-deny
spec:
podSelector: {}
policyTypes:
- Ingress
你可以通过运行以下命令来查看你的所有策略:
kubectl describe networkpolicy -o yaml --all-namespaces
第三方解决方案
在前一节中,我们讨论了使用内置解决方案调试Kubernetes。本节重点介绍一些可以加速故障排除过程的第三方工具。
一致性测试--Sonobuoy
Sonobuoy是一个由Heptio编写的诊断工具,它可以在Kubernetes集群上运行一致性测试,而不会影响你的工作负载。
它支持:
- 集成端到端(end-to-end,e2e)符合性测试。
- 工作负载调试。
- 通过可扩展插件自定义数据收集。
在研究应用程序问题之前,务必确保Kubernetes集群是可操作的。例如,你可以考虑每天运行Sonobuoy流水线,并在Kubernetes集群没有通过e2e测试时发送Slack通知。
容器工具箱--Kubectl-Debug
Kubectl-debug是一个瑞士军刀容器,带有预先安装的实用工具,可以帮助你在Kubernetes上调试应用程序。例如,在运行的Pod中,它将运行一个新的容器,该容器将共享目标容器的PID、网络、用户和IPC命名空间。参见示例了解更多细节。
https://github.com/aylei/kubectl-debug/blob/master/docs/examples.md
容器性能--Epsagon
如你所知,Kubernetes集群、部署、Pod和容器可能很难配置和维护。Epsagon利用Prometheus的强大功能(你不需要管理或提供它),以丰富的经验和用户界面提供一流的监视和警报。
通过将其集成到你的云环境中,Epsagon提供了易于管理的功能,它拥有光滑的仪表板和查看生产中的一切、自动监视、各种相关性能指标、与通信通道集成的警报以及快速故障诊断。
Epsagon的分布式跟踪在一个仪表板中提供了跟踪、度量和日志的自动关联。
总结
在本文中,我们回顾了运行在Kubernetes集群上的应用程序的一些故障排除和调试技术。当然,在Kubernetes这样的动态环境中,很难预测和覆盖大多数问题。在大多数情况下,仍然会有一些意外。但希望在阅读本文之后,你能够更好地了解应该期望什么,以及纠正最常见问题的整个过程。
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FlippedNormals FlippedNormal 是一个提供计算机图形和 3D 资产的市场,您可以找到许多用于雕刻、建模、纹理、概念艺术、3D 模型、游戏资产或课程的高级资产! 使用说明:使用权限可能因型号而异。因此,在下载文件之前,请仔细检查每个下载页面上的许可证和使用权限。 32. NASA 3D NASA 3D网站是一个在线门户,提供与太空和各种NASA任务相关的大量三维模型和模拟。该网站是用户友好的,并提供有关每个型号的详细信息。该网站允许用户探索和下载几种不同格式的模型,包括 OBJ、STL 和 FBX,只需单击下载按钮即可。 使用说明: 要下载模型,只需单击模型页面上的下载按钮并选择所需的格式。 33. 3DAGOGO (Astroprint) 3DAGOGO 是一个提供广泛 3D 模型的网站,包括角色、车辆和建筑物。3DAGOGO 的独特功能之一是它专注于适合 3D 打印的模型,使其成为希望创建物理原型或模型的设计师的绝佳资源。要使用 3DAGOGO,设计师只需在网站上搜索他们正在寻找的模型类型,然后下载 STL 格式的文件。 使用说明: 要使用 3DAGOGO,只需搜索所需的 3D 模型类型并下载 STL 格式的文件。根据需要自定义模型,并确保在将其用于商业目的之前检查使用权限。 34. FreeCAD FreeCAD是一款了不起的3D建模软件,可让您在计算机上创建令人难以置信的3D设计。该软件可免费下载和使用,它提供了广泛的工具和功能,可用于创建用于各种目的的3D模型。 该网站易于浏览,您可以找到开始使用FreeCAD的所有必要信息。此外,该网站还提供一系列教程和指南,可帮助您了解 3D 建模的来龙去脉。 使用说明: 要下载模型,请访问网站并从库中选择所需的模型。该网站还提供了一系列使用该软件的教程和指南。 35. Pinshape Pinshape是一个提供一系列3D打印模型的网站。网站上提供的型号质量很高,因此您可以确保您的最终印刷产品看起来很棒。该网站提供了广泛的模型,包括从家居用品到小雕像和珠宝的所有物品。 但这还不是Pinshape所能提供的全部!该网站还允许用户上传和共享自己的3D模型。这意味着您不仅可以下载出色的模型,还可以通过分享自己的设计为社区做出贡献。此外,Pinshape 提供了一系列自定义选项,因此您可以调整和调整模型以满足您的特定需求。 使用说明: 要下载模型,请在网站上创建一个帐户,搜索所需的模型,然后单击下载按钮。该网站还为每种型号提供了一系列定制选项。 36.Yeggi Yeggi 提供了大量免费的 3D 模型,您可以下载各种格式的模型,例如 STL、OBJ 和 FBX。该网站易于使用,您可以按关键字、类别或特定网站搜索模型。 Yeggi 对于任何寻找 3D 模型的人来说都是一个很好的资源。它提供了大量的模型集合,从日常物品到复杂的机械,以及介于两者之间的一切。该网站的收藏量在不断增长,每天都有新的型号增加。 使用说明: 要下载模型,请在网站上搜索所需的模型,然后单击下载按钮。该网站还提供指向托管模型的原始网站的链接。 37. Open3DModel 来自开放3D模型的图像 Open3DModel具有各种类别的模型,包括建筑,车辆和角色。无论您需要建筑物,汽车还是人的3D模型,都可以在此网站上找到。 该网站易于浏览,您可以按类别或关键字搜索模型。每个模型都附带预览图像和详细信息,例如文件格式、大小和多边形数量。此信息可以帮助您选择适合您需求的模型。 使用说明: 要下载模型,请访问网站,从库中选择所需的模型,然后单击下载按钮。 使用最好的 3D 资产管理工具简化您的 3D 制作流程。立即试用它们,将您的 3D 项目提升到一个新的水平! 38. 3DExport 对于那些为其 3D 设计项目寻找 3D 模型、纹理和其他资源的人来说,该平台是一个很好的资源。该网站有大量模型可供选择,包括 3D 打印对象、游戏资产等。用户可以按类别、文件格式或价格范围浏览,以找到适合其项目的完美资源。此外,3DExport 还提供一系列教程和其他 3D 资源,以帮助用户提高技能并创建更令人印象深刻的设计。 使用说明: 要使用 3DExport,只需创建一个帐户并浏览可用型号。您可以按类别、格式和价格进行搜索,以找到所需的型号。找到喜欢的模型后,只需下载它并开始在您的项目中使用它。 39.Blend Swap Blend Swap是一个社区驱动的市场,提供与Blender软件兼容的各种免费3D模型。该平台允许用户共享和下载模型、纹理和其他资产,以便在他们的项目中使用。 使用说明: 创建免费帐户后,您可以浏览社区上传的大量3D模型。当您找到要使用的一个时,只需下载它并将其导入您选择的 3D 软件即可。 40. 3DShook 3DShook 是一个高级 3D 模型市场,提供一系列用于建筑、游戏等各个行业的高质量模型。该平台提供基于订阅的模型,具有不同的定价计划,允许用户访问一系列模型。 使用说明: 注册免费帐户后,只需浏览3D模型库,选择您喜欢的模型,然后以您需要的格式下载它们。 41. Smithsonian X 3D 史密森尼 X 3D 对于正在寻找历史文物和文物的高质量 3D 模型的设计师来说,这是一个独特的资源。该平台提供了大量3D模型,这些模型是根据史密森尼博物馆和研究中心中的真实物体扫描创建的。 使用说明:
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