Kubernetes学习(kubectl的工作机制分析)

看到一篇关于kubectl运行的机制，觉得写得非常不错，图文并茂很形象，就翻译成了中文记录一下，原文地址: https://erkanerol.github.io/post/how-kubectl-exec-works/

上周五，我的一位同事问了一个有关如何使用go-client在pod中执行命令的问题。我不知道答案，我注意到我从未想过“ kubectl exec”中的机制。我有一些想法，但是我不100％确定。我需要通过实践来找到答案，在阅读了一些博客，文档和源代码后，我学到了很多东西。在这篇博客中，我将分享我的理解和发现。

如果出现问题，可在以下频道找到我 :https://twitter.com/erkan_erol_

Setup

我克隆了https://github.com/ecomm-integration-ballerina/kubernetes-cluster，以便在MacBook中创建k8s集群。我修改kubelet配置中节点的IP地址，因为默认配置不允许我运行`kubectl exec`。您可以在这里找到根本原因。

下文提到的关于机器的对应关系如下:

any machine = MacBook
master IP = 192.168.205.10
work IP = 192.168.205.11
API server端口 = 6443

Component

kubectl exec：当我们在机器上运行“ kubectl exec…”时，可以在任何有权限访问k8s api服务器上运行。
api server：api server上的组件，用于公开Kubernetes API。它是Kubernetes控制平面的前端。
kubelet：在集群中每个节点上运行的代理。确保容器在容器中运行。
container runtime：负责运行容器的软件。例如：docker，cri-o，containerd…
kernel：工作节点中操作系统的内核，负责管理进程。
target container：作为Pod的一部分并在其中一个工作程序节点上运行的容器。

Findings

1. Client端

在默认名称空间中创建容器

1 2	// any machine $ kubectl run exec-test-nginx --image=nginx

然后运行exec命令并sleep 5000进行观察

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// any machine
$ kubectl exec -it exec-test-nginx-6558988d5-fgxgg -- sh
# sleep 5000

我们可以观察到kubectl过程（在这种情况下为pid = 8507）

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// any machine
$ ps -ef |grep kubectl
501  8507  8409   0  7:19PM ttys000    0:00.13 kubectl exec -it exec-test-nginx-6558988d5-fgxgg -- sh

当我们检查该进程的网络活动时，我们可以看到它与api-server（192.168.205.10.6443）有连接

// any machine
$ netstat -atnv |grep 8507
tcp4       0      0  192.168.205.1.51673    192.168.205.10.6443    ESTABLISHED 131072 131768   8507      0 0x0102 0x00000020
tcp4       0      0  192.168.205.1.51672    192.168.205.10.6443    ESTABLISHED 131072 131768   8507      0 0x0102 0x00000028

让我们检查一下代码。kubectl使用子资源创建一个POST请求,exec并发送一个rest请求。

2. apiserver端

我们可以在api服务器端观察请求。

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handler.go:143] kube-apiserver: POST "/api/v1/namespaces/default/pods/exec-test-nginx-6558988d5-fgxgg/exec" satisfied by gorestful with webservice /api/v1
upgradeaware.go:261] Connecting to backend proxy (intercepting redirects) https://192.168.205.11:10250/exec/default/exec-test-nginx-6558988d5-fgxgg/exec-test-nginx?command=sh&input=1&output=1&tty=1
Headers: map[Connection:[Upgrade] Content-Length:[0] Upgrade:[SPDY/3.1] User-Agent:[kubectl/v1.12.10 (darwin/amd64) kubernetes/e3c1340] X-Forwarded-For:[192.168.205.1] X-Stream-Protocol-Version:[v4.channel.k8s.io v3.channel.k8s.io v2.channel.k8s.io channel.k8s.io]]

请注意，http请求包括协议升级请求。SPDY允许将单独的stdin / stdout / stderr / spdy-error流通过单个TCP连接进行多路复用。

Api服务器收到请求并将其绑定到 PodExecOptions
为了能够采取必要的措施，api-server需要知道应该请求哪个node。

当然，端点是从节点信息派生的。

发现了，KUBELET具有可node.Status.DaemonEndpoints.KubeletEndpoint.Port连接API服务器的端口。

master/node之间的通信> master集群通信 > apiserver到kubelet

这些连接在kubelet的HTTPS端点处终止。默认情况下，API服务器不验证kubelet的服务证书，这使得连接容易遭受中间人攻击，不安全的公共网络。
现在，api服务器知道了端点并打开了连接。
让我们检查master上发生了什么。

首先，得到worker节点的ip。正是192.168.205.11在这种情况下。

// any machine
$ kubectl get nodes k8s-node-1 -o wide
NAME         STATUS   ROLES    AGE   VERSION   INTERNAL-IP      EXTERNAL-IP   OS-IMAGE             KERNEL-VERSION      CONTAINER-RUNTIME
k8s-node-1   Ready    <none>   9h    v1.15.3   192.168.205.11   <none>        Ubuntu 16.04.6 LTS   4.4.0-159-generic   docker://17.3.3

然后获取kubelet端口。在这个例子中是10250。

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// any machine
$ kubectl get nodes k8s-node-1 -o jsonpath='{.status.daemonEndpoints.kubeletEndpoint}'
map[Port:10250]

然后检查网络。是否存在到工作节点（192.168.205.11）的连接？可以看到，当我杀死exec进程时，它消失了，所以我知道它正是由于exec命令而由api-server设置的

// master node
$ netstat -atn |grep 192.168.205.11
tcp        0      0 192.168.205.10:37870    192.168.205.11:10250    ESTABLISHED
...

现在，kubectl和api-server之间的连接仍然打开，并且api-server和kubelet之间还有另一个连接。

3. work节点

让我们通过连接到work节点并检查正在发生的事情。

首先，我们也可以在此处观察连接。第二行。192.168.205.10是master的IP。

// worker node
$ netstat -atn |grep 10250
tcp6       0      0 :::10250                :::*                    LISTEN
tcp6       0      0 192.168.205.11:10250    192.168.205.10:37870    ESTABLISHED

那我们的sleep命令呢？可以通过ps命令找到！！！

// worker node
$ ps -afx
...
31463 ?        Sl     0:00      \_ docker-containerd-shim 7d974065bbb3107074ce31c51f5ef40aea8dcd535ae11a7b8f2dd180b8ed583a /var/run/docker/libcontainerd/7d974065bbb3107074ce31c51
31478 pts/0    Ss     0:00          \_ sh
31485 pts/0    S+     0:00              \_ sleep 5000
...

kubelet如何做到的？
kubelet有一个守护程序，该守护程序通过10250端口与api server通信。
kubelet计算执行请求的响应端点。

不要混淆。它不返回命令的结果。它返回一个通信端点。

kubelet实现的RuntimeServiceClient接口是Container Runtime Interface的一部分。

它仅使用gRPC通过Container Runtime Interface调用方法。

container runtime 负责实施 RuntimeServiceServer

如果是这样，我们需要观察kubelet与容器运行时之间的联系。对？让我们检查。

在运行exec命令之前和之后运行此命令，并检查diff。

// worker node
$ ss -a -p |grep kubelet
...
u_str  ESTAB      0      0       * 157937                * 157387                users:(("kubelet",pid=5714,fd=33))
...

嗯在kubelet（pid = 5714）与某个组件通过UNIX套接字建立了新连接。正是DOCKER（pid = 1186）。

// worker node
$ ss -a -p |grep 157387
...
u_str  ESTAB      0      0       * 157937                * 157387                users:(("kubelet",pid=5714,fd=33))
u_str  ESTAB      0      0      /var/run/docker.sock 157387                * 157937                users:(("dockerd",pid=1186,fd=14))
...

这是运行我们的命令的docker守护进程（pid = 1186）。

// worker node.
$ ps -afx
...
 1186 ?        Ssl    0:55 /usr/bin/dockerd -H fd://
17784 ?        Sl     0:00      \_ docker-containerd-shim 53a0a08547b2f95986402d7f3b3e78702516244df049ba6c5aa012e81264aa3c /var/run/docker/libcontainerd/53a0a08547b2f95986402d7f3
17801 pts/2    Ss     0:00          \_ sh
17827 pts/2    S+     0:00              \_ sleep 5000
...

4. Docker runtime

让我们检查cri-o的源代码以了解它如何发生。逻辑在docker中相似。

它具有一个实现RuntimeServiceServer的服务器。

在链的最后, container runtime在work 节点中执行命令。

最后，kernel执行命令

注意事项

api-server也可以初始化与kubelet的连接。
这些连接将一直持续到交互式执行程序结束。
- kubectl和api server之间的连接
- api server和kubelet之间的连接
- kubelet与container runtime之间的连接
kubectl或api-server无法在work节点中运行任何内容。kubelet可以运行，但也可以与container runtime时交互以进行此类操作。