K8s罪魁祸首之"HostPort劫持了我的流量"
最近排查了一个kubernetes中使用了hostport后遇到比较坑的问题，奇怪的知识又增加了.
问题背景
集群环境为K8s v1.15.9，cni指定了flannel-vxlan跟portmap, kube-proxy使用mode为ipvs，集群3台master,同时也是node，这里以node-1/node-2/node-3来表示。
集群中有2个mysql, 部署在两个namespace下，mysql本身不是问题重点，这里就不细说，这里以mysql-A,mysql-B来表示。
mysql-A落在node-1上，mysql-B落在node-2上， 两个数据库svc名跟用户、密码完全不相同
出现诡异的现象这里以一张图来说明会比较清楚一些:
其中绿线的表示访问没有问题，红线表示连接Mysql-A提示用户名密码错误。
特别诡异的是，当在Node-2上通过svc访问Mysql-A时，输入Mysql-A的用户名跟密码提示密码错误，密码确认无疑，但当输入Mysql-B的用户名跟密码，居然能够连接上，看了下数据，连上的是Mysql-B的数据库，给人的感觉就是请求转到了Mysql-A, 最后又转到了Mysql-B，当时让人大跌眼镜。碰到诡异的问题那就排查吧，排查的过程倒是不费什么事，最主要的是要通过这次踩坑机会挖掘一些奇怪的知识出来。
排查过程
既然在Node-1上连接Mysql-A/Mysql-B都没有问题，那基本可以排查是Mysql-A的问题
经实验，在Node-2上所有的服务想要连Mysql-A时，都有这个问题，但是访问其它的服务又都没有问题，说明要么是mysql-A的3306这个端口有问题，通过上一步应该排查了mysql-A的问题，那问题只能出在Node-2上
在k8s中像这样的请求转发出现诡异现象，当排除了一些常见的原因之外，最大的嫌疑就是iptables了，作者遇到过多次，这次也不例外，虽然当前集群使用的ipvs， 但还是照例看下iptables规则，查看Node-2上的iptables与Node-1的iptables比对，结果有蹊跷, 在Node-2上发现有以下的规则在其它节点上没有
-A CNI-DN-xxxx -p tcp -m tcp --dport 3306 -j DNAT --to-destination 10.224.0.222:3306
-A CNI-HOSTPORT-DNAT -m comment --comment "dnat name": \"cni0\" id: \"xxxxxxxxxxxxx\"" -j CNI-DN-xxx
-A CNI-HOSTPORT-SNAT -m comment --comment "snat name": \"cni0\" id: \"xxxxxxxxxxxxx\"" -j CNI-SN-xxx
-A CNI-SN-xxx -s 127.0.0.1/32 -d 10.224.0.222/32 -p tcp -m tcp --dport 80 -j MASQUERADE
其中10.224.0.222为Mysql-B的pod ip, xxxxxxxxxxxxx经查实为Mysql-B对应的pause容器的id，从上面的规则总结一下就是目的为3306端口的请求都会转发到10.224.0.222这个地址，即Mysql-B。看到这里，作者明白了为什么在Node-2上去访问Node-1上Mysql-A的3306会提示密码错误而输入Mysql-B的密码却可以正常访问虽然两个mysql的svc名不一样，但上面的iptables只要目的端口是3306就转发到Mysql-B了，当请求到达mysql后，使用正确的用户名密码自然可以登录成功
原因是找到了，但是又引出来了更多的问题?
- 这几条规则是谁入到iptables中的？
- 怎么解决呢，是不是删掉就可以?
问题复现
同样是Mysql，为何Mysql-A没有呢? 那么比对一下这两个Mysql的部署差异
比对发现, 除了用户名密码，ns不一样外，Mysql-B部署时使用了hostPort=3306, 其它的并无异常
难道是因为hostPort？
作者日常会使用NodePort，倒却是没怎么在意hostPort,也就停留在hostPort跟NodePort的差别在于NodePort是所有Node上都会开启端口，而hostPort只会在运行机器上开启端口，由于hostPort使用的也少，也就没太多关注，网上短暂搜了一番，描述的也不是很多，看起来大家也用的不多
那到底是不是因为hostPort呢?
Talk is cheap, show me the code
通过实验来验证，这里简单使用了三个nginx来说明问题, 其中两个使用了hostPort，这里特意指定了不同的端口，其它的都完全一样，发布到集群中，yaml文件如下
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-hostport2
labels:
k8s-app: nginx-hostport2
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
k8s-app: nginx-hostport2
template:
metadata:
labels:
k8s-app: nginx-hostport2
spec:
nodeName: spring-38
containers:
- name: nginx
image: nginx:latest
ports:
- containerPort: 80
hostPort: 31123
Finally,问题复现:
可以肯定，这些规则就是因为使用了hostPort而写入的,但是由谁写入的这个问题还是没有解决?
罪魁祸首
作者开始以为这些iptables规则是由kube-proxy写入的, 但是查看kubelet的源码并未发现上述规则的关键字
再次实验及结合网上的探索，可以得到以下结论:
首先从kubernetes的官方发现以下描述:
The CNI networking plugin supports hostPort. You can use the official portmap[1] plugin offered by the CNI plugin team or use your own plugin with portMapping functionality.
If you want to enable hostPort support, you must specify portMappings capability in your cni-conf-dir. For example:
{
"name": "k8s-pod-network",
"cniVersion": "0.3.0",
"plugins": [
{
# ...其它的plugin
}
{
"type": "portmap",
"capabilities": {"portMappings": true}
}
]
}
参考官网的Network-plugins[2]
也就是如果使用了hostPort， 是由portmap这个cni提供portMapping能力，同时，如果想使用这个能力，在配置文件中一定需要开启portmap，这个在作者的集群中也开启了，这点对应上了
另外一个比较重要的结论是:The CNI 'portmap' plugin, used to setup HostPorts for CNI, inserts rules at the front of the iptables nat chains; which take precedence over the KUBE- SERVICES chain. Because of this, the HostPort/portmap rule could match incoming traffic even if there were better fitting, more specific service definition rules like NodePorts later in the chain
参考: https://ubuntu.com/security/CVE-2019-9946
翻译过来就是使用hostPort后，会在iptables的nat链中插入相应的规则，而且这些规则是在KUBE-SERVICES规则之前插入的，也就是说会优先匹配hostPort的规则，我们常用的NodePort规则其实是在KUBE-SERVICES之中，也排在其后
从portmap的源码中果然是可以看到相应的代码
感兴趣的可以的plugins[3]项目的meta/portmap/portmap.go中查看完整的源码
所以，最终是调用portmap写入的这些规则.
端口占用
进一步实验发现，hostport可以通过iptables命令查看到， 但是无法在ipvsadm中查看到
使用lsof/netstat也查看不到这个端口,这是因为hostport是通过iptables对请求中的目的端口进行转发的，并不是在主机上通过端口监听
既然lsof跟netstat都查不到端口信息，那这个端口相当于没有处于listen状态?
如果这时再部署一个hostport指定相同端口的应用会怎么样呢?
结论是: 使用hostPort的应用在调度时无法调度在已经使用过相同hostPort的主机上，也就是说，在调度时会考虑hostport
如果强行让其调度在同一台机器上，那么就会出现以下错误，如果不删除的话，这样的错误会越来越多，吓的作者赶紧删了.
如果这个时候创建一个nodePort类型的svc， 端口也为31123,结果会怎么样呢?
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-nodeport2
labels:
k8s-app: nginx-nodeport2
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
k8s-app: nginx-nodeport2
template:
metadata:
labels:
k8s-app: nginx-nodeport2
spec:
nodeName: spring-38
containers:
- name: nginx
image: nginx:latest
ports:
- containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx-nodeport2
spec:
type: NodePort
ports:
- port: 80
targetPort: 80
nodePort: 31123
selector:
k8s-app: nginx-nodeport2
可以发现，NodePort是可以成功创建的，同时监听的端口也出现了.
从这也可以说明使用hostposrt指定的端口并没有listen主机的端口，要不然这里就会提示端口重复之类
那么问题又来了，同一台机器上同时存在有hostPort跟nodePort的端口，这个时候如果curl 31123时， 访问的是哪一个呢?
经多次使用curl请求后，均是使用了hostport那个nginx pod收到请求
原因还是因为KUBE-NODE-PORT规则在KUBE-SERVICE的链中是处于最后位置，而hostPort通过portmap写入的规则排在其之前
因此会先匹配到hostport的规则，自然请求就被转到hostport所在的pod中，这两者的顺序是没办法改变的，因此无论是hostport的应用发布在前还是在后都无法影响请求转发
另外再提一下，hostport的规则在ipvsadm中是查询不到的，而nodePort的规则则是可以使用ipvsadm查询得到
问题解决
要想把这些规则删除，可以直接将hostport去掉，那么规则就会随着删除,比如下图中去掉了一个nginx的hostport
另外使用较多的port-forward也是可以进行端口转发的，它又是个什么情况呢? 它其实使用的是socat及netenter工具，网上看到一篇文章，原理写的挺好的，感兴趣的可以看一看
参考: https://vflong.github.io/sre/k8s/2020/03/15/how-the-kubectl-port-forward-command-works.html
生产建议
一句话，生产环境除非是必要且无他法，不然一定不要使用hostport，除了会影响调度结果之外，还会出现上述问题，可能造成的后果是非常严重的。
