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关于云计算:源码解析-kubectl-portforward-工作原理

jiezi

本文的源码基于 Kubernetes v1.24.0，容器运行时应用 Containerd 1.5，从源码来剖析 kubectl port-forward 的工作原理。

通过 port-forward 流程的剖析，梳理出 kubectl -> api-server -> kubelet -> 容器运行时 的交互，理解 cri 的工作形式。

kubectl

简略创立个 pod：

kubectl run pipy --image flomesh/pipy:latest -n default

在执行 kubectl forward 时增加参数 -v 9 打印日志。

kubectl port-forward pipy 8080 -v 9
...
I0807 21:45:58.457986   14495 round_trippers.go:466] curl -v -XPOST  -H "User-Agent: kubectl/v1.24.3 (darwin/arm64) kubernetes/aef86a9" -H "X-Stream-Protocol-Version: portforward.k8s.io" 'https://192.168.1.12:6443/api/v1/namespaces/default/pods/pipy/portforward'
I0807 21:45:58.484013   14495 round_trippers.go:553] POST https://192.168.1.12:6443/api/v1/namespaces/default/pods/pipy/portforward 101 Switching Protocols in 26 milliseconds
I0807 21:45:58.484029   14495 round_trippers.go:570] HTTP Statistics: DNSLookup 0 ms Dial 0 ms TLSHandshake 0 ms Duration 26 ms
I0807 21:45:58.484035   14495 round_trippers.go:577] Response Headers:
I0807 21:45:58.484040   14495 round_trippers.go:580]     Upgrade: SPDY/3.1
I0807 21:45:58.484044   14495 round_trippers.go:580]     X-Stream-Protocol-Version: portforward.k8s.io
I0807 21:45:58.484047   14495 round_trippers.go:580]     Date: Sun, 07 Aug 2022 13:45:58 GMT
I0807 21:45:58.484051   14495 round_trippers.go:580]     Connection: Upgrade
Forwarding from 127.0.0.1:8080 -> 8080
Forwarding from [::1]:8080 -> 8080

从日志能够看到申请的地址为 /api/v1/namespaces/default/pods/pipy/portforward，其中 portforward 为 pod 资源的子资源。

这里应用的协定是 spdy。

kubectl 此时会监听本地端口，同时应用 pod 子资源 portforward 的 url 创立到 api-server 的连贯。

当本地端口有连贯接入时，kubectl 会 一直地在两个连贯间拷贝数据。

参考源码：

  • staging/src/k8s.io/kubectl/pkg/cmd/portforward/portforward.go:389
  • staging/src/k8s.io/client-go/tools/portforward/portforward.go:242
  • staging/src/k8s.io/client-go/tools/portforward/portforward.go:330

api-server

pod 的三个子资源 exec、attach 和 portforward，对这三个资源的操作都会代理有对应 node 的 kubetlet server 进行解决。

api-server 在接管到拜访 pod 子资源 portforward 的申请后，通过 pod 及其所在 node 的信息，获取拜访该 node 上 kubelet server 的 url。

而后将拜访 pod 的 portforward 的申请，代理到 kubelet server。

参考源码

  • pkg/registry/core/pod/rest/subresources.go:185

kubelet

portforward 申请来到了 pod 所在节点的 kubelet server，在 kubelet server 中，有几个用于调试的 endpoint，portforward 便是其中之一：

  • /run/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
  • /exec/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
  • /attach/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
  • /portforward/{podNamespace}/{podID}
  • /containerLogs/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
  • /runningpods/

kubelet server 收到申请后，首先会通过 RuntimeServiceClient 发送 gRCP 申请到容器运行时的接口（/runtime.v1alpha2.RuntimeService/PortForward）获取容器运行时 streaming server 解决 pordforward 申请的 url。

拿到 portforward streaming 的 url 之后，kubelet server 将申请代理到该 url。

参考源码

  • pkg/kubelet/server/server.go:463
  • pkg/kubelet/server/server.go:873
  • pkg/kubelet/cri/streaming/portforward/portforward.go:46
  • pkg/kubelet/cri/streaming/server.go:111

cri

这里以 Containerd 为例。

Containerd 在启动时会启动 runtime service 和 image service。前者是负责容器相干的操作，后者负责镜像相干的操作。

kubelet 获取用于端口转发的 streaming url，就是调用了 runtime service 的 gRPC 接口实现的。

除了两个 gRPC service 以外，还加载了一系列插件。这些插件中，其中有一个是 cri service。

cri service 会启动 streaming server。这个 server 会响应 /exec、/attach 和 /portforward 的 stream 申请。

portforward 反对两种操作系统 linux 和 windows：sandbox_portforward_linux.go 和 sandbox_portforward_windows.go。

在 linux 上，在 pod 所在的 network namespace 中应用地址 localhost 创立到指标端口的连贯。而后在 streaming server 的连贯和该连贯之间拷贝数据，实现数据的传递。

在 windows 上，是通过 wincat.exe 应用地址 127.0.0.1 创立到指标端口的连贯。

参考源码

  • pkg/cri/streaming/server.go:149
  • pkg/cri/server/streaming.go:69
  • pkg/cri/server/service.go:138
  • pkg/cri/server/sandbox_portforward_linux.go:34

总结

联合源码剖析对 port-foward 工作原理的梳理，置信对 cri 的工作形式也有了肯定的理解。本文是以容器运行时 Containerd 为例，不同的容器运行时尽管实现了 cri，然而实现的细节上也会有所差别。

比方在 port-forward 的实现上，Kubernetes v1.23.0 版本中的 docker shim（1.24 中被移除）中，是应用nsenter 进入 pod 所在的 network namespace 中通过 socat 实现的端口转发。

文章对立公布在公众号 云原生指北

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