揭秘-Kubernetes-attachdetach-controller-逻辑漏洞致使-pod-启动失败

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前言

本文主要通过深入学习 k8s attach/detach controller 源码,了解现网案例发现的 attach/detach controller bug 发生的原委,并给出解决方案。

看完本文你也将学习到:

  • attach/detach controller 的主要数据结构有哪些,保存什么数据,数据从哪来,到哪去等等;
  • k8s attach/detach volume 的详细流程,如何判断 volume 是否需要 attach/detach,attach/detach controller 和 kubelet(volume manager)如何协同工作等等。

现网案例现象

我们首先了解下现网案例的问题和现象;然后去深入理解 ad controller 维护的数据结构;之后根据数据结构与 ad controller 的代码逻辑,再来详细分析现网案例出现的原因和解决方案。从而深入理解整个 ad controller。

问题描述

  • 一个 statefulsets(sts)引用了多个 pvc cbs,我们更新 sts 时,删除旧 pod,创建新 pod,此时如果删除旧 pod 时 cbs detach 失败,且创建的新 pod 调度到和旧 pod 相同的节点,就可能会让这些 pod 一直处于ContainerCreating

现象

  • kubectl describe pod

  • kubelet log

  • kubectl get node xxx -oyamlvolumesAttachedvolumesInUse
volumesAttached:
  - devicePath: /dev/disk/by-id/virtio-disk-6w87j3wv
    name: kubernetes.io/qcloud-cbs/disk-6w87j3wv
volumesInUse:
  - kubernetes.io/qcloud-cbs/disk-6w87j3wv
  - kubernetes.io/qcloud-cbs/disk-7bfqsft5

k8s 存储简述

k8s 中 attach/detach controller 负责存储插件的 attach/detach。本文结合现网出现的一个案例来分析 ad controller 的源码逻辑,该案例是因 k8s 的 ad controller bug 导致的 pod 创建失败。

k8s 中涉及存储的组件主要有:attach/detach controller、pv controller、volume manager、volume plugins、scheduler。每个组件分工明确:

  • attach/detach controller:负责对 volume 进行 attach/detach
  • pv controller:负责处理 pv/pvc 对象,包括 pv 的 provision/delete(cbs intree 的 provisioner 设计成了 external provisioner,独立的 cbs-provisioner 来负责 cbs pv 的 provision/delete)
  • volume manager:主要负责对 volume 进行 mount/unmount
  • volume plugins:包含 k8s 原生的和各厂商的的存储插件

    • 原生的包括:emptydir、hostpath、flexvolume、csi 等
    • 各厂商的包括:aws-ebs、azure、我们的 cbs 等
  • scheduler:涉及到 volume 的调度。比如对 ebs、csi 等的单 node 最大可 attach 磁盘数量的 predicate 策略

控制器模式是 k8s 非常重要的概念,一般一个 controller 会去管理一个或多个 API 对象,以让对象从实际状态 / 当前状态趋近于期望状态。

所以 attach/detach controller 的作用其实就是去 attach 期望被 attach 的 volume,detach 期望被 detach 的 volume。

后续 attach/detach controller 简称 ad controller。

ad controller 数据结构

对于 ad controller 来说,理解了其内部的数据结构,再去理解逻辑就事半功倍。ad controller 在内存中维护 2 个数据结构:

  1. actualStateOfWorld —— 表征实际状态(后面简称 asw)
  2. desiredStateOfWorld —— 表征期望状态(后面简称 dsw)

很明显,对于声明式 API 来说,是需要随时比对实际状态和期望状态的,所以 ad controller 中就用了 2 个数据结构来分别表征实际状态和期望状态。

actualStateOfWorld

actualStateOfWorld 包含 2 个 map:

  • attachedVolumes:包含了那些 ad controller 认为被成功 attach 到 nodes 上的 volumes
  • nodesToUpdateStatusFor:包含要更新node.Status.VolumesAttached 的 nodes
attachedVolumes
如何填充数据?

1、在启动 ad controller 时,会 populate asw,此时会 list 集群内所有 node 对象,然后用这些 node 对象的node.Status.VolumesAttached 去填充attachedVolumes

2、之后只要有需要 attach 的 volume 被成功 attach 了,就会调用MarkVolumeAsAttachedGenerateAttachVolumeFunc 中)来填充到attachedVolumes 中

如何删除数据?

1、只有在 volume 被 detach 成功后,才会把相关的 volume 从 attachedVolumes 中删掉。(GenerateDetachVolumeFunc 中调用MarkVolumeDetached)

nodesToUpdateStatusFor
如何填充数据?

1、detach volume 失败后,将 volume add back 到nodesToUpdateStatusFor

​ – GenerateDetachVolumeFunc 中调用AddVolumeToReportAsAttached

如何删除数据?

1、在 detach volume 之前会先调用 RemoveVolumeFromReportAsAttachednodesToUpdateStatusFor 中先删除该 volume 相关信息

desiredStateOfWorld

desiredStateOfWorld 中维护了一个 map:

nodesManaged:包含被 ad controller 管理的 nodes,以及期望 attach 到这些 node 上的 volumes。

nodesManaged
如何填充数据?

1、在启动 ad controller 时,会 populate asw,list 集群内所有 node 对象,然后把由 ad controller 管理的 node 填充到nodesManaged

2、ad controller 的nodeInformer watch 到 node 有更新也会把 node 填充到nodesManaged

3、另外在 populate dsw 和podInformer watch 到 pod 有变化(add, update)时,往nodesManaged 中填充 volume 和 pod 的信息

4、desiredStateOfWorldPopulator 中也会周期性地去找出需要被 add 的 pod,此时也会把相应的 volume 和 pod 填充到nodesManaged

如何删除数据?

1、当删除 node 时,ad controller 中的nodeInformer watch 到变化会从 dsw 的nodesManaged 中删除相应的 node

2、当 ad controller 中的podInformer watch 到 pod 的删除时,会从nodesManaged 中删除相应的 volume 和 pod

3、desiredStateOfWorldPopulator 中也会周期性地去找出需要被删除的 pod,此时也会从nodesManaged 中删除相应的 volume 和 pod

ad controller 流程简述

ad controller 的逻辑比较简单:

1、首先,list 集群内所有的 node 和 pod,来 populate actualStateOfWorld (attachedVolumes )和desiredStateOfWorld (nodesManaged)

2、然后,单独开个 goroutine 运行reconciler,通过触发 attach, detach 操作周期性地去 reconcile asw(实际状态)和 dws(期望状态)

  • 触发 attach,detach 操作也就是,detach 该被 detach 的 volume,attach 该被 attach 的 volume

3、之后,又单独开个 goroutine 运行DesiredStateOfWorldPopulator,定期去验证 dsw 中的 pods 是否依然存在,如果不存在就从 dsw 中删除

现网案例

接下来结合上面所说的现网案例,来详细看看 reconciler 的逻辑。

案例初步分析

  • 从 pod 的事件可以看出来:ad controller 认为 cbs attach 成功了,然后 kubelet 没有 mount 成功。
  • 但是 从 kubelet 日志却发现Volume not attached according to node status,也就是说 kubelet 认为 cbs 没有按照 node 的状态去挂载。这个从 node info 也可以得到证实:volumesAttached 中的确没有这个 cbs 盘(disk-7bfqsft5)。
  • node info 中还有个现象:volumesInUse 中还有这个 cbs。说明没有 unmount 成功

很明显,cbs 要能被 pod 成功使用,需要 ad controller 和 volume manager 的协同工作。所以这个问题的定位首先要明确:

  1. volume manager 为什么认为 volume 没有按照 node 状态挂载,ad controller 却认为 volume attch 成功了?
  2. volumesAttachedvolumesInUse 在 ad controller 和 kubelet 之间充当什么角色?

这里只对分析 volume manager 做简要分析。

  • 根据Volume not attached according to node status 在代码中找到对应的位置,发现在GenerateVerifyControllerAttachedVolumeFunc 中。仔细看代码逻辑,会发现

    • volume manager 的 reconciler 会先确认该被 unmount 的 volume 被 unmount 掉
    • 然后确认该被 mount 的 volume 被 mount

      • 此时会先从 volume manager 的 dsw 缓存中获取要被 mount 的 volumes(volumesToMountpodsToMount
      • 然后遍历,验证每个 volumeToMount 是否已经 attach 了

        • 这个 volumeToMount是由 podManager 中的 podInformer 加入到相应内存中,然后 desiredStateOfWorldPopulator 周期性同步到 dsw 中的
      • 验证逻辑中,在 GenerateVerifyControllerAttachedVolumeFunc 中会去遍历本节点的node.Status.VolumesAttached,如果没有找到就报错(Volume not attached according to node status
  • 所以可以看出来,volume manager 就是根据 volume 是否存在于node.Status.VolumesAttached 中来判断 volume 有无被 attach 成功
  • 那谁去填充node.Status.VolumesAttached?ad controller 的数据结构nodesToUpdateStatusFor 就是用来存储要更新到node.Status.VolumesAttached 上的数据的。
  • 所以,如果 ad controller 那边没有更新 node.Status.VolumesAttached,而又新建了 pod,desiredStateOfWorldPopulator 从 podManager 中的内存把新建 pod 引用的 volume 同步到了volumesToMount 中,在验证 volume 是否 attach 时,就会报错(Volume not attached according to node status)

    • 当然,之后由于 kublet 的 syncLoop 里面会调用WaitForAttachAndMount 去等待 volumeattach 和 mount 成功,由于前面一直无法成功,等待超时,才会有会面timeout expired 的报错

所以接下来主要需要看为什么 ad controller 那边没有更新node.Status.VolumesAttached

ad controller 的 reconciler 详解

接下来详细分析下 ad controller 的逻辑,看看为什么会没有更新node.Status.VolumesAttached,但从事件看 ad controller 却又认为 volume 已经挂载成功。

从流程简述中表述可见,ad controller 主要逻辑是在 reconciler 中。

  • reconciler定时去运行reconciliationLoopFunc,周期为 100ms。
  • reconciliationLoopFunc的主要逻辑在 reconcile() 中:

    1. 首先,确保该被 detach 的 volume 被 detach 掉

      • 遍历 asw 中的attachedVolumes,对于每个 volume,判断其是否存在于 dsw 中

        • 根据 nodeName 去 dsw.nodesManaged 中判断 node 是否存在
        • 存在的话,再根据 volumeName 判断 volume 是否存在
      • 如果 volume 存在于 asw,且不存在于 dsw,则意味着需要进行 detach
      • 之后,根据 node.Status.VolumesInUse 来判断 volume 是否已经 unmount 完成,unmount 完成或者等待 6min timeout 时间到后,会继续 detach 逻辑
      • 在执行 detach volume 之前,会先调用 RemoveVolumeFromReportAsAttached 从 asw 的 nodesToUpdateStatusFor 中去删除要 detach 的 volume
      • 然后 patch node,也就等于从 node.status.VolumesAttached 删除这个 volume
      • 之后进行 detach,detach 失败主要分 2 种

        • 如果真正执行了 volumePlugin 的具体实现 DetachVolume 失败,会把 volume add back 到nodesToUpdateStatusFor(之后在 attach 逻辑结束后,会再次 patch node)
        • 如果是 operator_excutor 判断还没到 backoff 周期,就会返回backoffError,直接跳过DetachVolume
      • backoff 周期起始为 500ms,之后指数递增至 2min2s。已经 detach 失败了的 volume,在每个周期期间进入 detach 逻辑都会直接返回backoffError
    2. 之后,确保该被 attach 的 volume 被 attach 成功

      • 遍历 dsw 的nodesManaged,判断 volume 是否已经被 attach 到该 node,如果已经被 attach 到该 node,则跳过 attach 操作
      • 去 asw.attachedVolumes 中判断是否存在,若不存在就认为没有 attach 到 node

        • 若存在,再判断 node,node 也匹配就返回attachedConfirmed
 - 而 `attachedConfirmed` 是由 asw 中 `AddVolumeNode` 去设置的,`MarkVolumeAsAttached` 设置为 true。(true 即代表该 volume 已经被 attach 到该 node 了)- 之后判断是否禁止多挂载,再由 operator_excutor 去执行 attach

3. 最后,`UpdateNodeStatuses` 去更新 node status


案例详细分析

  • 前提

    • volume detach 失败
    • sts+cbs(pvc),pod recreate 前后调度到相同的 node
  • 涉及 k8s 组件

    • ad controller
    • kubelet(volume namager)
  • ad controller 和 kubelet(volume namager)通过字段 node.status.VolumesAttached 交互。

    • ad controller 为 node.status.VolumesAttached 新增或删除 volume,新增表明已挂载,删除表明已删除
    • kubelet(volume manager)需要验证新建 pod 中的 (pvc 的)volume 是否挂载成功,存在于node.status.VolumesAttached 中,则表明验证 volume 已挂载成功;不存在,则表明还未挂载成功。
  • 以下是整个过程:
  1. 首先,删除 pod 时,由于某种原因 cbs detach 失败,失败后就会 backoff 重试。

    1. 由于 detach 失败,该 volume 也不会从 asw 的 attachedVolumes 中删除
  2. 由于 detach 时,

    1. 先从 node.status.VolumesAttached 中删除 volume,之后才去执行 detach
    2. detach 时返回 backoffError 不会把该 volumeadd back node.status.VolumesAttached
  3. 之后,我们在 backoff 周期中(假如就为第一个周期的 500ms 中间)再次创建 sts,pod 被调度到之前的 node
  4. 而 pod 一旦被创建,就会被添加到 dsw 的nodesManaged(nodeName 和 volumeName 都没变)
  5. reconcile()中的第 2 步,会去判断 volume 是否被 attach,此时发现该 volume 同时存在于 asw 和 dws 中,并且由于 detach 失败,也会在检测时发现还是 attach,从而设置 attachedConfirmed 为 true
  6. ad controller 就认为该 volume 被 attach 成功了
  7. reconcile()中第 1 步的 detach 逻辑进行判断时,发现要 detach 的 volume 已经存在于 dsw.nodesManaged 了(由于 nodeName 和 volumeName 都没变),这样 volume 同时存在于 asw 和 dsw 中了,实际状态和期望状态一致,被认为就不需要进行 detach 了。
  8. 这样,该 volume 之后就再也不会被 add back 到node.status.VolumesAttached。所以就出现了现象中的 node info 中没有该 volume,而 ad controller 又认为该 volume 被 attach 成功了
  9. 由于 kubelet(volume manager)与 controller manager 是异步的,而它们之间交互是依据 node.status.VolumesAttached,所以 volume manager 在验证 volume 是否 attach 成功,发现node.status.VolumesAttached 中没有这个 voume,也就认为没有 attach 成功,所以就有了现象中的报错Volume not attached according to node status
  10. 之后 kubelet 的 syncPod 在等待 pod 所有的 volume attach 和 mount 成功时,就超时了(现象中的另一个报错timeout expired wating...)。
  11. 所以 pod 一直处于ContainerCreating

小结

  • 所以,该案例出现的原因是:

    • sts+cbs,pod recreate 时间被调度到相同的 node
    • 由于 detach 失败,backoff 期间创建 sts/pod,致使 ad controller 中的 dsw 和 asw 数据一致(此时该 volume 由于没有被 detach 成功而确实处于 attach 状态),从而导致 ad controller 认为不再需要去 detach 该 volume。
    • 又由于 detach 时,是先从 node.status.VolumesAttached 中删除该 volume,再去执行真正的DetachVolume。backoff 期间直接返回backoffError,跳过DetachVolume,不会 add back
    • 之后,ad controller 因 volume 已经处于 attach 状态,认为不再需要被 attach,就不会再向 node.status.VolumesAttached 中添加该 volume
    • 最后,kubelet 与 ad controller 交互就通过 node.status.VolumesAttached,所以 kubelet 认为没有 attach 成功,新创建的 pod 就一直处于ContianerCreating
  • 据此,我们可以发现关键点在于 node.status.VolumesAttached 和以下两个逻辑:

    1. detach 时 backoffError,不会 add back
    2. detach 是先删除,失败再 add back
  • 所以只要想办法能在任何情况下 add back 就不会有问题了。根据以上两个逻辑就对应有以下 2 种解决方案,推荐使用方案 2

    1. backoffError 时,也 add back

      • pr #72914

        • 但这种方式有个缺点:patch node 的请求数增加了 10+ 次 /(s * volume)
    2. 一进入 detach 逻辑就判断是否 backoffError(处于 backoff 周期中),是就跳过之后所有 detach 逻辑,不删除就不需要 add back 了。

      • pr #88572

        • 这个方案能避免方案 1 的问题,且会进一步减少请求 apiserver 的次数,且改动也不多

总结

  • AD Controller 负责存储的 Attach、Detach。通过比较 asw 和 dsw 来判断是否需要 attach/detach。最终 attach 和 detach 结果会体现在node.status.VolumesAttached
  • 以上现网案例出现的现象,是 k8s ad controller 的 bug 导致,目前社区并未修复。

    • 现象出现的原因主要是:

      • 先删除旧 pod 过程中 detach 失败,而在 detach 失败的 backoff 周期中创建新 pod,此时由于 ad controller 逻辑 bug,导致 volume 被从 node.status.VolumesAttached 中删除,从而导致创建新 pod 时,kubelet 检查时认为该 volume 没有 attach 成功,致使 pod 就一直处于ContianerCreating
    • 而现象的解决方案,推荐使用 pr #88572。目前 TKE 已经有该方案的稳定运行版本,在灰度中。

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正文完
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