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配置存活、就绪和启动探测器

这篇文章介绍如何给容器配置活跃(Liveness)、就绪(Readiness)和启动(Startup)探测器。

kubelet 使用存活探测器来确定什么时候要重启容器。 例如,存活探测器可以探测到应用死锁(应用程序在运行,但是无法继续执行后面的步骤)情况。 重启这种状态下的容器有助于提高应用的可用性,即使其中存在缺陷。

kubelet 使用就绪探测器可以知道容器何时准备好接受请求流量,当一个 Pod 内的所有容器都就绪时,才能认为该 Pod 就绪。 这种信号的一个用途就是控制哪个 Pod 作为 Service 的后端。 若 Pod 尚未就绪,会被从 Service 的负载均衡器中剔除。

kubelet 使用启动探测器来了解应用容器何时启动。 如果配置了这类探测器,你就可以控制容器在启动成功后再进行存活性和就绪态检查, 确保这些存活、就绪探测器不会影响应用的启动。 启动探测器可以用于对慢启动容器进行存活性检测,避免它们在启动运行之前就被杀掉。

Before you begin

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群,同时你的 Kubernetes 集群必须带有 kubectl 命令行工具。 建议在至少有两个节点的集群上运行本教程,且这些节点不作为控制平面主机。 如果你还没有集群,你可以通过 Minikube 构建一个你自己的集群,或者你可以使用下面任意一个 Kubernetes 工具构建:

定义存活命令

许多长时间运行的应用最终会进入损坏状态,除非重新启动,否则无法被恢复。 Kubernetes 提供了存活探测器来发现并处理这种情况。

在本练习中,你会创建一个 Pod,其中运行一个基于 k8s.gcr.io/busybox 镜像的容器。 下面是这个 Pod 的配置文件。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    test: liveness
  name: liveness-exec
spec:
  containers:
  - name: liveness
    image: k8s.gcr.io/busybox
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - touch /tmp/healthy; sleep 30; rm -f /tmp/healthy; sleep 600
    livenessProbe:
      exec:
        command:
        - cat
        - /tmp/healthy
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 5

在这个配置文件中,可以看到 Pod 中只有一个 ContainerperiodSeconds 字段指定了 kubelet 应该每 5 秒执行一次存活探测。 initialDelaySeconds 字段告诉 kubelet 在执行第一次探测前应该等待 5 秒。 kubelet 在容器内执行命令 cat /tmp/healthy 来进行探测。 如果命令执行成功并且返回值为 0,kubelet 就会认为这个容器是健康存活的。 如果这个命令返回非 0 值,kubelet 会杀死这个容器并重新启动它。

当容器启动时,执行如下的命令:

/bin/sh -c "touch /tmp/healthy; sleep 30; rm -rf /tmp/healthy; sleep 600"

这个容器生命的前 30 秒,/tmp/healthy 文件是存在的。 所以在这最开始的 30 秒内,执行命令 cat /tmp/healthy 会返回成功代码。 30 秒之后,执行命令 cat /tmp/healthy 就会返回失败代码。

创建 Pod:

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/probe/exec-liveness.yaml

在 30 秒内,查看 Pod 的事件:

kubectl describe pod liveness-exec

输出结果表明还没有存活探测器失败:

FirstSeen    LastSeen    Count   From            SubobjectPath           Type        Reason      Message
--------- --------    -----   ----            -------------           --------    ------      -------
24s       24s     1   {default-scheduler }                    Normal      Scheduled   Successfully assigned liveness-exec to worker0
23s       23s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Pulling     pulling image "k8s.gcr.io/busybox"
23s       23s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Pulled      Successfully pulled image "k8s.gcr.io/busybox"
23s       23s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Created     Created container with docker id 86849c15382e; Security:[seccomp=unconfined]
23s       23s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Started     Started container with docker id 86849c15382e

35 秒之后,再来看 Pod 的事件:

kubectl describe pod liveness-exec

在输出结果的最下面,有信息显示存活探测器失败了,这个容器被杀死并且被重建了。

FirstSeen LastSeen    Count   From            SubobjectPath           Type        Reason      Message
--------- --------    -----   ----            -------------           --------    ------      -------
37s       37s     1   {default-scheduler }                    Normal      Scheduled   Successfully assigned liveness-exec to worker0
36s       36s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Pulling     pulling image "k8s.gcr.io/busybox"
36s       36s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Pulled      Successfully pulled image "k8s.gcr.io/busybox"
36s       36s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Created     Created container with docker id 86849c15382e; Security:[seccomp=unconfined]
36s       36s     1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Normal      Started     Started container with docker id 86849c15382e
2s        2s      1   {kubelet worker0}   spec.containers{liveness}   Warning     Unhealthy   Liveness probe failed: cat: can't open '/tmp/healthy': No such file or directory

再等 30 秒,确认这个容器被重启了:

kubectl get pod liveness-exec

输出结果显示 RESTARTS 的值增加了 1。

NAME            READY     STATUS    RESTARTS   AGE
liveness-exec   1/1       Running   1          1m

定义一个存活态 HTTP 请求接口

另外一种类型的存活探测方式是使用 HTTP GET 请求。 下面是一个 Pod 的配置文件,其中运行一个基于 k8s.gcr.io/liveness 镜像的容器。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    test: liveness
  name: liveness-http
spec:
  containers:
  - name: liveness
    image: k8s.gcr.io/liveness
    args:
    - /server
    livenessProbe:
      httpGet:
        path: /healthz
        port: 8080
        httpHeaders:
        - name: Custom-Header
          value: Awesome
      initialDelaySeconds: 3
      periodSeconds: 3

在这个配置文件中,你可以看到 Pod 也只有一个容器。 periodSeconds 字段指定了 kubelet 每隔 3 秒执行一次存活探测。 initialDelaySeconds 字段告诉 kubelet 在执行第一次探测前应该等待 3 秒。 kubelet 会向容器内运行的服务(服务在监听 8080 端口)发送一个 HTTP GET 请求来执行探测。 如果服务器上 /healthz 路径下的处理程序返回成功代码,则 kubelet 认为容器是健康存活的。 如果处理程序返回失败代码,则 kubelet 会杀死这个容器并将其重启。

返回大于或等于 200 并且小于 400 的任何代码都标示成功,其它返回代码都标示失败。

你可以访问 server.go。 阅读服务的源码。 容器存活期间的最开始 10 秒中,/healthz 处理程序返回 200 的状态码。 之后处理程序返回 500 的状态码。

http.HandleFunc("/healthz", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    duration := time.Now().Sub(started)
    if duration.Seconds() > 10 {
        w.WriteHeader(500)
        w.Write([]byte(fmt.Sprintf("error: %v", duration.Seconds())))
    } else {
        w.WriteHeader(200)
        w.Write([]byte("ok"))
    }
})

kubelet 在容器启动之后 3 秒开始执行健康检测。所以前几次健康检查都是成功的。 但是 10 秒之后,健康检查会失败,并且 kubelet 会杀死容器再重新启动容器。

创建一个 Pod 来测试 HTTP 的存活检测:

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/probe/http-liveness.yaml

10 秒之后,通过查看 Pod 事件来确认活跃探测器已经失败,并且容器被重新启动了。

kubectl describe pod liveness-http

在 1.13 之前(包括 1.13)的版本中,如果在 Pod 运行的节点上设置了环境变量 http_proxy(或者 HTTP_PROXY),HTTP 的存活探测会使用这个代理。 在 1.13 之后的版本中,设置本地的 HTTP 代理环境变量不会影响 HTTP 的存活探测。

定义 TCP 的存活探测

第三种类型的存活探测是使用 TCP 套接字。 使用这种配置时,kubelet 会尝试在指定端口和容器建立套接字链接。 如果能建立连接,这个容器就被看作是健康的,如果不能则这个容器就被看作是有问题的。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: goproxy
  labels:
    app: goproxy
spec:
  containers:
  - name: goproxy
    image: k8s.gcr.io/goproxy:0.1
    ports:
    - containerPort: 8080
    readinessProbe:
      tcpSocket:
        port: 8080
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 10
    livenessProbe:
      tcpSocket:
        port: 8080
      initialDelaySeconds: 15
      periodSeconds: 20

如你所见,TCP 检测的配置和 HTTP 检测非常相似。 下面这个例子同时使用就绪和存活探测器。kubelet 会在容器启动 5 秒后发送第一个就绪探测。 探测器会尝试连接 goproxy 容器的 8080 端口。 如果探测成功,这个 Pod 会被标记为就绪状态,kubelet 将继续每隔 10 秒运行一次检测。

除了就绪探测,这个配置包括了一个存活探测。 kubelet 会在容器启动 15 秒后进行第一次存活探测。 与就绪探测类似,活跃探测器会尝试连接 goproxy 容器的 8080 端口。 如果存活探测失败,容器会被重新启动。

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/probe/tcp-liveness-readiness.yaml

15 秒之后,通过看 Pod 事件来检测存活探测器:

kubectl describe pod goproxy

定义 gRPC 活跃探测器

FEATURE STATE: Kubernetes v1.23 [alpha]

如果你的应用实现了 gRPC 健康检查协议, kubelet 可以配置为使用该协议来执行应用活跃性检查。 你必须启用 GRPCContainerProbe 特性门控 才能配置依赖于 gRPC 的检查机制。

下面是一个示例清单:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: etcd-with-grpc
spec:
  containers:
  - name: etcd
    image: k8s.gcr.io/etcd:3.5.1-0
    command: [ "/usr/local/bin/etcd", "--data-dir",  "/var/lib/etcd", "--listen-client-urls", "http://0.0.0.0:2379", "--advertise-client-urls", "http://127.0.0.1:2379", "--log-level", "debug"]
    ports:
    - containerPort: 2379
    livenessProbe:
      grpc:
        port: 2379
      initialDelaySeconds: 10

要使用 gRPC 探测器,必须配置 port 属性。如果健康状态端点配置在非默认服务之上, 你还必须设置 service 属性。

配置问题(例如:错误的 portservice、未实现健康检查协议) 都被认作是探测失败,这一点与 HTTP 和 TCP 探测器类似。

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/probe/grpc-liveness.yaml

15 秒钟之后,查看 Pod 事件确认活跃性检查并未失败:

kubectl describe pod etcd-with-grpc

在 Kubernetes 1.23 之前,gRPC 健康探测通常使用 grpc-health-probe 来实现,如博客 Health checking gRPC servers on Kubernetes(对 Kubernetes 上的 gRPC 服务器执行健康检查)所描述。 内置的 gRPC 探测器行为与 grpc-health-probe 所实现的行为类似。 从 grpc-health-probe 迁移到内置探测器时,请注意以下差异:

  • 内置探测器运行时针对的是 Pod 的 IP 地址,不像 grpc-health-probe 那样通常针对 127.0.0.1 执行探测; 请一定配置你的 gRPC 端点使之监听于 Pod 的 IP 地址之上。
  • 内置探测器不支持任何身份认证参数(例如 tls)。
  • 对于内置的探测器而言,不存在错误代码。所有错误都被视作探测失败。
  • 如果 ExecProbeTimeout 特性门控被设置为 false,则 grpc-health-probe 不会考虑 timeoutSeconds 设置状态(默认值为 1s), 而内置探测器则会在超时时返回失败。

使用命名端口

对于 HTTP 或者 TCP 存活检测可以使用命名的 ContainerPort

ports:
- name: liveness-port
  containerPort: 8080
  hostPort: 8080

livenessProbe:
  httpGet:
    path: /healthz
    port: liveness-port

使用启动探测器保护慢启动容器

有时候,会有一些现有的应用在启动时需要较长的初始化时间。 要这种情况下,若要不影响对死锁作出快速响应的探测,设置存活探测参数是要技巧的。 技巧就是使用相同的命令来设置启动探测,针对 HTTP 或 TCP 检测,可以通过将 failureThreshold * periodSeconds 参数设置为足够长的时间来应对糟糕情况下的启动时间。

这样,前面的例子就变成了:

ports:
- name: liveness-port
  containerPort: 8080
  hostPort: 8080

livenessProbe:
  httpGet:
    path: /healthz
    port: liveness-port
  failureThreshold: 1
  periodSeconds: 10

startupProbe:
  httpGet:
    path: /healthz
    port: liveness-port
  failureThreshold: 30
  periodSeconds: 10

幸亏有启动探测,应用程序将会有最多 5 分钟(30 * 10 = 300s)的时间来完成其启动过程。 一旦启动探测成功一次,存活探测任务就会接管对容器的探测,对容器死锁作出快速响应。 如果启动探测一直没有成功,容器会在 300 秒后被杀死,并且根据 restartPolicy 来 执行进一步处置。

定义就绪探测器

有时候,应用会暂时性地无法为请求提供服务。 例如,应用在启动时可能需要加载大量的数据或配置文件,或是启动后要依赖等待外部服务。 在这种情况下,既不想杀死应用,也不想给它发送请求。 Kubernetes 提供了就绪探测器来发现并缓解这些情况。 容器所在 Pod 上报还未就绪的信息,并且不接受通过 Kubernetes Service 的流量。

就绪探测器的配置和存活探测器的配置相似。 唯一区别就是要使用 readinessProbe 字段,而不是 livenessProbe 字段。

readinessProbe:
  exec:
    command:
    - cat
    - /tmp/healthy
  initialDelaySeconds: 5
  periodSeconds: 5

HTTP 和 TCP 的就绪探测器配置也和存活探测器的配置完全相同。

就绪和存活探测可以在同一个容器上并行使用。 两者都可以确保流量不会发给还未就绪的容器,当这些探测失败时容器会被重新启动。

配置探测器

Probe 有很多配置字段,可以使用这些字段精确地控制活跃和就绪检测的行为:

  • initialDelaySeconds:容器启动后要等待多少秒后才启动存活和就绪探测器, 默认是 0 秒,最小值是 0。
  • periodSeconds:执行探测的时间间隔(单位是秒)。默认是 10 秒。最小值是 1。
  • timeoutSeconds:探测的超时后等待多少秒。默认值是 1 秒。最小值是 1。
  • successThreshold:探测器在失败后,被视为成功的最小连续成功数。默认值是 1。 存活和启动探测的这个值必须是 1。最小值是 1。
  • failureThreshold:当探测失败时,Kubernetes 的重试次数。 对存活探测而言,放弃就意味着重新启动容器。 对就绪探测而言,放弃意味着 Pod 会被打上未就绪的标签。默认值是 3。最小值是 1。

HTTP 探测

HTTP Probes 允许针对 httpGet 配置额外的字段:

  • host:连接使用的主机名,默认是 Pod 的 IP。也可以在 HTTP 头中设置 “Host” 来代替。
  • scheme :用于设置连接主机的方式(HTTP 还是 HTTPS)。默认是 "HTTP"。
  • path:访问 HTTP 服务的路径。默认值为 "/"。
  • httpHeaders:请求中自定义的 HTTP 头。HTTP 头字段允许重复。
  • port:访问容器的端口号或者端口名。如果数字必须在 1~65535 之间。

对于 HTTP 探测,kubelet 发送一个 HTTP 请求到指定的路径和端口来执行检测。 除非 httpGet 中的 host 字段设置了,否则 kubelet 默认是给 Pod 的 IP 地址发送探测。 如果 scheme 字段设置为了 HTTPS,kubelet 会跳过证书验证发送 HTTPS 请求。 大多数情况下,不需要设置host 字段。 这里有个需要设置 host 字段的场景,假设容器监听 127.0.0.1,并且 Pod 的 hostNetwork 字段设置为了 true。那么 httpGet 中的 host 字段应该设置为 127.0.0.1。 可能更常见的情况是如果 Pod 依赖虚拟主机,你不应该设置 host 字段,而是应该在 httpHeaders 中设置 Host

针对 HTTP 探针,kubelet 除了必需的 Host 头部之外还发送两个请求头部字段: User-AgentAccept。这些头部的默认值分别是 kube-probe/{{ skew latestVersion >}} (其中 1.24 是 kubelet 的版本号)和 */*

你可以通过为探测设置 .httpHeaders 来重载默认的头部字段值;例如:

livenessProbe:
  httpGet:
    httpHeaders:
      - name: Accept
        value: application/json

startupProbe:
  httpGet:
    httpHeaders:
      - name: User-Agent
        value: MyUserAgent

你也可以通过将这些头部字段定义为空值,从请求中去掉这些头部字段。

livenessProbe:
  httpGet:
    httpHeaders:
      - name: Accept
        value: ""

startupProbe:
  httpGet:
    httpHeaders:
      - name: User-Agent
        value: ""

TCP 探测

对于 TCP 探测而言,kubelet 在节点上(不是在 Pod 里面)发起探测连接, 这意味着你不能在 host 参数上配置服务名称,因为 kubelet 不能解析服务名称。

探测器层面的 terminationGracePeriodSeconds

FEATURE STATE: Kubernetes v1.22 [beta]

在 1.21 发行版之前,Pod 层面的 terminationGracePeriodSeconds 被用来终止活跃探测或启动探测失败的容器。 这一行为上的关联不是我们想要的,可能导致 Pod 层面设置了 terminationGracePeriodSeconds 时容器要花非常长的时间才能重新启动。

在 1.21 及更高版本中,当特性门控 ProbeTerminationGracePeriod 被启用时, 用户可以指定一个探测器层面的 terminationGracePeriodSeconds 作为探测器规约的一部分。 当该特性门控被启用,并且 Pod 层面和探测器层面的 terminationGracePeriodSeconds 都已设置,kubelet 将使用探测器层面设置的值。

在 Kubernetes 1.22 中,ProbeTerminationGracePeriod 特性门控只能用在 API 服务器上。 kubelet 始终遵守探针级别 terminationGracePeriodSeconds 字段 (如果它存在于 Pod 上)。

如果你已经为现有 Pod 设置了 terminationGracePeriodSeconds 字段并且不再希望使用针对每个探针的终止宽限期,则必须删除现有的这类 Pod。

当你(或控制平面或某些其他组件)创建替换 Pod,并且特性门控 ProbeTerminationGracePeriod 被禁用时,API 服务器会忽略 Pod 级别的 terminationGracePeriodSeconds 字段设置, 即使 Pod 或 Pod 模板指定了它。

例如:

spec:
  terminationGracePeriodSeconds: 3600  # pod-level
  containers:
  - name: test
    image: ...

    ports:
    - name: liveness-port
      containerPort: 8080
      hostPort: 8080

    livenessProbe:
      httpGet:
        path: /healthz
        port: liveness-port
      failureThreshold: 1
      periodSeconds: 60
      # Override pod-level terminationGracePeriodSeconds #
      terminationGracePeriodSeconds: 60

探测器层面的 terminationGracePeriodSeconds 不能用于就绪态探针。 这一设置将被 API 服务器拒绝。

What's next

你也可以阅读以下的 API 参考资料:

最后修改 April 15, 2022 at 4:47 PM PST: [zh] Fix Markdown format (f8b15c9bea)