kubernetes之容器健康状态检测

简介

此文讲述如何配置容器的liveness、readiness、startup探针。

kubelet 使用liveness探测器来知道什么时候要重启容器。例如，liveness探测器可以捕捉到死锁（应用程序在运行，但是无法继续执行后面的步骤）。这样的情况下重启容器有助于让应用程序在有问题的情况下更可用。

kubelet 使用readiness探测器可以知道容器什么时候准备好了并可以开始接受请求流量， 当一个 Pod 内的所有容器都准备好了，才能把这个 Pod 看作就绪了。这种信号的一个用途就是控制哪个 Pod 作为 Service 的后端。在 Pod 还没有准备好的时候，会从 Service 的负载均衡器中被剔除的。

kubelet 使用startup探测器可以知道应用程序容器什么时候启动了。如果配置了这类探测器，就可以控制容器在启动成功后再进行liveness和readiness检查，确保这些存活、就绪探测器不会影响应用程序的启动。这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。

备注：此文档参考官方文档，并加以自己的理解。如有误导性的内容，请批评指正。

定义一个 liveness 探针

许多长时间运行的应用程序最终会过渡到断开的状态，除非重新启动，否则无法恢复。Kubernetes 提供了liveness探测器来发现并补救这种情况。

创建一个 Pod，其中运行一个基于 k8s.gcr.io/busybox 镜像的容器。配置文件如下。文件名：exec-liveness.yaml

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 -rf /tmp/healthy; sleep 600
    livenessProbe:
      exec:
        command:
        - cat
        - /tmp/healthy
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 5

在配置文件中，可以看到Pod中只有一个容器。periodSeconds字段指定了kubelet 应该每 5 秒执行一次存活检测。initialDelaySeconds 字段告诉 kubelet 在执行第一次探针前应该等待 5 秒。kubelet 在容器中执行命令cat /tmp/healthy来进行检测。如果命令执行成功并且返回值为0，kubelet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。执行命令如下

/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。执行命令cat /tmp/healthy会返回成功码。30秒后，执行命令cat /tmp/healthy就回返回失败码。

创建Pod

# kubectl apply -f /root/k8s-example/probe/exec-liveness.yaml

在 30 秒内，查看 Pod 的事件

kubectl describe pod liveness-exec

输出结果显示还没有存活探测器失败

Events:
  Type    Reason     Age        From                 Message
  ----    ------     ----       ----                 -------
  Normal  Scheduled  <unknown>  default-scheduler    Successfully assigned default/liveness-exec to k8s-node04
  Normal  Pulled     22s        kubelet, k8s-node04  Container image "k8s.gcr.io/busybox" already present on machine
  Normal  Created    22s        kubelet, k8s-node04  Created container liveness
  Normal  Started    22s        kubelet, k8s-node04  Started container liveness

30 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。

Events:
  Type     Reason     Age               From                 Message
  ----     ------     ----              ----                 -------
  Normal   Scheduled  <unknown>         default-scheduler    Successfully assigned default/liveness-exec to k8s-node04
  Normal   Pulled     47s               kubelet, k8s-node04  Container image "k8s.gcr.io/busybox" already present on machine
  Normal   Created    47s               kubelet, k8s-node04  Created container liveness
  Normal   Started    47s               kubelet, k8s-node04  Started container liveness
  Warning  Unhealthy  5s (x3 over 15s)  kubelet, k8s-node04  Liveness probe failed: cat: can't open '/tmp/healthy': No such file or directory
  Normal   Killing    5s                kubelet, k8s-node04  Container liveness failed liveness probe, will be restarted

再等另外 30 秒，检查看这个容器被重启了：

kubectl get pod liveness-exec

NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE
liveness-exec   1/1     Running   2          3m10s

再查看Pod资源详情：

kubectl describe pod liveness-exec

输出结果如下，容器重启成功。

Events:
  Type     Reason     Age                 From                 Message
  ----     ------     ----                ----                 -------
  Normal   Scheduled  <unknown>           default-scheduler    Successfully assigned default/liveness-exec to k8s-node04
  Warning  Unhealthy  35s (x6 over 2m)    kubelet, k8s-node04  Liveness probe failed: cat: can't open '/tmp/healthy': No such file or directory
  Normal   Killing    35s (x2 over 110s)  kubelet, k8s-node04  Container liveness failed liveness probe, will be restarted
  Normal   Pulled     5s (x3 over 2m32s)  kubelet, k8s-node04  Container image "k8s.gcr.io/busybox" already present on machine
  Normal   Created    5s (x3 over 2m32s)  kubelet, k8s-node04  Created container liveness
  Normal   Started    5s (x3 over 2m32s)  kubelet, k8s-node04  Started container liveness

定义一个存活态 HTTP 请求接口

另外一种类型的liveness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。

创建Pod。文件名：``

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: X-Custom-Header
          value: Awesome
      initialDelaySeconds: 3
      periodSeconds: 3

配置文件中，Pod中只有一个容器。periodSeconds字段指定了kubelet每隔 3 秒执行一次检测。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（服务会监听 8080 端口）发送一个 HTTP GET 请求来执行探测。如果服务上/healthz路径下的处理程序返回成功码。则kubelet认为容器是健康存活的。如果处理程序返回失败码，则kubelet会杀死这个容器并且重新启动它。

任何大于或等于 200 并且小于 400 的返回码标示成功，其它返回码都标示失败。

可以在这里看到服务的源码server.go。

容器存活的最开始 10 秒中，/healthz 处理程序返回一个 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。

# kubectl apply -f /root/k8s-example/probe/http-liveness.yaml

10 秒之后，通过看 Pod 事件来检测存活探测器已经失败了并且容器被重新启动了。

Events:
  Type     Reason     Age              From                 Message
  ----     ------     ----             ----                 -------
  Normal   Scheduled  <unknown>        default-scheduler    Successfully assigned default/liveness-http to k8s-node01
  Normal   Pulled     17s              kubelet, k8s-node01  Container image "k8s.gcr.io/liveness" already present on machine
  Normal   Created    17s              kubelet, k8s-node01  Created container liveness
  Normal   Started    16s              kubelet, k8s-node01  Started container liveness
  Warning  Unhealthy  1s (x2 over 4s)  kubelet, k8s-node01  Liveness probe failed: HTTP probe failed with statuscode: 500

定义 TCP 的存活探测

第三种类型的liveness探测是使用 TCP 套接字。通过配置，kubelet 会尝试在指定端口和容器建立套接字链接。如果能建立链接，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。

创建一个Pod。文件名：tcp-liveness-readiness.yaml

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

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。这会尝试连接 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readiness探测，这个配置包括了一个liveness探测。kubelet 会在容器启动 15 秒后进行第一次liveness探测。就像readiness探测一样，会尝试连接 goproxy 容器的 8080 端口。如果存活探测失败，这个容器会被重新启动。

# kubectl apply -f /root/k8s-example/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

使用命名端口

对于 HTTP 或者 TCP 存活检测可以使用命名的容器端口。

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

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

使用startup探测器保护慢启动容器

有时候，会有一些现有的应用程序在启动时需要较多的初始化时间。要不影响对引起探测死锁的快速响应，这种情况下，设置liveness探测参数是要技巧的。技巧就是使用一个命令来设置startup探测，针对HTTP 或者 TCP 检测，可以通过设置 failureThreshold * periodSeconds 参数来保证有足够长的时间应对糟糕情况下的启动时间。

所以，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startup探测，应用程序将会有最多 5 分钟(30 * 10 = 300s) 的时间来完成它的启动。 一旦startup探测成功一次，存活探测任务就会接管对容器的探测，对容器死锁可以快速响应。 如果startup探测一直没有成功，容器会在 300 秒后被杀死，并且根据 restartPolicy 来设置 Pod 状态。

定义readliness探测器

有时候，应用程序会暂时性的不能提供通信服务。例如，应用程序在启动时可能需要加载很大的数据或配置文件，或是启动后要依赖等待外部服务。在这种情况下，既不想杀死应用程序，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。

注意：就绪探测器在容器的整个生命周期中保持运行状态。

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readliness探测器配置也和liveness探测器的配置一样的。

readliness和liveness探测可以在同一个容器上并行使用。两者都用可以确保流量不会发给还没有准备好的容器，并且容器会在它们失败的时候被重新启动。

配置探测器

探测器有很多配置字段，可以使用这些字段精确的控制存活和就绪检测的行为：

• initialDelaySeconds：容器启动后要等待多少秒后存活和就绪探测器才被初始化，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。存活探测的这个值必须是 1。最小值是 1。
• failureThreshold：当 Pod 启动了并且探测到失败，Kubernetes 的重试次数。存活探测情况下的放弃就意味着重新启动容器。就绪探测情况下的放弃 Pod 会被打上未就绪的标签。默认值是 3。最小值是 1。

HTTP 探测器可以在 httpGet 上配置额外的字段：

• 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。
• 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。

对于一次探测，kubelet 在节点上（不是在 Pod 里面）建立探测连接，这意味着你不能在 host 参数上配置 service name，因为 kubelet 不能解析 service name。