K8S 故障排错新手段：kubectl debug 实战

K8S INTERNAL 系列

容器编排之争在 Kubernetes 一统天下局面形成后，K8S 成为了云原生时代的新一代操作系统。K8S 让一切变得简单了，但自身逐渐变得越来越复杂。【K8S Internals 系列专栏】围绕 K8S 生态的诸多方面，将由博云容器云研发团队定期分享有关调度、安全、网络、性能、存储、应用场景等热点话题。希望大家在享受 K8S 带来的高效便利的同时，又可以如庖丁解牛般领略其内核运行机制的魅力。

本文将为大家介绍一个 K8S 故障排错新手段：kubectl debug。

一、kubectl debug 起源

开发者喜欢在生产部署中使用极致精简的容器镜像，这也是容器技术中的一个最佳实践。这种精简主义有很多好处，而且在大多数情况下运行良好，但是一旦需要在生产中排除一些故障时，这就变得很困难了，因为精简后的容器普遍缺失常用的排障工具，有些甚至连 bash/sh 解释器都没有。

过去几年，K8S 社区就一直有一个声音，如果有一种方法可以为正在运行的 Pod 启用某种调试模式，再附加一套调试工具能在容器中执行，那就最好不过了。这种新的调试模式涉及的改动面很广，从 16 年就出现了相关的 Issue Support for troubleshooting distroless containers 开始，直至 K8S1.23 版本，kubectl debug 这项功能才逐渐成熟。

kubectl debug 是一款 k8s pod 诊断工具，能够帮助进行 Pod 的排障诊断。在 k8s v1.16 ~ v1.22 中是 Alpha 状态，默认关闭。从 v1.23 开始成为 Beta 状态，默认开启。

二、kubectl debug 工作原理

我们知道，容器本质上是带有 cgroup 资源限制和 namespace 隔离的一组进程。因此，我们只要启动一个进程，并且让这个进程加入到目标容器的各种 namespace 中，这个进程就能 “进入容器内部”（注意引号），与容器中的进程 “看到” 相同的根文件系统、虚拟网卡、进程空间了 —— 这也正是 docker exec 和 kubectl exec 等命令的运行方式。

现在的状况是，我们不仅要 “进入容器内部”，还希望带一套工具集进去帮忙排查问题。那么，想要高效管理一套工具集，又要可以跨平台，最好的办法就是把工具本身都打包在一个容器镜像当中。接下来，我们只需要通过这个 “工具镜像” 启动容器，再指定这个容器加入目标容器的的各种 namespace，自然就实现了 “携带一套工具集进入容器内部”。

三、kubectl debug 怎么用

1.开启功能

在 V1.23 及以上版本中，该功能默认开启。针对 1.23 以下的 K8S 版本，需要通过以下方式，手动开启。

## 控制面开启 EphemeralContainers featureGate.
### 进入 master 节点，编辑 /etc/kubernetes/manifests/ 下的 kube-apiserver.yaml，kube-controller-manager.yaml 及 kube-scheduler.yaml，在 command 部分添加 - --feature-gates=EphemeralContainers=true；

## Kubelet 服务开启该功能
### 在节点上编辑 /var/lib/kubelet/kubeadm-flags.env，添加 --feature-gates=EphemeralContainers=true；或者设置KUBELET_EXTRA_ARGS="--feature-gates=EphemeralContainers=true"

## 重启 Kubelet：
### systemctl restart kubelet

2. 使用

2.1 使用临时容器调试

通常只需要一条命令即可为 Pod 里的具体某个容器添加一个临时容器（镜像为 busybox），并进行 debug。

$ kubectl debug -it ${pod_name} --image=busybox:1.28 --target=${container_name}

2.2 调试示例一：通过附加调试容器对处于 Running 状态的 Pod 进行调试

创建一个 Pod，该 Pod 功能是从 S3 存储的一个桶 mybucket1 中获取文件 test.txt 并复制到本地目录 /data/test.txt， 再从此目录把 test.txt 上传到桶 mybucket2 里。但我们发现桶 mybucket2 并没有相应文件，那么我们该如何通过 kubectl debug 查找原因呢？

（1）创建 pod1

[centos@ml-k8s-1 test1]$ kubectl apply -f pod1.yaml
secret/pod1-secret created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/pod1-get created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/pod1-get-rbac created
serviceaccount/pod1-sa created
pod/pod1 created
[centos@ml-k8s-1 test1]$ kubectl get pod
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod1                                       1/1     Running   0          7s

此时 pod1 一直处于 Running 状态 ，正常情况大概 10 秒左右就会进入 Completed 状态。只有碰到某种异常故障的时候才会卡在 Running 不动，导致该任务没有完成。此时查看桶 mybucket2， 确实也没有数据。

（2）检查 pod1 当前状态，无异常状态

[centos@ml-k8s-1 deploy]$ kubectl describe pod pod1
...
Events:
  Type    Reason     Age    From               Message
  ----    ------     ----   ----               -------
  Normal  Scheduled  5m44s  default-scheduler  Successfully assigned default/pod1 to ml-k8s-2.novalocal
  Normal  Pulling    5m42s  kubelet            Pulling image "beyond.io:5000/debug-test:0.1.1"
  Normal  Pulled     5m42s  kubelet            Successfully pulled image "beyond.io:5000/debug-test:0.1.1" in 59.162221ms
  Normal  Created    5m42s  kubelet            Created container pod1
  Normal  Started    5m42s  kubelet            Started container pod1

（3）查看 pod1 日志

pod1 日志不够详尽，无异常信息。

[centos@ml-k8s-1 test1]$ kubectl logs pod1
I0429 10:24:34.913853       1 main.go:18] Test start!
I0429 10:24:34.914013       1 main.go:19] Pulling data from mybucket 1 and storing it in mybucket 2.
Wrong in getting object from mybucket1.

（4）进入容器内部排查

容器基础镜像为 scratch，不包含 sh，无法进入容器内部进行调试。此时传统 K8S 提供的常见排错方式均无法继续追踪此问题。

[centos@ml-k8s-1 test1]$ kubectl exec -it pod1 -- sh
OCI runtime exec failed: exec failed: container_linux.go:380: starting container process caused: exec: "sh": executable file not found in $PATH: unknown
command terminated with exit code 126

（5）通过 kubectl debug 模式进入容器内部

通过启动 busybox 容器对出问题的 pod1 进行排错。进入 pod1 容器内部后，查看 /data 目录下已经有目标文件 test.txt，但该文件 test.txt 内容为空，复制未成功。此时通过检查容器启动命令发现 S3 服务地址址配置错误导致文件下载失败。

[centos@ml-k8s-1 test1]$ kubectl debug -it pod1 --image=busybox:1.28 --target=pod1
Defaulting debug container name to debugger-h59bb.
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # ls
bin   dev   etc   home  proc  root  sys   tmp   usr   var

(unreachable)/data # cat test.txt

（6）修改 Pod 配置，该任务最终正常运行。

2.3 调试示例二：通过复制对处于 Completed 状态的 Pod 进行调试

创建一个 Pod，该 Pod 功能是运行一个 shell 脚本打印当前日期。错误状态：日志并没有打印出日期，且 Pod 已运行完成处于 Completed 状态，那么如何进行排错呢？

（1）创建 pod3

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl apply -f pod3.yaml
pod/pod3 created

（2）查看 pod3

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl get pod
NAME                                      READY   STATUS      RESTARTS   AGE
pod3                                      0/1     Completed   0          7s

（3）查看日志

期望会打印出当前日期，但发现日期未打印。

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl logs pod3
Hello ldsdsy
Today is

（4）进入容器

pod3 进入 Completed 状态，无法执行 exec 进入。

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl exec -it pod3 -- sh
error: cannot exec into a container in a completed pod; current phase is Succeeded

（5）通过创建副本进行调试

创建副本容器，并以 sh 的形式进入容器内部，可以一句一句地运行代码排查是什么地方出错，此处很简单可以看出是错把 time 写成了 ttime。

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl debug pod3 -it --copy-to=pod3-debug --container=pod3 -- sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # ls
app   bin   dev   etc   home  proc  root  sys   tmp   usr   var
/ # cd app
/app # ls
test.sh
/app # cat test.sh
#! /bin/sh
echo "Hello ldsdsy"
time=$(date +"%Y-%m-%d %H:%M:%S")
echo "Today is $ttime"
/app #

（6 ）修改镜像重新以 debug 模式运行

修改 ttime 的拼写问题，重新打包镜像。然后进行 debug 时，设置使用新的镜像。

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl debug pod3 --copy-to=pod3-debug --set-image=pod3=beyond.io:5000/debug-test:0.1.4

// --set-image=*=xxx 表示把 Pod 的所有容器镜像全换成 xxx

（7）查看新 pod 执行情况，发现程序正常执行。

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl get pod
NAME                                      READY   STATUS      RESTARTS   AGE
pod3                                      0/1     Completed   0          13m
pod3-debug                                0/1     Completed   0          8s

[centos@ml-k8s-1 test3]$ kubectl logs pod3-debug
Hello ldsdsy
Today is 2022-05-02 09:50:25
[centos@ml-k8s-1 test3]$

3.kubectl debug 几种调试的区别

第一种模式使用临时容器，更多的是被调试的容器处于 Running 状态但又无法进入到容器内部调试，所以借助临时容器来进入容器内部排查问题。第二种使用 Pod 副本，更多的是建立一个被调试容器的副本用来调试，这样无需关心原本被调试容器的状态如何。除了以上两种常见的排错方式，kubectl debug 还支持进入 Pod 所在节点上进行调试。

kubectl debug 为我们对运行在 K8S 上的业务进行排错提供了多种方式，这几种方式使用起来非常方便灵活，在实际排错过程中要结合具体情况合理使用。

四、附录

实例一

1. main.go

package main

import (
    "context"
    "io"
    "os"
    "time"

    "github.com/minio/minio-go/v7"
    "github.com/minio/minio-go/v7/pkg/credentials"
    metav1 "k8s.io/apimachinery/pkg/apis/meta/v1"
    "k8s.io/client-go/kubernetes"
    "k8s.io/client-go/rest"
    "k8s.io/klog/v2"
)

func main() {
    klog.Info("Test start!")
    klog.Info("Pulling data from mybucket 1 and storing it in mybucket 2.") 
    // creates the in-cluster config
    config, err := rest.InClusterConfig()
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in creating config: ", err)
    }
    // create the clientset
    clientset, err := kubernetes.NewForConfig(config)
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in creating clientset: ", err)
    }
    // Get info of minio from s3-secret
    secret, err := clientset.CoreV1().Secrets("default").Get(context.TODO(), "minio-secret", metav1.GetOptions{})
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in getting secret: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }
    id := string(secret.Data["id"])
    key := string(secret.Data["key"])
    endpoint := string(secret.Data["endpoint"])
    useSSL := false //true 会走 https
    // Initialize minio client object.
    minioClient, err := minio.New(endpoint, &minio.Options{
        Creds:  credentials.NewStaticV4(id, key, ""),
        Secure: useSSL,
    })
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in getting minioClient : ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }
    object, err := minioClient.GetObject(context.Background(), "mybucket1", "test.txt", minio.GetObjectOptions{})
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in getting object from mybucket1: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }

    //以读写方式打开文件，如果不存在，则创建(只创建文件，不能创建文件夹)
    localFile, err := os.OpenFile("/data/test.txt", os.O_RDWR|os.O_CREATE, 0766)
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in creating /data/test.txt: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }
    klog.Info(localFile)
    defer localFile.Close()
    if _, err = io.Copy(localFile, object); err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in coping object from mybucket1 to localFile: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }

    file, err := os.Open("/data/test.txt")
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in getting object from /data/test.txt: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }
    defer file.Close()

    fileStat, err := file.Stat()
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in getting fileStat: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }
    // Create a bucket at region 'us-east-1' with object locking enabled.
    err = minioClient.MakeBucket(context.Background(), "mybucket2", minio.MakeBucketOptions{Region: "cn-north-1", ObjectLocking: false})
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in creating mybucket2: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }
    uploadInfo, err := minioClient.PutObject(context.Background(), "mybucket2", "test.txt", file, fileStat.Size(), minio.PutObjectOptions{ContentType: "application/octet-stream"})
    if err != nil {
        klog.Errorln("Wrong in putting myobject to mybucket2: ", err)
        time.Sleep(1 * time.Hour)
    }
    klog.Infoln("Successfully uploaded bytes: ", uploadInfo)

}

2. Dockerfile

FROM scratch
ADD ./app /
CMD ["/app"]

3. 部署文件

3.1 pod1.yaml

apiVersion: v1
stringData:
  id: AKIAIOSFODNN7EXAMPLE
  key: wJalrXUtnFEMI/K7MDENG/bPxRfiCYEXAMPLEKEY
  endpoint: 10.20.9.60:30009
kind: Secret
metadata:
  name: pod1-secret
type: Opaque
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: pod1-get
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["secrets"]
  verbs: ["get"]

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: pod1-get-rbac
subjects:
- kind: ServiceAccount
  namespace: default
  name: pod1-sa
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: pod1-get
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: pod1-sa
  namespace: default

---
apiVersion: v1 
kind: Pod 
metadata:
  name: pod1 
  labels:
    k8s-app: pod1
spec:  
  serviceAccountName: pod1-sa
  restartPolicy: Never
  containers:  
  - name: pod1
    image: beyond.io:5000/debug-test:0.1.1
    imagePullPolicy: Always 
    volumeMounts:  
    - name: volume
      mountPath: /data 
      readOnly: False  
  volumes: 
  - name: volume 
    emptyDir: {}  

实例二

1. test.sh

#! /bin/sh
echo "Hello ldsdsy"
time=$(date +"%Y-%m-%d %H:%M:%S")
echo "Today is $ttime"

2. Dockerfile

FROM busybox:1.28
RUN mkdir /app
ADD ./test.sh /app
RUN chmod +x /app/test.sh
CMD ["sh","-c","/app/test.sh"]

3. pod3.yaml

apiVersion: v1 
kind: Pod 
metadata:
  name: pod3
  labels:
    k8s-app: pod3
spec:  
  restartPolicy: Never
  containers:  
  - name: pod3
    image: beyond.io:5000/debug-test:0.1.3
    imagePullPolicy: Always