VPC CNIを深掘り: IPAMDとSecurity Groups For Podを徹底分析
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この記事では、VPCCNIアドオンの動作と原理を解説し、Security Groups for Pod(SGP)を使用した際の注意点について説明します。また、2020年から発生し始めた「」というエラーに関して、ソースコードレベルの説明と分析を行う内容となっています。
AWS VPCアドオン仕組みライフサイクルCNI Pluginの詳細IPAMD Pluginの詳細全体像failed to assign an IP address to containerエラーについてSecurity Groups For Pods仕組み設定方法とENVの説明制約参考文献終わりに
AWS VPCアドオン
AWS VPC CNIは、EKSのネットワーキング構成において中心的な役割を果たしており、AWS VPCとネイティブな連携することで、EKS上でのネットワーク管理を効率化しています。
AWS VPC CNIは以下のコンポーネントによって構成されています。
- CNI Plugin
CNIの仕様に沿って、gRPCでIPAMDと通信してIPを取得し、ネットワーク設定を行う
- IPAMD Plugin
各NodeにおいてAWS ENIを管理し、迅速なPod起動のためにIPアドレスの事前付与を行う
仕組み
VPC CNIは、PodのIP割り当てとネットワークルーティングの機能を主に提供しています。
- PodのIP割り当て
PodへのIPアドレス割り当ては、EC2 ENIとIPAMDを使用して行われます。一般的なフローは以下のようになります。
- ネットワークルーティング
- Pod ↔ 外部ネットワーク: IPTABLE
- Pod ↔ Pod: ルーティングテーブル
Pod間やPodから外部へのネットワークルーティングは、複数のルーティングテーブルとIPTABLEを使用して構成されています。その使い分けは以下の通りです。
通常のSNATのように、パケットが仮想ネットワークインターフェース(veth)とEC2 ENI(ethなど)を通過する際に実行されます。
Pod間の通信やPodから外部への通信は、主にvethとethなどを介して行われ、さまざまなルーティングテーブルが暗黙的に適用されます。
ライフサイクル
VPCCNIのバイナリは、主に7種類があります
Binary | 説明 |
---|---|
aws-k8s-agent | IPAMDのgRPCサーバ |
aws-cni | CNI Pluginの実装、主にVPC内ENI/IPとLinux Networkなどの設定を管理する |
grpc-health-probe | IPAMD向けヘルスプローブの確認ツール |
cni-metrics-helper | メトリクスを収集し、CloudWatchへPutMetricsするサポートツール |
aws-vpc-cni-init | ()システムパラメータ、IPV6、各バイナリファイルの複製など、前提条件が整っていることを保証するための初期化コンポーネント |
aws-vpc-cni | 過去ではとして存在し、現在はIPAMDの起動とライフサイクル管理を行うツール |
egress-cni | CNI Pluginの実装、主にSNATを使用して、アウトバウンドトラフィックのための特定のルーティングルールやポリシーを管理する |
実行順番
- CNI Pluginバイナリをkubeletの所定のディレクトリ()にコピーする
- IPAMDを起動する
- を使ってIPAMDへのヘルスチェックを行う
を実行させる現時点はInitContainerとして使用されているため、コメントアウトされています。
過去では、が成功すると、を使って特定の空ファイルを作成し、がその空ファイルの存在を確認するような流れがありましたが、 への移行によりこの流れは廃止となりました。(廃止されてはいますが、コメントとしてはまだ存在し、将来的に他の方法に変更される可能性があります。)
- CNIConfigファイルをkubeletの所定のディレクトリにコピーする
- IPAMDの起動を待つ
IPAMD関連の実行は主に を使用しています。以下は を使用してヘルスチェックを行うコードの抜粋です。
CNI Pluginの詳細
CNI Pluginは、CNIを実装した部分を指しています。(バイナリファイルの )
CNI Pluginのソースコードは にありますが、バージョンによってソースコードの位置が違います。バージョン1.6.0以前では、 のパスになります。詳細の変更はこちらのIssueとCommitから確認できます。本記事の参考記事の一つ Amazon VPC CNI plugin for KubernetesのソースコードリーディングでEKSのネットワーキングについて理解を深める #1の内容は、2020年早期のソースコードベースに基づいて説明されるものです。
ファイル構成
CNI Pluginの登録
関数を使用して、(ネットワーク追加)と(ネットワーク削除)のコマンドをCNI Pluginとして登録する
- CNI Plugin自体の仕様: https://www.cni.dev/docs/spec/#cni-operations
Add コマンド
- 設定の読み込み
関数で、 とログ関連の変数を読み込み、全般設定を行います。この部分はほとんどエラーを起こしませんが、VPCCNI以外のCNIと同時に使用すると、MTUなどの変数で衝突が起こされ、以下のエラーが発生する可能性があります。
- Kubernetes引数の読み込み
- IPAMDへのgRPC接続の設定
- ネットワークの追加APIリクエスト
この部分が失敗すると、エラーが発生します。バージョン1.6から1.11まで多くの関連Issueが報告され、実際弊社2021年のCNDT発表(09:10から)でもこの現象について初めて紹介しました。次の節での動作を詳細に説明したいと思います。
- ネットワーク設定の実装
またはでVLANとLinux RoutingTableの設定を行います。
こちらの部分は、 という変数を使用して分岐しています。が0ではない場合、Branch ENIを使用することを意味し、つまりSGP機能が有効化されていることです。
Del コマンド
- 設定の読み込み
Addコマンドと同じです
- Kubernetes引数の読み込み
Addコマンドと同じです
- 前回の結果による削除試行
関数を使用して前回の結果に基づいてリソースを削除します。
- IPAMDへのgRPC接続の設定
- ネットワーク削除APIリクエスト
- ネットワークリソースのクリーンアップ
Pod IPの釈放などを行います。SGP使用の場合、Branch ENIの削除も実行します。
IPAMD Pluginの詳細
IPAMD Pluginは主にIPAMD gRPCサーバを指しています。このプラグインはバイナリとして存在し、バイナリによって起動されます。ソースコードは と に集中しています。
ファイル構成
IPAMDの処理概要
- 初期化プロセスには以下が含まれます
- k8s API Serverとの接続確認
- k8s API Client初期化
- k8s Eventを発行するためのRecorder初期化
- IPAMD Clientの初期化
- の別goroutineでの起動
ここはIPAMDのコアの機能の一つとなります。Reconcile関数を通して、セカンドIPとENI(Trunk/Branchも含む)の管理を行います。このReconcileプロセスのログが多く、Nodeのにそのほとんどが記録されています。
- Prometheus Metrics API Serverの別goroutineでの起動
環境変数で無効化されていない場合、で起動します
- 内省API Serverの別goroutineでの起動
- IPAMD ContextからENI情報を取得する
- Node情報から特定のENI設定名を取得する
- ネットワーク設定のデバッグ情報を取得する
- IPAMDの環境設定のデバッグ情報を取得する
同じく環境変数で無効化されていない場合起動します。この内省/内観(Introspection) APIはIPAMDの運用状況を監視し、診断するために使用されます。現時点での内観APIは以下の四つの主要機能を提供します。
- gRPC Serverの起動
全体像
エラーについて
前節で、SGPを利用する際に頻発する というエラーを簡単に紹介しました。以下では、IPAMD 関数の詳細を分析し、エラーの原因となる可能性を探ることにします。
AddNetworkの処理概要
- PodENIが有効化された場合(SGP利用)の処理
- PodのResource Profileにてを持つPodが対象です
- Annotation の値から以下の情報を取得し、それに基づいてIPv4またはIPv6による追加の検証を行います。
SGP対象のPodは、以下二箇所にVPCCNIによって修正されます。
- AnnotationにIPが存在しない場合、EC2 ENI DatastoreからIPを取得する
- AnnotationにIPが存在した場合、そのIPを現存のVPC IP Poolに追加する
- CNI PluginへIP追加のレスポンスを行う
上記の流れで、任意のところでエラーが発生すると、Pod起動が遅延され、というエラーが繰り返して出現することがあります。
デバッグする際には、Nodeにアクセスしてipamd.logの中身を分析し、関係のあるレベルのログを特定して解析すること重要です。出現する可能性のあるレベルのログは以下となります。
ログメッセージ | 説明 | SGP有効化との関連性 | 原因推測 |
---|---|---|---|
CNI側とIPAMD側が保持しているバージョン情報が一致しない | なし | DaemonSet更新タイミンの問題 | |
IPAMD側が受け取ったPod名のPodが存在しない、Annotationの情報取得失敗 | あり | AnnotationとResource Profile管理仕組みのバグ | |
Nodeに搭載中のTrunk ENIが存在しないか、LinkIndex情報を取得できない | なし | 何かのバグ | |
Annotataionの情報パース失敗 | あり | Parser自体と利用のバグ |
2020年から2022年まで、類似Issueが50件以上報告されています。AWS VPC CNI自身のバグが主な原因とされています。
そのほかに、以下の原因も多いです。
- SGPに対応していないEC2 Instance Typeを使用した (t系を使用したとか)
- Pod数がTrunk ENIが作成可能のBranch ENI数を超えた。
Security Groups For Pods
Security GroupsをNodeレベルではなくPodレベルで適用する機能です。これにより、EKS Pod と VPC内の他のサービス間との通信セキュリティを強化することができます。
一般的なユースケースは EKS Pod ↔ RDS/ElastiCache通信制御です。
仕組み
Podごとにという種類のNetworkInterfaceを作成し、Branch ENI対象にSecurity Groupを割り当てる仕組みです。これらのBranch ENIは、EKS Node上のTrunk ENIに接続されています。Trunk ENIは中央ハブとして機能し、複数のBranch ENIのネットワークトラフィックを管理します。Trunk ENIは、SGPが有効化される時点で、 daemonsetによって作成されます。
設定方法とENVの説明
VPCCNI v1.14以降、SGP有効化の必須手順は、Container対象に、以下の設定を設定する必要があります。
DaemonSet
1.10以前、Liveness/Readiness Probes利用する際、initContainers対象に、以下の設定も設定する必要があります。
1.10以前、のデフォルト値がstrictであるため、全てのトラフィックはPodごとのSGによって制御されます。KubeletがTCPを介してLiveness/Readiness ProbesのためにPodに接続するトラフィックもその対象になってしまいます。
ENFORCING_MODEについて
- Strictモード
- SG付きPodへ全てのInbound/OutboundトラフィックはBranch ENIのSGによってのみ制御されます。一方、Pod間の全てのInbound/OutboundトラフィックはVPCの中に入ります。
- Standardモード
- (VPC内)全ての通信はPrimary ENIとBranch ENIの両方のSGが適用されます。
- SG付きPodへ全てのInbound/OutboundトラフィックはBranch ENIのSGのみによって制御されます。ただし、kubeletからのInbound/OutboundトラフィックはNode SGによって制御され、Branch ENIのSGのルールは適用されないため、SGPを使用する際に、NodeSGとBranch ENIのSGを同時にPodに設定する必要があります。
- VPC外(External VPN/Direct Connection/External VPC)へのOutboundトラフィックについては、以下の条件が適用されます。
- がが有効な場合、トラフィックはSNATされず、SGのルールによって制御されます
- が無効化されている場合、トラフィックはeth0経由でSNATされ、eth0に関連付けられたSGのルールのみによって制御されます。つまり、Branch ENIのSGのルールは適用されず、Primary ENIのSGのルールのみが適用されます
WARM_*, IP_COOLDOWN_PERIODについて
系のENVは、主にENIの搭載やセカンドIPの付与に関連しており、SGP自体の動作とは直接関係していません。上記のVPCCNI節には、WARM_*系のENVが関連するソースコードの記載が見つかりませんでした。
2021年のIssueでは、解決が困難なエラーについて、一部のIssue討論者の中では系ENVと ENVが影響しているのではないかとの見解がありましたが、メインテナーによって「影響がない」とドキュメントで明記され、否定されました。
Any of the WARM targets do not impact the scale of the branch ENI pods so you will have to set the WARM_{ENI/IP/PREFIX}_TARGET based on the number of non-branch ENI pods. If you are having the cluster mostly using pods with a security group consider setting WARM_IP_TARGET to a very low value instead of default WARM_ENI_TARGET or WARM_PREFIX_TARGET to reduce wastage of IPs/ENIs.
制約
- 前述通り、SecurityGroupPolicyを作成する際、Podに設定するSecurityGroupは、Branch ENI SGとNode SGの両方を含める必要があります。
- Trunk ENIもNodeが搭載できるENI数に含まれるため、NodeのENI数は使用中のInstance TypeがサポートしているENI数に達した場合、Trunk ENI作成されないため、該当のNode上SGが適用したPodが作成されません。
- runk ENIが作成できるBranch ENI数(すなわちPod数)は限られています。ドキュメントでは載っていないため、こちらのソースコードのMapから実際の数を計算してください。計算方法は以下となります。
- SGPサポートしているInstanceTypeは、上記ソースコードのMapにおいて、と記述されているものだけです
- SGP適用後のPod再起動は通常より時間がかかるため、最適なDeployment Update Strategyを採用してください
参考文献
終わりに
VPCCNIは、最近ついにNetwork Policy Engineとして使えるようになりました。2019年以降、進化を続け、最近では使い心地も良くなってきました。未来のVPCCNIに期待しています。
SGPの公式チュートリアルドキュメントには、赤色枠で示されたImportantに、重要な情報と制約条件が記載されています。繰り返して確認するのが重要でしょう。
今回のIPAMDとSGPに関連するソースコードを理解することで、トラブルシューティングの精度が大幅に向上しました。今後もこういった学習方法で挑戦してみたいと思います。
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