這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)TKE容器網(wǎng)絡(luò)中的ARP Overflow問題探究及其解決方法是什么，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。

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1. 問題背景

1.1 問題描述

最近，某內(nèi)部客戶的 TKE VPC-CNI 模式的獨(dú)立網(wǎng)卡集群上出現(xiàn)了 pod 間訪問不通的情況，問題 pod ping 不通任何其他 pod 和節(jié)點(diǎn)。

查看 dmesg 內(nèi)核日志，有如下報(bào)錯(cuò)信息：neighbour: arp_cache: neighbor table overflow!(下圖為后續(xù)復(fù)現(xiàn)的日志截圖)

并且，這個(gè)集群規(guī)模較大，約有 1000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，30000 個(gè) pod，基本可以懷疑是由于集群規(guī)模較大，導(dǎo)致 ARP 表項(xiàng)過多，從而引起 ARP Overflow 的問題。

1.2 名詞解釋

2. 問題初步分析

從如上報(bào)錯(cuò)信息可知，這個(gè)問題的基本原因在于 ARP 緩存表打滿了。這里涉及到內(nèi)核的 ARP 緩存垃圾回收機(jī)制。當(dāng) ARP 表項(xiàng)太多且又沒有可回收的表項(xiàng)的時(shí)候，新表項(xiàng)就會(huì)無法插入。

這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送時(shí)無法找到對(duì)應(yīng)的硬件地址(MAC)。使得網(wǎng)絡(luò)包不能發(fā)送。

那么具體什么情況會(huì)導(dǎo)致新表項(xiàng)無法插入呢？回答這個(gè)問題，我們需要先深入了解一下 ARP 緩存老化及垃圾回收機(jī)制。

3. ARP 緩存老化回收機(jī)制

3.1 ARP 緩存表項(xiàng)狀態(tài)機(jī)

如上圖，是整個(gè) ARP 表項(xiàng)的生命周期及其狀態(tài)機(jī)。

我們知道，對(duì)于 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送時(shí)，網(wǎng)絡(luò)棧需要對(duì)端的 MAC 地址才能讓網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)換成二層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——幀，從而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。而對(duì)于不同廣播域的 IP 地址，其對(duì)端 MAC 地址為網(wǎng)關(guān)，發(fā)送端會(huì)將網(wǎng)絡(luò)包發(fā)給網(wǎng)關(guān)讓其轉(zhuǎn)發(fā)，而對(duì)于同廣播域中的 IP 地址，其對(duì)端 MAC 地址即與 IP 地址對(duì)應(yīng)。

而通過 IP 地址找到 MAC 地址就是 ARP 協(xié)議的主要工作內(nèi)容。ARP 協(xié)議的工作過程此處不再贅述，而通過 ARP 協(xié)議找到 IP 地址對(duì)應(yīng)的 MAC 地址后，會(huì)將該對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)在本機(jī)上一段時(shí)間，以減少 ARP 協(xié)議的通信頻率，加快網(wǎng)絡(luò)包的發(fā)送。該對(duì)應(yīng)關(guān)系，即 ARP 緩存表項(xiàng)，其狀態(tài)機(jī)或整個(gè)生命周期可描述如下：

1. 初始時(shí)，對(duì)于任何網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送時(shí)，內(nèi)核協(xié)議棧需要找到目的 IP 地址對(duì)應(yīng)的對(duì)端 MAC 地址，如果這時(shí) ARP 緩存中沒有命中，則會(huì)新插入一條狀態(tài)為 Incomplete 的表項(xiàng)。Incomplete 狀態(tài)會(huì)嘗試發(fā)送 ARP 包，請(qǐng)求某 IP 地址對(duì)應(yīng)的 MAC 地址。

2. 若收到 ARP 回應(yīng)的，表項(xiàng)狀態(tài)就變?yōu)?Reachable。

3. 若嘗試了一定次數(shù)后沒收到響應(yīng)，表項(xiàng)即變?yōu)?Failed。

4. Reachable 表項(xiàng)在到達(dá)超時(shí)時(shí)間后，會(huì)變成 Stale 狀態(tài)，Stale 狀態(tài)的表項(xiàng)已不可再使用。

5. Stale 的表項(xiàng)若有被引用來發(fā)包，則表項(xiàng)會(huì)變?yōu)?Delay 狀態(tài)。

6. Delay 狀態(tài)的表項(xiàng)也不可使用來發(fā)包，但在 Delay 狀態(tài)到期前，收到 ARP 的本機(jī)確認(rèn)，則重新轉(zhuǎn)為 Reachable 狀態(tài)。

7. Delay 狀態(tài)到期，表項(xiàng)變?yōu)?Probe 狀態(tài)，該狀態(tài)與 Incomplete 狀態(tài)類似。

8. Stale 狀態(tài)到期后，會(huì)被啟動(dòng)的垃圾回收起回收刪除。

通過以下命令可查看當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)命名空間（network namespace） 中 arp 表項(xiàng)及其狀態(tài)：

ip neigh

如：

本機(jī)確認(rèn)：這是代指本機(jī)收到了一個(gè)源 mac 地址匹配的網(wǎng)絡(luò)包，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包表示此次網(wǎng)絡(luò)通信的“上一跳”即是該 mac 地址的機(jī)器，能收到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包即說明該 mac 地址可達(dá)。因此即可把該表項(xiàng)轉(zhuǎn)為 Reachable 狀態(tài)。通過這一機(jī)制，內(nèi)核可減少 ARP 的通信需求。

3.2 涉及到的內(nèi)核參數(shù)

以下列出了該機(jī)制中主要涉及的內(nèi)核參數(shù)：

其中，gc 相關(guān)的內(nèi)核參數(shù)是對(duì)**所有網(wǎng)卡（interface）**生效的。但是各種到期時(shí)間的設(shè)置是僅對(duì)單獨(dú)網(wǎng)卡（interface）生效的，default 值僅對(duì)新增接口設(shè)備生效。

3.3 ARP 緩存垃圾回收機(jī)制

由其緩存表項(xiàng)的狀態(tài)機(jī)我們知道，不是所有的表項(xiàng)都會(huì)被回收，只有 Stale 狀態(tài)過期后，F(xiàn)ailed 的表項(xiàng)可能會(huì)被回收。另外，ARP 緩存表項(xiàng)的垃圾回收是觸發(fā)式的，需要回收的表項(xiàng)不一定立刻會(huì)被回收，ARP 緩存表項(xiàng)的垃圾回收有四種啟動(dòng)邏輯：

1. arp 表項(xiàng)數(shù)量 < gc_thresh2，不啟動(dòng)。

2. gc_thresh2 =< arp 表項(xiàng)數(shù)量 <= gc_thresh3，按照 gc_interval 定期啟動(dòng)

3. gc_thresh3 < arp 表項(xiàng)數(shù)量 <= gc_thresh4，5秒后啟動(dòng)

4. arp 表項(xiàng)數(shù)量 > gc_thresh4，立即啟動(dòng)

對(duì)于不可回收的表項(xiàng)，垃圾回收即便啟動(dòng)了也不會(huì)對(duì)其進(jìn)行回收。因此當(dāng)不可回收的表項(xiàng)數(shù)量大于 gc_thresh4 的時(shí)候，垃圾回收也無能為力了。

4. 進(jìn)一步探究

4.1 垃圾回收閾值是按命名空間級(jí)別生效還是子機(jī)級(jí)別生效

我們知道，每個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)命名空間是有完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的。那么，ARP 緩存的垃圾回收也是每個(gè)命名空間單獨(dú)處理的嗎？

從涉及的內(nèi)核參數(shù)可以看出，gc 相關(guān)的內(nèi)核參數(shù)是對(duì)所有接口設(shè)備生效的，因此，這里可以推測(cè)垃圾回收的閾值也是子機(jī)級(jí)別生效的，而不是按網(wǎng)絡(luò)命名空間。

這里做了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證：

1. 在節(jié)點(diǎn) default ns 上的 gc_thresh2, gc_thresh3 和 gc_thresh4 設(shè)置成60 。

2. 在節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建了 19 個(gè)獨(dú)立網(wǎng)卡模式的 Pod

3. 任意選擇一個(gè) pod ping 其他的 pod，以此產(chǎn)生 arp 緩存

4. 用 shell 腳本掃描節(jié)點(diǎn)上的所有 pod，計(jì)算 arp 表項(xiàng)的和，可以得到：

可以發(fā)現(xiàn)， 各命名空間的累計(jì) arp 表項(xiàng)的數(shù)目在每次達(dá)到 60 之后就會(huì)快速下降，也就是達(dá)到 60 之后就產(chǎn)生了垃圾回收。重復(fù)幾次都是類似的結(jié)果，因此，這說明了垃圾回收在計(jì)算 ARP 表項(xiàng)是否觸發(fā)閾值時(shí)，是計(jì)算各命名空間的累計(jì)值，也就是按子機(jī)級(jí)別生效，而非命名空間級(jí)別。

4.2 不可回收的 ARP 表項(xiàng)達(dá)到 gc_thresh4 時(shí)，會(huì)發(fā)生什么

由前面的介紹我們知道，垃圾回收機(jī)制并非回收任意 ARP 緩存，因此，當(dāng)所有可達(dá)狀態(tài)的 ARP 表項(xiàng)打滿 ARP 緩存表時(shí)，也即達(dá)到 gc_thresh4 時(shí)，會(huì)發(fā)生什么行為？可以推測(cè)，此時(shí)舊的無法回收，新的 ARP 表項(xiàng)也無法插入，新的網(wǎng)絡(luò)包會(huì)無法發(fā)送，也即發(fā)生了本次文章所描述的問題。

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，繼續(xù)在以上環(huán)境中實(shí)驗(yàn)：

1. 將任意兩個(gè) Pod 的基礎(chǔ)老化時(shí)間 base_reachable_time 調(diào)長到 1800秒，以此產(chǎn)生不可回收的 ARP 表項(xiàng)。

2. 設(shè)置 gc_thresh4 為 40，以此更容易觸發(fā)問題

3. 選擇調(diào)整了老化時(shí)間的 pod ping 其他的 pod，以此產(chǎn)生 arp 緩存。

4. 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)閾值的時(shí)候，ping 會(huì)產(chǎn)生丟包或不通：

查看內(nèi)核日志 dmesg -T，可以看到文章開頭描述的信息：neighbour: arp_cache: neighbor table overflow!

以上實(shí)驗(yàn)說明了，不可回收的 ARP 表項(xiàng)打滿 ARP 表會(huì)讓新的表項(xiàng)無法插入，從而網(wǎng)絡(luò)不通。

4.3 為什么相比 TKE 的全局路由模式和單網(wǎng)卡多 IP 模式，獨(dú)立網(wǎng)卡模式更容易產(chǎn)生這個(gè)問題

要回答這個(gè)問題，我們先簡單看一下 TKE 各網(wǎng)絡(luò)模式的原理介紹

全局路由模式

該網(wǎng)絡(luò)模式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的容器 IP 是預(yù)先分配到節(jié)點(diǎn)上的，這些 IP 同屬一個(gè)子網(wǎng)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)小子網(wǎng)。我們知道，ARP 協(xié)議是為二層通信服務(wù)的，因此，該網(wǎng)絡(luò)方案中，每個(gè) Pod 的網(wǎng)絡(luò)命名空間內(nèi)的 ARP 表最大可能保存了節(jié)點(diǎn)上所有其他 Pod 的 ARP 表項(xiàng)，最后節(jié)點(diǎn)的 ARP 表項(xiàng)的數(shù)量最大即為 節(jié)點(diǎn)子網(wǎng) IP 數(shù)的平方，如節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)大小是128，則其 ARP 表項(xiàng)最大可能為 127 的平方，約 16000。

共享網(wǎng)卡模式

該網(wǎng)絡(luò)模式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)綁定輔助彈性網(wǎng)卡，節(jié)點(diǎn)上的 Pod 共享使用該輔助網(wǎng)卡，每個(gè) Pod 內(nèi)不會(huì)做網(wǎng)絡(luò)包的路由，只會(huì)有一條 ARP 表項(xiàng)，實(shí)際的路由控制在節(jié)點(diǎn)的 default 命名空間內(nèi)完成。因此，該網(wǎng)絡(luò)模式下，ARP 緩存表幾乎是共享的，又因?yàn)榫W(wǎng)卡只能屬于 1 個(gè)子網(wǎng)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 Pod ARP 緩存表只能存儲(chǔ)一個(gè)子網(wǎng)的 IP-MAC 映射關(guān)系，至多數(shù)量為各網(wǎng)卡所在子網(wǎng)內(nèi) IP 的數(shù)量和，如子網(wǎng)是 /22，即含有約 1000 個(gè) ip， 那么 arp 表項(xiàng)也大概有 1000，由于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)卡配額一般不超過 10，因此該節(jié)點(diǎn)的最大 ARP 表項(xiàng)一般不超過 10000。

下一代網(wǎng)絡(luò)方案——獨(dú)立網(wǎng)卡模式

獨(dú)立網(wǎng)卡模式是 TKE 團(tuán)隊(duì)推出的下一代“零損耗”容器網(wǎng)絡(luò)方案，其基本原理如下圖所示：

即母機(jī)虛擬出的彈性網(wǎng)卡，直接置于容器中，使容器獲得與 CVM 子機(jī)一樣的網(wǎng)絡(luò)通信能力和網(wǎng)絡(luò)管理能力，大大提升了容器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)面能力，真正做到“零損耗”。

目前，獨(dú)立網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)方案已在 TKE 產(chǎn)品中開放白名單測(cè)試，歡迎內(nèi)外部客戶體驗(yàn)試用。

以上網(wǎng)絡(luò)方案中，每個(gè) Pod 都會(huì)獨(dú)占一個(gè)網(wǎng)卡，也會(huì)擁有獨(dú)立的命名空間和獨(dú)立的 ARP 緩存表。而每個(gè)網(wǎng)卡都可以屬于不同的子網(wǎng)。因此，在獨(dú)立網(wǎng)卡模式里，ARP 緩存表項(xiàng)數(shù)量至多為同可用區(qū)的子網(wǎng) IP 數(shù)量之和。這一數(shù)量量級(jí)是可以很輕易上萬的，很容易就突破了默認(rèn)的 ARP 緩存設(shè)置。也就觸發(fā)了這個(gè)問題。

5. 解決方案

從以上的分析可以看出，這個(gè)問題，調(diào)大垃圾回收的閾值，可以比較好的解決問題。因此，臨時(shí)的解決方案，就是調(diào)大 ARP 緩存表的垃圾回收閾值：

echo 8192 > /proc/sys/net/ipv4/neigh/default/gc_thresh2echo 16384 > /proc/sys/net/ipv4/neigh/default/gc_thresh3echo 32768 > /proc/sys/net/ipv4/neigh/default/gc_thresh4

6. 總結(jié)

ARP 緩存打滿之后，Pod 就會(huì)網(wǎng)絡(luò)不通。初看起來很簡單，但是其背后的 ARP 緩存老化和垃圾回收機(jī)制也是比較復(fù)雜的。查詢了很多資料，但是都對(duì)“垃圾回收閾值是對(duì)各命名空間的 ARP 表項(xiàng)累積值生效還是單獨(dú)生效”，“垃圾回收會(huì)回收哪些表項(xiàng)”，“表項(xiàng)打滿后的具體行為如何”等問題說不清、道不明。因此，筆者嘗試通過幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具體的行為模式。相比直接閱讀晦澀的內(nèi)核源碼，實(shí)驗(yàn)法也許也是一個(gè)研究問題和理解機(jī)制的捷徑了。希望能夠幫助到各位讀者。

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