Java应用程序的奇怪案例

​在微服务和容器化方面，工程师倾向于避免使用 Java，这主要是由于 Java 臭名昭著的内存管理。但是，现在情况发生了改变，过去几年来 Java 的容器兼容性得到了改善。毕竟，大量的系统（例如Apache Kafka和Elasticsearch）在 Java 上运行。

​回顾 2017-18 年度，我们有一些应用程序在 Java 8 上运行。这些应用程序通常很难理解像 Docker 这样的容器环境，并因堆内存问题和异常的垃圾回收趋势而崩溃。我们了解到，这是由于 JVM 无法使用Linuxcgroup和namespace造成的，而它们是容器化技术的核心。

但是，从那时起，Oracle 一直在不断提高 Java 在容器领域的兼容性。甚至 Java 8 的后续补丁都引入了实验性的 JVM标志来解决这些,XX:+UnlockExperimentalVMOptions和XX:+UseCGroupMemoryLimitForHeap。

但是，尽管做了所有的这些改进，不可否认的是，Java 在内存占用方面仍然声誉不佳，与 Python 或 Go 等同行相比启动速度慢。这主要是由 JVM 的内存管理和类加载器引起的。

​现在，如果我们必须选择 Java，请确保版本为 11 或更高。并且 Kubernetes 的内存限制要在 JVM 最大堆内存（-Xmx）的基础上增加 1GB，以留有余量。也就是说，如果 JVM 使用 8GB 的堆内存，则我们对该应用程序的 Kubernetes 资源限制为 9GB。

Kubernetes生命周期管理: 升级

​Kubernetes 生命周期管理（例如升级或增强）非常繁琐，尤其是如果已经在裸金属或虚拟机上构建了自己的集群。对于升级，我们已经意识到，最简单的方法是使用最新版本构建新集群，并将工作负载从旧版本过渡到新版本。节点原地升级所做的努力和计划是不值得的。

​Kubernetes 具有多个活动组件，需要升级保持一致。从 Docker 到 Calico 或 Flannel 之类的 CNI 插件，你需要仔细地将它们组合在一起才能正常工作。虽然像 Kubespray、Kubeone、Kops 和 Kubeaws 这样的项目使它变得更容易，但它们都有缺点.

​我们在 RHEL 虚拟机上使用 Kubespray 构建了自己的集群。Kubespray 非常棒，它具有用于构建、添加和删除新节点、升级版本的 playbook，以及我们在生产环境中操作 Kubernetes 所需的几乎所有内容。但是，用于升级的 playbook 附带了免责声明，以避免我们跳过子版本。因此，必须经过所有中间版本才能到达目标版本。

​关键是，如果你打算使用 Kubernetes 或已经在使用 Kubernetes，请考虑生命周期活动以及解决这一问题的方案。构建和运行集群相对容易一些，但是生命周期维护是一个全新的体验，具有多个活动组件。

构建和部署

​在准备重新设计整个构建和部署流水线之前， 我们的构建过程和部署必须经历 Kubernetes 世界的完整转型。不仅在 Jenkins 流水线中进行了大量的重构，而且还使用了诸如 Helm 之类的新工具，策划了新的 git 流和构建、标签化 docker 镜像，以及版本化 helm 的部署 chart。

​你需要一种策略来维护代码，以及 Kubernetes 部署文件、Docker 文件、Docker 镜像、Helm chart，并设计一种方法将它们组合在一起。

经过几次迭代，我们决定采用以下设计:

• 应用程序代码及其 helm chart 放在各自的 git 存储库中。这使我们可以分别对它们进行版本控制（语义版本控制）。
• 然后，我们将 chart 版本与应用程序版本关联起来，并使用它来跟踪发布。例如，app-1.2.0使用charts-1.1.0进行部署。如果只更改 Helm 的 values 文件，则只更改 chart 的补丁版本（例如，从1.1.0到1.1.1）。所有这些版本均由每个存储库中的RELEASE.txt中的发行说明规定。
• 对于我们未构建或修改代码的系统应用程序，例如 Apache Kafka 或 Redis ，工作方式有所不同。也就是说，我们没有两个 git 存储库，因为 Docker 标签只是 Helm chart 版本控制的一部分。如果我们更改了 docker 标签以进行升级，则会升级 chart 标签的主要版本。

 

存活和就绪探针(双刃剑)

​Kubernetes 的存活探针和就绪探针是自动解决系统问题的出色功能。它们可以在发生故障时重启容器，并将流量从不正常的实例进行转移。但是，在某些故障情况下，这些探针可能会变成一把双刃剑，并会影响应用程序的启动和恢复，尤其是有状态的应用程序，例如消息平台或数据库。

​我们的 Kafka 系统就是这个受害者。我们运行了一个3 Broker 3 Zookeeper有状态副本集，该状态集的ReplicationFactor为 3，minInSyncReplica为 2。当系统意外故障或崩溃导致 Kafka 启动时，问题发生了。这导致它在启动期间运行其他脚本来修复损坏的索引，根据严重性，此过程可能需要 10 到 30 分钟。由于增加了时间，存活探针将不断失败，从而向 Kafka 发出终止信号以重新启动。这阻止了 Kafka 修复索引并完全启动。

唯一的解决方案是在存活探针设置中配置initialDelaySeconds，以在容器启动后延迟探针评估。但是，问题在于很难对此加以评估。有些恢复甚至需要一个小时，因此我们需要提供足够的空间来解决这一问题。但是，initialDelaySeconds越大，弹性的速度就越慢，因为在启动失败期间 Kubernetes 需要更长的时间来重启容器。

​因此，折中的方案是评估initialDelaySeconds字段的值，以在 Kubernetes 中的弹性与应用程序在所有故障情况（磁盘故障、网络故障、系统崩溃等）下成功启动所花费的时间之间取得更好的平衡。

​更新：如果你使用最新版本，Kubernetes 引入了第三种探针类型，称为“启动探针”，以解决此问题。从 1.16 版开始提供 alpha 版本，从 1.18 版开始提供 beta 版本。

启动探针会禁用就绪和存活检查，直到容器启动为止，以确保应用程序的启动不会中断。

公开外部IP

​我们了解到，使用静态外部 IP 公开服务会对内核的连接跟踪机制造成巨大代价。除非进行完整的计划，否则它很轻易就破坏了扩展性。

​我们的集群运行在Calico for CNI上，在 Kubernetes 内部采用BGP作为路由协议，并与边缘路由器对等。对于 Kubeproxy，我们使用IP Tables模式。我们在 Kubernetes 中托管着大量的服务，通过外部 IP 公开，每天处理数百万个连接。由于来自软件定义网络的所有 SNAT 和伪装，Kubernetes 需要一种机制来跟踪所有这些逻辑流。为此，它使用内核的Conntrack and netfilter工具来管理静态 IP 的这些外部连接，然后将其转换为内部服务 IP，然后转换为 pod IP。所有这些都是通过conntrack表和 IP 表完成的。

​但是conntrack表有其局限性。一旦达到限制，你的 Kubernetes 集群（如下所示的 OS 内核）将不再接受任何新连接。在 RHEL 上，可以通过这种方式进行检查。

sysctl net.netfilter.nf_conntrack_count net.netfilter.nf_conntrack_maxnet.netfilter.nf_conntrack_count = 167012
net.netfilter.nf_conntrack_max = 262144

​解决此问题的一些方法是使用边缘路由器对等多个节点，以使连接到静态 IP 的传入连接遍及整个集群。因此，如果你的集群中有大量的计算机，累积起来，你可以拥有一个巨大的conntrack表来处理大量的传入连接。

回到 2017 年我们刚开始的时候，这一切就让我们望而却步，但最近，Calico 在 2019 年对此进行了详细研究，标题为“为什么 conntrack 不再是你的朋友”。

安全方面

​对于大部分 Kubernetes 用户来说，安全是无关紧要的，或者说没那么紧要，就算考虑到了，也只是敷衍一下，草草了事。实际上 Kubernetes 提供了非常多的选项可以大大提高应用的安全性，只要用好了这些选项，就可以将绝大部分的攻击抵挡在门外。为了更容易上手，我将它们总结成了几个最佳实践配置，大家看完了就可以开干了。当然，本文所述的最佳安全实践仅限于 Pod 层面，也就是容器层面，于容器的生命周期相关，至于容器之外的安全配置（比如操作系统啦、k8s 组件啦），以后有机会再唠。

为容器配置Security Context

​大部分情况下容器不需要太多的权限，我们可以通过 Security Context 限定容器的权限和访问控制，只需加上 SecurityContext 字段：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: <Pod name>
spec:
containers:
  - name: <container name>
image: <image>
securityContext:

禁用allowPrivilegeEscalation

​allowPrivilegeEscalation=true 表示容器的任何子进程都可以获得比父进程更多的权限。最好将其设置为 false，以确保 RunAsUser 命令不能绕过其现有的权限集。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: <Pod name>
spec:
containers:
  - name: <container name>
image: <image>
securityContext:
allowPrivilegeEscalation: false

不要使用root用户

​为了防止来自容器内的提权攻击，最好不要使用 root 用户运行容器内的应用。UID 设置大一点，尽量大于 3000。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: <name>
spec:
securityContext:
runAsUser: <UID higher than 1000>
runAsGroup: <UID higher than 3000>

限制CPU和内存资源

requests和limits都加上

不比挂载Service Account Token

​ServiceAccount 为 Pod 中运行的进程提供身份标识，怎么标识呢？当然是通过 Token 啦，有了 Token，就防止假冒伪劣进程。如果你的应用不需要这个身份标识，可以不必挂载：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: <name>
spec:
automountServiceAccountToken: false

确保seccomp设置正确

​对于 Linux 来说，用户层一切资源相关操作都需要通过系统调用来完成，那么只要对系统调用进行某种操作，用户层的程序就翻不起什么风浪，即使是恶意程序也就只能在自己进程内存空间那一分田地晃悠，进程一终止它也如风消散了。seccomp（secure computing mode）就是一种限制系统调用的安全机制，可以可以指定允许那些系统调用。

​对于 Kubernetes 来说，大多数容器运行时都提供一组允许或不允许的默认系统调用。通过使用 runtime/default 注释或将 Pod 或容器的安全上下文中的 seccomp 类型设置为 RuntimeDefault，可以轻松地在 Kubernetes 中应用默认值。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: <name>
annotations:
seccomp.security.alpha.kubernetes.io/pod: "runtime/default"

默认的seccomp 配置文件应该为大多数工作负载提供足够的权限,如果你有更多的需求,可以自定义配置文件.

限制容器的capabilities

​容器依赖于传统的Unix安全模型，通过控制资源所属用户和组的权限，来达到对资源的权限控制。以 root 身份运行的容器拥有的权限远远超过其工作负载的要求，一旦发生泄露，攻击者可以利用这些权限进一步对网络进行攻击。

​默认情况下，使用 Docker 作为容器运行时，会启用 NET_RAW capability，这可能会被恶意攻击者进行滥用。因此，建议至少定义一个PodSecurityPolicy(PSP)，以防止具有 NET_RAW 功能的容器启动。

通过限制容器的 capabilities，可以确保受攻击的容器无法为攻击者提供横向攻击的有效路径，从而缩小攻击范围。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: <name>
spec:
  securityContext:
    runAsNonRoot: true
    runAsUser: <specific user>
  capabilities:
  drop:
    -NET_RAW
    -ALL

是否一定需要Kubernetes?

​它是一个复杂的平台，具有自己的一系列挑战，尤其是在构建和维护环境方面的开销。它将改变你的设计、思维、架构，并需要提高技能和扩大团队规模以适应转型。

​但是，如果你在云上并且能够将 Kubernetes 作为一种“服务”使用，它可以减轻平台维护带来的大部分开销，例如“如何扩展内部网络 CIDR？”或“如何升级我的 Kubernetes 版本？”

​今天，我们意识到，你需要问自己的第一个问题是“你是否一定需要 Kubernetes？”。这可以帮助你评估所遇到的问题以及 Kubernetes 解决该问题的重要性。

​Kubernetes 转型并不便宜，为此支付的价格必须确实证明“你的”用例的必要性及其如何利用该平台。如果可以，那么 Kubernetes 可以极大地提高你的生产力。

记住，为了技术而技术是没有意义的。

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