源码解析 kubectl port-forward 工作原理

本文的源码基于 Kubernetes v1.24.0，容器运行时使用 Containerd 1.5，从源码来分析 kubectl port-forward 的工作原理。

通过 port-forward 流程的分析，梳理出 kubectl -> api-server -> kubelet -> 容器运行时 的交互，了解 cri 的工作方式。

kubectl

简单创建个 pod：

kubectl run pipy --image flomesh/pipy:latest -n default

在执行 kubectl forward 时添加参数 -v 9 打印日志。

kubectl port-forward pipy 8080 -v 9
...
I0807 21:45:58.457986   14495 round_trippers.go:466] curl -v -XPOST  -H "User-Agent: kubectl/v1.24.3 (darwin/arm64) kubernetes/aef86a9" -H "X-Stream-Protocol-Version: portforward.k8s.io" 'https://192.168.1.12:6443/api/v1/namespaces/default/pods/pipy/portforward'
I0807 21:45:58.484013   14495 round_trippers.go:553] POST https://192.168.1.12:6443/api/v1/namespaces/default/pods/pipy/portforward 101 Switching Protocols in 26 milliseconds
I0807 21:45:58.484029   14495 round_trippers.go:570] HTTP Statistics: DNSLookup 0 ms Dial 0 ms TLSHandshake 0 ms Duration 26 ms
I0807 21:45:58.484035   14495 round_trippers.go:577] Response Headers:
I0807 21:45:58.484040   14495 round_trippers.go:580]     Upgrade: SPDY/3.1
I0807 21:45:58.484044   14495 round_trippers.go:580]     X-Stream-Protocol-Version: portforward.k8s.io
I0807 21:45:58.484047   14495 round_trippers.go:580]     Date: Sun, 07 Aug 2022 13:45:58 GMT
I0807 21:45:58.484051   14495 round_trippers.go:580]     Connection: Upgrade
Forwarding from 127.0.0.1:8080 -> 8080
Forwarding from [::1]:8080 -> 8080

从日志可以看到请求的地址为 /api/v1/namespaces/default/pods/pipy/portforward，其中 portforward 为 pod 资源的子资源。

这里使用的协议是 spdy。

kubectl 此时会监听本地端口，同时使用 pod 子资源 portforward 的 url 创建到 api-server 的连接。

当本地端口有连接接入时，kubectl 会不断地在两个连接间拷贝数据。

参考源码：

• staging/src/k8s.io/kubectl/pkg/cmd/portforward/portforward.go:389^[1]
• staging/src/k8s.io/client-go/tools/portforward/portforward.go:242^[2]
• staging/src/k8s.io/client-go/tools/portforward/portforward.go:330^[3]

api-server

pod 的三个子资源 exec、attach 和 portforward，对这三个资源的操作都会代理有对应 node 的 kubetlet server 进行处理。

api-server 在接收到访问 pod 子资源 portforward 的请求后，通过 pod 及其所在 node 的信息，获取访问该 node 上 kubelet server 的 url。

然后将访问 pod 的 portforward 的请求，代理到 kubelet server。

参考源码

• pkg/registry/core/pod/rest/subresources.go:185^[4]

kubelet

portforward 请求来到了 pod 所在节点的 kubelet server，在 kubelet server 中，有几个用于调试的 endpoint，portforward 便是其中之一：

• /run/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
• /exec/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
• /attach/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
• /portforward/{podNamespace}/{podID}
• /containerLogs/{podNamespace}/{podID}/{containerName}
• /runningpods/

kubelet server 收到请求后，首先会通过 RuntimeServiceClient 发送 gRCP 请求到容器运行时的接口（/runtime.v1alpha2.RuntimeService/PortForward）获取容器运行时 streaming server 处理 pordforward 请求的 url。

拿到 portforward streaming 的 url 之后，kubelet server 将请求代理到该 url。

参考源码

• pkg/kubelet/server/server.go:463^[5]
• pkg/kubelet/server/server.go:873^[6]
• pkg/kubelet/cri/streaming/portforward/portforward.go:46^[7]
• pkg/kubelet/cri/streaming/server.go:111^[8]

cri

这里以 Containerd 为例。

Containerd 在启动时会启动 runtime service 和 image service。前者是负责容器相关的操作，后者负责镜像相关的操作。

kubelet 获取用于端口转发的 streaming url，就是调用了 runtime service 的 gRPC 接口完成的。

除了两个 gRPC service 以外，还加载了一系列插件。这些插件中，其中有一个是 cri service。

cri service 会启动 streaming server。这个 server 会响应 /exec、/attach 和 /portforward 的 stream 请求。

portforward 支持两种操作系统 linux 和 windows：sandbox_portforward_linux.go 和 sandbox_portforward_windows.go。

在 linux 上，在 pod 所在的 network namespace 中使用地址 localhost 创建到目标端口的连接。然后在 streaming server 的连接和该连接之间拷贝数据，完成数据的传递。

在 windows 上，是通过 wincat.exe 使用地址 127.0.0.1 创建到目标端口的连接。

参考源码

• pkg/cri/streaming/server.go:149^[9]
• pkg/cri/server/streaming.go:69^[10]
• pkg/cri/server/service.go:138^[11]
• pkg/cri/server/sandbox_portforward_linux.go:34^[12]

总结

结合源码分析对 port-foward 工作原理的梳理，相信对 cri 的工作方式也有了一定的了解。本文是以容器运行时 Containerd 为例，不同的容器运行时虽然实现了 cri，但是实现的细节上也会有所差异。

比如在 port-forward 的实现上，Kubernetes v1.23.0 版本中的 docker shim（1.24 中被移除）^[13] 中，是使用nsenter 进入 pod 所在的 network namespace 中通过 socat 完成的端口转发。

参考资料