Kubernetes ネットワーキング問題のデバッグ：必須のテクニック

Kubernetesネットワーキング問題のデバッグ：必須テクニック

強力なコンテナオーケストレーションプラットフォームであるKubernetesは、コンテナ化されたアプリケーションのデプロイ、スケーリング、管理を自動化します。アプリケーションのライフサイクル管理の多くの側面を簡素化する一方で、ネットワーキングは、特に問題のトラブルシューティング時に複雑な領域となることがよくあります。クラスタ内および外部サービスとPodがどのように通信するかを理解することは、アプリケーションの健全性とパフォーマンスを維持するために不可欠です。この記事では、サービスディスカバリ、ネットワークポリシー、およびイングレスコントローラの誤設定に焦点を当て、一般的なKubernetesネットワーキング問題を効果的にデバッグするための必須テクニックを提供します。

Kubernetesにおけるネットワーキング問題の診断には、体系的なアプローチが必要です。多くの場合、問題はKubernetesのネットワーキングモデルの根本的な誤解や、重要なコンポーネントの誤設定に起因します。Pod間の通信、サービスアクセス、および外部公開に関わるコンポーネントを体系的に調査することで、これらの問題を迅速に特定し解決し、アプリケーションがアクセス可能で機能し続けることを確実にできます。

Kubernetesネットワーキングの基本を理解する

デバッグに入る前に、Kubernetesにおける主要なネットワーキング概念を把握することが重要です。

Podネットワーキング: 各Podは独自のIPアドレスを持ちます。同じノード内のPodは直接通信できます。異なるノード上のPodは、仮想ネットワーク（CNIプラグイン）を介して通信します。
サービス: サービスは、一連のPodに対して安定したIPアドレスとDNS名を提供します。これらは抽象化レイヤーとして機能し、他のPodや外部クライアントが個々のPodのIPを知る必要なくアプリケーションバックエンドにアクセスできるようにします。
DNS: Kubernetes DNS（通常はCoreDNS）は、サービス名をクラスタIPに解決し、サービスディスカバリを可能にします。
ネットワークポリシー: これらはPodレベルでトラフィックフローを制御するKubernetesリソースであり、ファイアウォールとして機能します。どのPodがどの他のPodや外部ネットワークエンドポイントと通信できるかを定義します。
イングレス: イングレスコントローラは、クラスタ内のサービスへの外部アクセス（通常はHTTPおよびHTTPS）を管理します。ルーティング、ロードバランシング、SSL終端を提供します。

一般的なネットワーキング問題とデバッグ戦略

1. Pod間通信の失敗

Podが同じネームスペース内であっても互いに通信できない場合、それはネットワーキング問題の主要な兆候です。

症状:

接続タイムアウトや拒否を示すアプリケーションエラー。
あるPodから別のPodへのcurlまたはpingコマンドが失敗する。

デバッグ手順:

Pod IPの確認: 送信元Podと宛先Podの両方が有効なIPアドレスを持っていることを確認します。kubectl exec <pod-name> -- ip addrを使用します。
ネットワーク接続の確認（Pod内）: 送信元Podから、宛先PodのIPアドレスにpingを試行します。これが失敗する場合、問題はCNIプラグインまたはノードのネットワーキングにある可能性があります。
bash kubectl exec <source-pod-name> -- ping <destination-pod-ip>
ネットワークポリシーの検査: ネットワークポリシーは一般的な原因の1つです。Pod間のトラフィックを意図せずブロックしているポリシーがないか確認します。
bash kubectl get networkpolicies -n <namespace>
podSelectorとingress/egressルールを調べて、どのトラフィックが許可または拒否されているかを理解します。ingressルールが欠落している場合、すべての受信トラフィックがブロックされる可能性があります。
CNIプラグインのステータス: Container Network Interface (CNI) プラグイン（例：Calico, Flannel, Cilium）がすべてのノードで正しく実行されていることを確認します。CNIデーモンセットPodのログを確認します。
bash kubectl get pods -n kube-system -l k8s-app=<cni-plugin-label> kubectl logs <cni-plugin-pod-name> -n kube-system

2. サービスディスカバリの問題

PodがDNS名またはクラスタIPによって他のサービスに到達できない場合、Kubernetes DNSまたはサービスオブジェクトの設定に問題があることを示します。

症状:

Name or service not knownのようなアプリケーションエラー。
Pod内でのnslookupまたはdigコマンドがサービス名を解決できない。

デバッグ手順:

DNS解決の確認: Podから、既知のサービスに対するDNS解決をテストします。
bash kubectl exec <pod-name> -- nslookup <service-name>.<namespace>.svc.cluster.local
これが失敗する場合、CoreDNS Podにエラーがないか確認します。
bash kubectl get pods -n kube-system -l k8s-app=kube-dns kubectl logs <coredns-pod-name> -n kube-system
サービスオブジェクトの確認: サービスオブジェクトが正しく設定されており、健全なPodを指すエンドポイントを持っていることを確認します。
bash kubectl get service <service-name> -n <namespace> -o yaml kubectl get endpoints <service-name> -n <namespace>
endpointsの出力には、サービスをバックアップしているPodのIPアドレスがリストされているはずです。
Pod Readiness Probe: Podがreadiness probeに合格していない場合、サービスのエンドポイントには追加されません。readiness probeの設定とPodログに問題がないか確認します。

3. Ingressコントローラの課題

サービスへの外部アクセスは、IngressリソースとIngressコントローラによって管理されます。ここに問題があると、アプリケーションがクラスタ外からアクセスできなくなる可能性があります。

症状:

外部URLを介してアプリケーションにアクセスしたときに、502 Bad Gateway、404 Not Found、または503 Service Unavailableエラーが発生する。
Ingressコントローラのログに、バックエンドサービスに関連するエラーが表示される。

デバッグ手順:

IngressコントローラPodの確認: IngressコントローラPod（例：Nginx Ingress、Traefik）が実行中で健全であることを確認します。
bash kubectl get pods -l app.kubernetes.io/component=controller # ご使用のingressコントローラに基づいてラベルを調整してください kubectl logs <ingress-controller-pod-name> -n <ingress-namespace>
Ingressリソースの確認: Ingressリソースの設定を確認します。
bash kubectl get ingress <ingress-name> -n <namespace> -o yaml
rulesセクションがホスト名とパスを適切なservice.nameとservice.portに正しくマッピングしていることを確認します。
サービスとエンドポイントの確認: サービスディスカバリの場合と同様に、Ingressが指すバックエンドサービスが正しく設定されており、健全なエンドポイントを持っていることを確認します。
bash kubectl get service <backend-service-name> -n <namespace> kubectl get endpoints <backend-service-name> -n <namespace>
ファイアウォールとロードバランサー: クラスタ外からアクセスしている場合、外部ファイアウォールまたはクラウドプロバイダのロードバランサーがIngressコントローラのサービス（多くの場合LoadBalancerタイプのサービス）にトラフィックを転送するように正しく設定されていることを確認します。

4. ネットワークポリシーの適用

ネットワークポリシーは強力ですが、誤設定されると接続問題の原因にもなり得ます。これらは最小権限の原則に基づいて動作します。ポリシーがトラフィックを明示的に許可しない場合、それは拒否されます。

デバッグ手順:

適用されているポリシーの特定: 問題のPodに影響を与えているネットワークポリシーを特定します。
bash kubectl get networkpolicy -n <namespace>
ポリシーセレクタの検査: 各関連するネットワークポリシーのpodSelectorを注意深く検査します。このセレクタは、どのPodにポリシーが適用されるかを決定します。PodがいずれのpodSelectorにも一致しない場合、そのポリシーの影響を受けません。Podが複数のポリシーに一致する場合、最も制限の厳しい組み合わせが適用されます。
Ingress/Egressルールの確認: ネットワークポリシーのingressおよびegressセクションを分析します。Pod AからPod Bへの接続を確立しようとしている場合、以下を確実にする必要があります。
- Pod Bに適用されるネットワークポリシーが、Pod Aからのイングレストラフィックを許可している（またはPod Aを含むより広範なラベルセレクタ）。
- Pod Aに適用されるネットワークポリシーが、Pod Bへのイーグレストラフィックを許可している（またはPod Bを含むより広範なラベルセレクタ）。
広範に開かれたポリシーでのテスト: 一時的なトラブルシューティングステップとして、特定のPodまたはネームスペースに対するすべてのトラフィックを許可するネットワークポリシーを作成し、接続が復元されるかどうかを確認できます。これは、問題が本当にネットワークポリシーにあるかどうかを特定するのに役立ちます。
```yaml
# 例: ラベル app=my-app を持つPodのすべてのイングレスおよびイーグレスを許可
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
name: allow-all-for-my-app
namespace: default
spec:
podSelector:
matchLabels:
app: my-app
policyTypes:
- Ingress
- Egress
  ingress: [] # 空のリストはすべてのイングレスを許可
  egress: [] # 空のリストはすべてのイーグレスを許可
  `` **警告:** このallow-all`ポリシーは一時的なデバッグ目的でのみ使用し、決して本番環境では使用しないでください。

必須ツールとコマンド

kubectl exec: Pod内でコマンド（例: ping、curl、nslookup）を実行します。
kubectl logs: Pod、特にコントロールプレーンコンポーネントやネットワークプラグインのログを表示します。
kubectl describe: Pod、サービス、イングレス、ネットワークポリシーに関する詳細情報を取得します。これにより、ステータスやイベントが明らかになることがよくあります。
kubectl get: リソースとその基本ステータスを一覧表示します。
tcpdump: 強力なコマンドラインパケットアナライザです。Pod内またはノード上で実行してネットワークトラフィックをキャプチャできます。
bash # 例: Pod内のeth0インターフェースでトラフィックをキャプチャ kubectl exec <pod-name> -- tcpdump -i eth0 -nn port 80

結論

Kubernetesのネットワーキングのデバッグは困難な場合がありますが、基本的なコンポーネントを理解し、体系的なアプローチを採用することで、問題を効果的に解決できます。Pod間の接続性、DNSを介したサービスディスカバリ、Ingressを介した外部アクセス、およびネットワークポリシーの影響の検証に焦点を当ててください。kubectlコマンドとtcpdumpのようなツールを活用することは、根本原因を特定する上で非常に価値があります。一貫した実践とこれらの概念への深い理解は、複雑なKubernetesネットワーク環境を管理しトラブルシューティングする自信を築くでしょう。