在 Kubernetes 集群中使用 sysctl

FEATURE STATE: Kubernetes v1.21 [stable]

本文档介绍如何通过 sysctl 接口在 Kubernetes 集群中配置和使用内核参数。

Note: 从 Kubernetes 1.23 版本开始，kubelet 支持使用 / 或 . 作为 sysctl 参数的分隔符。 例如，你可以使用点或者斜线作为分隔符表示相同的 sysctl 参数，以点作为分隔符表示为： ​kernel.shm_rmid_forced​， 或者以斜线作为分隔符表示为：​kernel/shm_rmid_forced​。 更多 sysctl 参数转换方法详情请参考 Linux man-pages sysctl.d(5) 。 设置 Pod 的 Sysctl 参数 和 PodSecurityPolicy 功能尚不支持设置包含斜线的 Sysctl 参数。

在开始之前

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，同时你的 Kubernetes 集群必须带有 kubectl 命令行工具。 建议在至少有两个节点的集群上运行本教程，且这些节点不作为控制平面主机。 如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一个你自己的集群，或者你可以使用下面任意一个 Kubernetes 工具构建：

• Katacoda
• 玩转 Kubernetes

对一些步骤，你需要能够重新配置在你的集群里运行的 kubelet 命令行的选项。

获取 Sysctl 的参数列表

在 Linux 中，管理员可以通过 sysctl 接口修改内核运行时的参数。在 ​/proc/sys/​ 虚拟文件系统下存放许多内核参数。这些参数涉及了多个内核子系统，如：

• 内核子系统（通常前缀为: ​kernel.​）
• 网络子系统（通常前缀为: ​net.​）
• 虚拟内存子系统（通常前缀为: ​vm.​）
• MDADM 子系统（通常前缀为: ​dev.​）
• 更多子系统请参见内核文档

若要获取完整的参数列表，请执行以下命令

sudo sysctl -a

启用非安全的 Sysctl 参数 

sysctl 参数分为 安全 和 非安全的。 安全 sysctl 参数除了需要设置恰当的命名空间外，在同一 node 上的不同 Pod 之间也必须是 相互隔离的。这意味着在 Pod 上设置 安全 sysctl 参数

• 必须不能影响到节点上的其他 Pod
• 必须不能损害节点的健康
• 必须不允许使用超出 Pod 的资源限制的 CPU 或内存资源。

至今为止，大多数 有命名空间的 sysctl 参数不一定被认为是 安全 的。 以下几种 sysctl 参数是 安全的：

• ​kernel.shm_rmid_forced ​
• ​net.ipv4.ip_local_port_range ​
• ​net.ipv4.tcp_syncookies ​
• ​net.ipv4.ping_group_range​ （从 Kubernetes 1.18 开始）
• ​net.ipv4.ip_unprivileged_port_start​ （从 Kubernetes 1.22 开始）

Note: 示例中的 ​net.ipv4.tcp_syncookies​ 在Linux 内核 4.4 或更低的版本中是无命名空间的。

在未来的 Kubernetes 版本中，若 kubelet 支持更好的隔离机制，则上述列表中将会 列出更多 安全的 sysctl 参数。

所有 安全的 sysctl 参数都默认启用。

所有 非安全的 sysctl 参数都默认禁用，且必须由集群管理员在每个节点上手动开启。 那些设置了不安全 sysctl 参数的 Pod 仍会被调度，但无法正常启动。

参考上述警告，集群管理员只有在一些非常特殊的情况下（如：高可用或实时应用调整）， 才可以启用特定的 非安全的 sysctl 参数。 如需启用 非安全的 sysctl 参数，请你在每个节点上分别设置 kubelet 命令行参数，例如：

kubelet --allowed-unsafe-sysctls \
  'kernel.msg*,net.core.somaxconn' ...

如果你使用 Minikube，可以通过 ​extra-config​ 参数来配置：

minikube start --extra-config="kubelet.allowed-unsafe-sysctls=kernel.msg*,net.core.somaxconn"...

只有 有命名空间的 sysctl 参数可以通过该方式启用。

设置 Pod 的 Sysctl 参数

目前，在 Linux 内核中，有许多的 sysctl 参数都是 有命名空间的 。 这就意味着可以为节点上的每个 Pod 分别去设置它们的 sysctl 参数。 在 Kubernetes 中，只有那些有命名空间的 sysctl 参数可以通过 Pod 的 securityContext 对其进行配置。

以下列出有命名空间的 sysctl 参数，在未来的 Linux 内核版本中，此列表可能会发生变化。

• ​kernel.shm*​
• ​kernel.msg*​
• ​kernel.sem​
• ​fs.mqueue.*​
• ​net.*​（内核中可以在容器命名空间里被更改的网络配置项相关参数）。然而也有一些特例 （例如，​net.netfilter.nf_conntrack_max​ 和 ​net.netfilter.nf_conntrack_expect_max​ 可以在容器命名空间里被更改，但它们是非命名空间的）

没有命名空间的 sysctl 参数称为 节点级别的 sysctl 参数。 如果需要对其进行设置，则必须在每个节点的操作系统上手动地去配置它们， 或者通过在 DaemonSet 中运行特权模式容器来配置。

可使用 Pod 的 securityContext 来配置有命名空间的 sysctl 参数， securityContext 应用于同一个 Pod 中的所有容器。

此示例中，使用 Pod SecurityContext 来对一个安全的 sysctl 参数 ​kernel.shm_rmid_forced​ 以及两个非安全的 sysctl 参数 ​net.core.somaxconn​ 和 ​kernel.msgmax​ 进行设置。 在 Pod 规约中对 安全的 和 非安全的 sysctl 参数不做区分。

Warning: 为了避免破坏操作系统的稳定性，请你在了解变更后果之后再修改 sysctl 参数。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: sysctl-example
spec:
  securityContext:
    sysctls:
    - name: kernel.shm_rmid_forced
      value: "0"
    - name: net.core.somaxconn
      value: "1024"
    - name: kernel.msgmax
      value: "65536"
  ...

Warning: 由于 非安全的 sysctl 参数其本身具有不稳定性，在使用 非安全的 sysctl 参数 时可能会导致一些严重问题，如容器的错误行为、机器资源不足或节点被完全破坏， 用户需自行承担风险。

最佳实践方案是将集群中具有特殊 sysctl 设置的节点视为 有污点的，并且只调度 需要使用到特殊 sysctl 设置的 Pod 到这些节点上。 建议使用 Kubernetes 的 污点和容忍度特性 来实现它。

设置了 非安全的 sysctl 参数的 Pod 在禁用了这两种 非安全的 sysctl 参数配置 的节点上启动都会失败。与 节点级别的 sysctl 一样，建议开启 污点和容忍度特性 或 为节点配置污点 以便将 Pod 调度到正确的节点之上。

PodSecurityPolicy

FEATURE STATE: Kubernetes v1.21 [deprecated]

你可以通过在 PodSecurityPolicy 的 ​forbiddenSysctls​ 或 ​allowedUnsafeSysctls ​字段中，指定 sysctl 或填写 sysctl 匹配模式来进一步为 Pod 设置 sysctl 参数。 sysctl 参数匹配模式以 ​*​ 字符结尾，如 ​kernel.*​。 单独的 ​*​ 字符匹配所有 sysctl 参数。

所有 安全的 sysctl 参数都默认启用。

​forbiddenSysctls ​和 ​allowedUnsafeSysctls ​的值都是字符串列表类型， 可以添加 sysctl 参数名称，也可以添加 sysctl 参数匹配模式（以*结尾）。 只填写 ​*​ 则匹配所有的 sysctl 参数。

​forbiddenSysctls ​字段用于禁用特定的 sysctl 参数。 你可以在列表中禁用安全和非安全的 sysctl 参数的组合。 要禁用所有的 sysctl 参数，请设置为 ​*​。

如果要在 ​allowedUnsafeSysctls ​字段中指定一个非安全的 sysctl 参数， 并且它在 ​forbiddenSysctls ​字段中未被禁用，则可以在 Pod 中通过 PodSecurityPolicy 启用该 sysctl 参数。 若要在 PodSecurityPolicy 中开启所有非安全的 sysctl 参数， 请设 ​allowedUnsafeSysctls ​字段值为 ​*​。

​allowedUnsafeSysctls ​与 ​forbiddenSysctls ​两字段的配置不能重叠， 否则这就意味着存在某个 sysctl 参数既被启用又被禁用。

Warning: 如果你通过 PodSecurityPolicy 中的 ​allowedUnsafeSysctls ​字段将非安全的 sysctl 参数列入白名单，但该 sysctl 参数未通过 kubelet 命令行参数 ​--allowed-unsafe-sysctls​ 在节点上将其列入白名单，则设置了这个 sysctl 参数的 Pod 将会启动失败。

以下示例设置启用了以 ​kernel.msg​ 为前缀的非安全的 sysctl 参数，同时禁用了 sysctl 参数 ​kernel.shm_rmid_forced​。

apiVersion: policy/v1beta1
kind: PodSecurityPolicy
metadata:
  name: sysctl-psp
spec:
  allowedUnsafeSysctls:
  - kernel.msg*
  forbiddenSysctls:
  - kernel.shm_rmid_forced
 ...