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Kubernetes网络排错骨灰级中文指南

来源:千锋教育
发布人:wjy
时间: 2022-09-16 13:38:30 1663306710

  本文将引入一个思路:“在 Kubernetes 集群发生网络异常时如何排查”。文章将引入 Kubernetes 集群中网络排查的思路,包含网络异常模型,常用工具,并且提出一些案例以供学习。

  Pod 常见网络异常分类

  网络排查工具

  Pod 网络异常排查思路及流程模型

  CNI 网络异常排查步骤

  案例学习

  Pod 网络异常

  网络异常大概分为如下几类:

  网络不可达:主要现象为 ping 不通,其可能原因为:

  源端和目的端防火墙(iptables, selinux)限制

  网络路由配置不正确

  源端和目的端的系统负载过高,网络连接数满,网卡队列满

  网络链路故障

  端口不可达:主要现象为可以 ping 通,但 telnet 端口不通,其可能原因为:

  源端和目的端防火墙限制

  源端和目的端的系统负载过高,网络连接数满,网卡队列满,端口耗尽

  目的端应用未正常监听导致(应用未启动,或监听为 127.0.0.1 等)

  DNS 解析异常:主要现象为基础网络可以连通,访问域名报错无法解析,访问 IP 可以正常连通。其可能原因为

  Pod 的 DNS 配置不正确

  DNS 服务异常

  pod 与 DNS 服务通讯异常

  大数据包丢包:主要现象为基础网络和端口均可以连通,小数据包收发无异常,大数据包丢包。可能原因为:

  可使用 ping -s 指定数据包大小进行测试

  数据包的大小超过了 docker、CNI 插件、或者宿主机网卡的 MTU 值。

  CNI 异常:主要现象为 Node 可以通,但 Pod 无法访问集群地址,可能原因有:

  kube-proxy 服务异常,没有生成 iptables 策略或者 ipvs 规则导致无法访问

  CIDR 耗尽,无法为 Node 注入 PodCIDR 导致 CNI 插件异常

  其他 CNI 插件问题

  那么整个 Pod 网络异常分类可以如下图所示:

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南1

  总结一下,Pod 最常见的网络故障有,网络不可达(ping 不通);端口不可达(telnet 不通);DNS 解析异常(域名不通)与大数据包丢失(大包不通)。

  常用网络排查工具

  在了解到常见的网络异常后,在排查时就需要使用到一些网络工具才可以很有效的定位到网络故障原因,下面会介绍一些网络排查工具。

  tcpdump

  tcpdump 网络嗅探器,将强大和简单结合到一个单一的命令行界面中,能够将网络中的报文抓取,输出到屏幕或者记录到文件中。

  各系统下的安装

  Ubuntu/Debian: tcpdump ;apt-get install -y tcpdump

  Centos/Fedora: tcpdump ;yum install -y tcpdump

  Apline:tcpdump ;apk add tcpdump --no-cache

  查看指定接口上的所有通讯

  语法

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南2

 

  捕获所有网络接口

  tcpdump -D

  按 IP 查找流量

  最常见的查询之一 host,可以看到来往于 1.1.1.1 的流量。

  tcpdump host 1.1.1.1

  按源 / 目的 地址过滤

  如果只想查看来自 / 向某方向流量,可以使用 src 和 dst。

  tcpdump src|dst 1.1.1.1

  通过网络查找数据包

  使用 net 选项,来要查找出 / 入某个网络或子网的数据包。

  tcpdump net 1.2.3.0/24

  使用十六进制输出数据包内容

  hex 可以以 16 进制输出包的内容

  tcpdump -c 1 -X icmp

  查看特定端口的流量

  使用 port 选项来查找特定的端口流量。

  tcpdump port 3389tcpdump src port 1025

  查找端口范围的流量

  tcpdump portrange 21-23

  过滤包的大小

  如果需要查找特定大小的数据包,可以使用以下选项。你可以使用 less,greater。

  tcpdump less 32tcpdump greater 64tcpdump <= 128

  捕获流量输出为文件

  -w 可以将数据包捕获保存到一个文件中以便将来进行分析。这些文件称为 PCAP(PEE-cap)文件,它们可以由不同的工具处理,包括 Wireshark 。

  tcpdump port 80 -w capture_file

  组合条件

  tcpdump 也可以结合逻辑运算符进行组合条件查询

  ANDand or &&

  ORor or ||

  EXCEPTnot or !

  tcpdump -i eth0 -nn host 220.181.57.216 and 10.0.0.1 # 主机之间的通讯tcpdump -i eth0 -nn host 220.181.57.216 or 10.0.0.1# 获取10.0.0.1与 10.0.0.9或 10.0.0.1 与10.0.0.3之间的通讯tcpdump -i eth0 -nn host 10.0.0.1 and \(10.0.0.9 or 10.0.0.3\)

  原始输出

  并显示人类可读的内容进行输出包(不包含内容)。

  tcpdump -ttnnvvS -i eth0tcpdump -ttnnvvS -i eth0

  IP 到端口

  让我们查找从某个 IP 到端口任何主机的某个端口所有流量。

  tcpdump -nnvvS src 10.5.2.3 and dst port 3389

  去除特定流量

  可以将指定的流量排除,如这显示所有到 192.168.0.2 的 非 ICMP 的流量。

  tcpdump dst 192.168.0.2 and src net and not icmp

  来自非指定端口的流量,如,显示来自不是 SSH 流量的主机的所有流量。

  tcpdump -vv src mars and not dst port 22

  选项分组

  在构建复杂查询时,必须使用单引号 '。单引号用于忽略特殊符号 () ,以便于使用其他表达式(如 host, port, net 等)进行分组。

  tcpdump 'src 10.0.2.4 and (dst port 3389 or 22)'

  过滤 TCP 标记位

  tcpdump 'tcp[13] & 4!=0'tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-rst'

  TCP SYN

  tcpdump 'tcp[13] & 2!=0'tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-syn'

  同时忽略 SYN 和 ACK 标志的数据包

  tcpdump 'tcp[13]=18'

  TCP URG

  tcpdump 'tcp[13] & 32!=0'tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-urg'

  TCP ACK

  tcpdump 'tcp[13] & 16!=0'tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-ack'

  TCP PSH

  tcpdump 'tcp[13] & 8!=0'tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-push'

  TCP FIN

  tcpdump 'tcp[13] & 1!=0'tcpdump 'tcp[tcpflags] == tcp-fin'

  查找 http 包

  查找 user-agent 信息

  tcpdump -vvAls0 | grep 'User-Agent:'

  查找只是 GET 请求的流量

  tcpdump -vvAls0 | grep 'GET'

  查找 http 客户端 IP

  tcpdump -vvAls0 | grep 'Host:'

  查询客户端 cookie

  tcpdump -vvAls0 | grep 'Set-Cookie|Host:|Cookie:'

  查找 DNS 流量

  tcpdump -vvAs0 port 53

  查找对应流量的明文密码

  tcpdump port http or port ftp or port smtp or port imap or port pop3 or port telnet -lA | egrep -i -B5 'pass=|pwd=|log=|login=|user=|username=|pw=|passw=|passwd= |password=|pass:|user:|username:|password:|login:|pass |user '

  wireshark 追踪流

  wireshare 追踪流可以很好的了解出在一次交互过程中都发生了那些问题。

  wireshare 选中包,右键选择 “追踪流“ 如果该包是允许的协议是可以打开该选项的

  关于抓包节点和抓包设备

  如何抓取有用的包,以及如何找到对应的接口,有以下建议

  抓包节点:

  通常情况下会在源端和目的端两端同时抓包,观察数据包是否从源端正常发出,目的端是否接收到数据包并给源端回包,以及源端是否正常接收到回包。如果有丢包现象,则沿网络链路上各节点抓包排查。例如,A 节点经过 c 节点到 B 节点,先在 AB 两端同时抓包,如果 B 节点未收到 A 节点的包,则在 c 节点同时抓包。

  抓包设备:

  对于 Kubernetes 集群中的 Pod,由于容器内不便于抓包,通常视情况在 Pod 数据包经过的 veth 设备,docker0 网桥,CNI 插件设备(如 cni0,flannel.1 etc..)及 Pod 所在节点的网卡设备上指定 Pod IP 进行抓包。选取的设备根据怀疑导致网络问题的原因而定,比如范围由大缩小,从源端逐渐靠近目的端,比如怀疑是 CNI 插件导致,则在 CNI 插件设备上抓包。从 pod 发出的包逐一经过 veth 设备,cni0 设备,flannel0,宿主机网卡,到达对端,抓包时可按顺序逐一抓包,定位问题节点。

  需要注意在不同设备上抓包时指定的源目 IP 地址需要转换,如抓取某 Pod 时,ping {host} 的包,在 veth 和 cni0 上可以指定 Pod IP 抓包,而在宿主机网卡上如果仍然指定 Pod IP 会发现抓不到包,因为此时 Pod IP 已被转换为宿主机网卡 IP。

  下图是一个使用 VxLAN 模式的 flannel 的跨界点通讯的网络模型,在抓包时需要注意对应的网络接口

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南3

  nsenter

  nsenter 是一款可以进入进程的名称空间中。例如,如果一个容器以非 root 用户身份运行,而使用 docker exec 进入其中后,但该容器没有安装 sudo 或未 netstat ,并且您想查看其当前的网络属性,如开放端口,这种场景下将如何做到这一点?nsenter 就是用来解决这个问题的。

  nsenter (namespace enter) 可以在容器的宿主机上使用 nsenter 命令进入容器的命名空间,以容器视角使用宿主机上的相应网络命令进行操作。当然需要拥有 root 权限

  各系统下的安装

  Ubuntu/Debian: util-linux ;apt-get install -y util-linux

  Centos/Fedora: util-linux ;yum install -y util-linux

  Apline:util-linux ;apk add util-linux --no-cache

  nsenter 的 c 使用语法为,nsenter -t pid -n,-t 接 进程 ID 号,-n 表示进入名称空间内,为执行的命令。

  实例:如我们有一个 Pod 进程 ID 为 30858,进入该 Pod 名称空间内执行 ifconfig ,如下列所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南4

  如何定位 Pod 名称空间

  首先需要确定 Pod 所在的节点名称

  $ kubectl get pods -owide |awk '{print $1,$7}'NAME NODEnetbox-85865d5556-hfg6v master-machinenetbox-85865d5556-vlgr4 node01

  如果 Pod 不在当前节点还需要用 IP 登录则还需要查看 IP(可选)

  $ kubectl get pods -owide |awk '{print $1,$6,$7}'NAME IP NODEnetbox-85865d5556-hfg6v 192.168.1.213 master-machinenetbox-85865d5556-vlgr4 192.168.0.4 node01

  接下来,登录节点,获取容器 lD,如下列所示,每个 pod 默认有一个 pause 容器,其他为用户 yaml 文件中定义的容器,理论上所有容器共享相同的网络命名空间,排查时可任选一个容器。

  $ docker ps |grep netbox-85865d5556-hfg6v6f8c58377aae f78dd05f11ff "tail -f" 45 hours ago Up 45 hours k8s_netbox_netbox-85865d5556-hfg6v_default_4a8e2da8-05d1-4c81-97a7-3d76343a323a_0b9c732ee457e registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/pause:3.1 "/pause" 45 hours ago Up 45 hours k8s_POD_netbox-85865d5556-hfg6v_default_4a8e2da8-05d1-4c81-97a7-3d76343a323a_0

  接下来获得获取容器在节点系统中对应的进程号,如下所示

  $ docker inspect --format "{{ .State.Pid }}" 6f8c58377aae30858

  最后就可以通过 nsenter 进入容器网络空间执行命令了

  paping

  paping 命令可对目标地址指定端口以 TCP 协议进行连续 ping,通过这种特性可以弥补 ping ICMP 协议,以及 nmap , telnet 只能进行一次操作的的不足;通常情况下会用于测试端口连通性和丢包率

  paping download:paping

  paping 还需要安装以下依赖,这取决于你安装的 paping 版本

  RedHat/CentOS:yum install -y libstdc++.i686 glibc.i686

  Ubuntu/Debian:最小化安装无需依赖

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南5

  mtr

  mtr 是一个跨平台的网络诊断工具,将 traceroute 和 ping 的功能结合到一个工具。与 traceroute 不同的是 mtr 显示的信息比起 traceroute 更加丰富:通过 mtr 可以确定网络的条数,并且可以同时打印响应百分比以及网络中各跳跃点的响应时间。

  各系统下的安装

  Ubuntu/Debian: mtr ;apt-get install -y mtr

  Centos/Fedora: mtr ;yum install -y mtr

  Apline:mtr ;apk add mtr --no-cache

  简单的使用示例

  最简单的示例,就是后接域名或 IP,这将跟踪整个路由

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南6

  -n 强制 mtr 打印 IP 地址而不是主机名

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南7

  -b 同时显示 IP 地址与主机名

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南8

  -c 跟一个具体的值,这将限制 mtr ping 的次数,到达次数后会退出

  $ mtr -c5 google.com

  如果需要指定次数,并且在退出后保存这些数据,使用 -r flag

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南9

  默认使用的是 ICMP 协议 -i ,可以指定 -u, -t 使用其他协议

  mtr --tcp google.com

  -m 指定最大的跳数

  mtr -m 35 216.58.223.78

  -s 指定包的大小

  mtr 输出的数据

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南10

  丢包判断

  任一节点的 Loss%(丢包率)如果不为零,则说明这一跳网络可能存在问题。导致相应节点丢包的原因通常有两种。

  运营商基于安全或性能需求,人为限制了节点的 ICMP 发送速率,导致丢包。

  节点确实存在异常,导致丢包。可以结合异常节点及其后续节点的丢包情况,来判定丢包原因。

  Notes:

  如果随后节点均没有丢包,则通常说明异常节点丢包是由于运营商策略限制所致。可以忽略相关丢包。

  如果随后节点也出现丢包,则通常说明节点确实存在网络异常,导致丢包。对于这种情况,如果异常节点及其后续节点连续出现丢包,而且各节点的丢包率不同,则通常以最后几跳的丢包率为准。如链路测试在第 5、6、7 跳均出现了丢包。最终丢包情况以第 7 跳作为参考。

  延迟判断

  由于链路抖动或其它因素的影响,节点的 Best 和 Worst 值可能相差很大。而 Avg(平均值)统计了自链路测试以来所有探测的平均值,所以能更好的反应出相应节点的网络质量。而 StDev(标准偏差值)越高,则说明数据包在相应节点的延时值越不相同(越离散)。所以标准偏差值可用于协助判断 Avg 是否真实反应了相应节点的网络质量。例如,如果标准偏差很大,说明数据包的延迟是不确定的。可能某些数据包延迟很小(例如:25ms),而另一些延迟却很大(例如:350ms),但最终得到的平均延迟反而可能是正常的。所以此时 Avg 并不能很好的反应出实际的网络质量情况。

  这就需要结合如下情况进行判断:

  如果 StDev 很高,则同步观察相应节点的 Best 和 wrst,来判断相应节点是否存在异常。

  如果 StDev 不高,则通过 Avg 来判断相应节点是否存在异常。

  Pod 网络排查流程

  Pod 网络异常时排查思路,可以按照下图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南11

  案例学习

  扩容节点访问 service 地址不通

  测试环境 k8s 节点扩容后无法访问集群 clusterlP 类型的 registry 服务

  环境信息:

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南12

  cni 插件:flannel vxlan

  kube-proxy 工作模式为 iptables

  registry 服务

  单实例部署在 10.61.187.48:5000

  Pod IP:10.233.65.46,

  Cluster IP:10.233.0.100 现象:

  所有节点之间的 pod 通信正常

  任意节点和 Pod curl registry 的 Pod 的 IP:5000 均可以连通

  新扩容节点 10.153.204.15 curl registry 服务的 Cluster lP 10.233.0.100:5000 不通,其他节点 curl 均可以连通

  分析思路:

  根据现象 1 可以初步判断 CNI 插件无异常

  根据现象 2 可以判断 registry 的 Pod 无异常

  根据现象 3 可以判断 registry 的 service 异常的可能性不大,可能是新扩容节点访问 registry 的 service 存在异常

  怀疑方向:

  问题节点的 kube-proxy 存在异常

  问题节点的 iptables 规则存在异常

  问题节点到 service 的网络层面存在异常

  排查过程:

  排查问题节点的 kube-proxy

  执行 kubectl get pod -owide -nkube-system l grep kube-proxy 查看 kube-proxy Pod 的状态,问题节点上的 kube-proxy Pod 为 running 状态

  执行 kubecti logs-nkube-system 查看问题节点 kube-proxy 的 Pod 日志,没有异常报错

  在问题节点操作系统上执行 iptables -S -t nat 查看 iptables 规则

  排查过程:

  确认存在到 registry 服务的 Cluster lP 10.233.0.100 的 KUBE-SERVICES 链,跳转至 KUBE-SVC-* 链做负载均衡,再跳转至 KUBE-SEP-* 链通过 DNAT 替换为服务后端 Pod 的 IP 10.233.65.46。因此判断 iptables 规则无异常执行 route-n 查看问题节点存在访问 10.233.65.46 所在网段的路由,如图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南13

  查看对端的回程路由

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南14

  以上排查证明问题原因不是 cni 插件或者 kube-proxy 异常导致,因此需要在访问链路上抓包,判断问题原因、问题节点执行 curl 10.233.0.100:5000,在问题节点和后端 pod 所在节点的 flannel.1 上同时抓包发包节点一直在重传,Cluster lP 已 DNAT 转换为后端 Pod IP,如图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南15

  后端 Pod( registry 服务)所在节点的 flannel.1 上未抓到任何数据包,如图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南16

  请求 service 的 ClusterlP 时,在两端物理机网卡抓包,发包端如图所示,封装的源端节点 IP 是 10.153.204.15,但一直在重传

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南17

  收包端收到了包,但未回包,如图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南18

  由此可以知道,NAT 的动作已经完成,而只是后端 Pod( registry 服务)没有回包,接下来在问题节点执行 curl10.233.65.46:5000,在问题节点和后端( registry 服务)Pod 所在节点的 flannel.1 上同时抓包,两节点收发正常,发包如图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南19

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南20

  接下来在两端物理机网卡接口抓包,因为数据包通过物理机网卡会进行 vxlan 封装,需要抓 vxlan 设备的 8472 端口,发包端如图所示

  发现网络链路连通,但封装的 IP 不对,封装的源端节点 IP 是 10.153.204.228,但是存在问题节点的 IP 是 10.153.204.15

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南21

  后端 Pod 所在节点的物理网卡上抓包,注意需要过滤其他正常节点的请求包,如图所示;发现收到的数据包,源地址是 10.153.204.228,但是问题节点的 IP 是 10.153.204.15。

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南22

  此时问题以及清楚了,是一个 Pod 存在两个 IP,导致发包和回包时无法通过隧道设备找到对端的接口,所以发可以收到,但不能回。

  问题节点执行 ip addr,发现网卡 enp26s0f0 上配置了两个 IP,如图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南23

  进一步查看网卡配置文件,发现网卡既配置了静态 IP,又配置了 dhcp 动态获取 IP。如图所示

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南24

  最终定位原因为问题节点既配置了 dhcp 获取 IP,又配置了静态 IP,导致 IP 冲突,引发网络异常

  解决方法:修改网卡配置文件 /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-enp26s0f0 里 BOOTPROTO="dhcp"为 BOOTPROTO="none";重启 docker 和 kubelet 问题解决。

  集群外云主机调用集群内应用超时

  问题现象:Kubernetes 集群外云主机以 http post 方式访问 Kubernetes 集群应用接口超时

  环境信息:Kubernetes 集群:calicoIP-IP 模式,应用接口以 nodeport 方式对外提供服务

  客户端:Kubernetes 集群之外的云主机

  排查过程:

  在云主机 telnet 应用接口地址和端口,可以连通,证明网络连通正常,如图所示

  云主机上调用接口不通,在云主机和 Pod 所在 Kubernetes 节点同时抓包,使用 wireshark 分析数据包

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南25

  通过抓包结果分析结果为 TCP 链接建立没有问题,但是在传输大数据的时候会一直重传 1514 大小的第一个数据包直至超时。怀疑是链路两端 MTU 大小不一致导致(现象:某一个固定大小的包一直超时的情况)。如图所示,1514 大小的包一直在重传。

  报文 1-3 TCP 三次握手正常

  报文 1 info 中 MSS 字段可以看到 MSS 协商为 1460,MTU=1460+20bytes(IP 包头)+20bytes(TCP 包头)=1500

  报文 7 k8s 主机确认了包 4 的数据包,但是后续再没有对数据的 ACK

  报文 21-29 可以看到云主机一直在发送后面的数据,但是没有收到 k8s 节点的 ACK,结合 pod 未收到任何报文,表明是 k8s 节点和 POD 通信出现了问题。

Kubernetes网络排错骨灰级中文指南26

  在云主机上使用 ping -s 指定数据包大小,发现超过 1400 大小的数据包无法正常发送。结合以上情况,定位是云主机网卡配置的 MTU 是 1500,tunl0 配置的 MTU 是 1440,导致大数据包无法发送至 tunl0 ,因此 Pod 没有收到报文,接口调用失败。

  解决方法:修改云主机网卡 MTU 值为 1440,或者修改 calico 的 MTU 值为 1500,保持链路两端 MTU 值一致。

  集群 pod 访问对象存储超时

  环境信息:公有云环境,Kubernetes 集群节点和对象存储在同一私有网络下,网络链路无防火墙限制 k8s 集群开启了节点自动弹缩(CA)和 Pod 自动弹缩(HPA),通过域名访问对象存储,Pod 使用集群 DNS 服务,集群 DNS 服务配置了用户自建上游 DNS 服务器

  排查过程:

  使用 nsenter 工具进入 pod 容器网络命名空间测试,ping 对象存储域名不通,报错 unknown server name,ping 对象存储 lP 可以连通。

  telnet 对象存储 80/443 端口可以连通。

  paping 对象存储 80/443 端口无丢包。

  为了验证 Pod 创建好以后的初始阶段网络连通性,将以上测试动作写入 dockerfile,重新生成容器镜像并创 pod,测试结果一致。

  通过上述步骤,判断 Pod 网络连通性无异常,超时原因为域名解析失败,怀疑问题如下:

  集群 DNS 服务存在异常

  上游 DNS 服务存在异常

  集群 DNS 服务与上游 DNS 通讯异常

  pod 访问集群 DNS 服务异常

  根据上述方向排查,集群 DNS 服务状态正常,无报错。测试 Pod 分别使用集群 DNS 服务和上游 DNS 服务解析域名,前者解析失败,后者解析成功。至此,证明上游 DNS 服务正常,并且集群 DNS 服务日志中没有与上游 DNS 通讯超时的报错。定位到的问题:Pod 访问集群 DNS 服务超时

  此时发现,出现问题的 Pod 集中在新弹出的 Kubernetes 节点上。这些节点的 kube-proxy Pod 状态全部为 pending,没有正常调度到节点上。因此导致该节点上其他 Pod 无法访问包括 dns 在内的所有 Kubernetes service。

  再进一步排查发现 kube-proxy Pod 没有配置 priorityclass 为最高优先级,导致节点资源紧张时为了将高优先级的应用 Pod 调度到该节点,将原本已运行在该节点的 kube-proxy 驱逐。

  解决方法:将 kube-proxy 设置 priorityclass 值为 system-node-critical 最高优先级,同时建议应用 Pod 配置就绪探针,测试可以正常连通对象存储域名后再分配任务。

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