Kubernetes 基础架构

下图是 Kubernetes 集群的架构图（引用自 Kubernetes 官方文档），从图中你可以看到，它由 Master 节点和 Node 节点组成。

image.png

控制面 Master 节点主要包含以下组件：

  • kube-apiserver，负责对外提供集群各类资源的增删改查及 Watch 接口，它是 Kubernetes 集群中各组件数据交互和通信的枢纽。kube-apiserver 在设计上可水平扩展，高可用 Kubernetes 集群中一般多副本部署。当收到一个创建 Pod 写请求时，它的基本流程是对请求进行认证、限速、授权、准入机制等检查后，写入到 etcd 即可。
  • kube-scheduler 是调度器组件，负责集群 Pod 的调度。基本原理是通过监听 kube-apiserver 获取待调度的 Pod，然后基于一系列筛选和评优算法，为 Pod 分配最佳的 Node 节点。
  • kube-controller-manager 包含一系列的控制器组件，比如 Deployment、StatefulSet 等控制器。控制器的核心思想是监听、比较资源实际状态与期望状态是否一致，若不一致则进行协调工作使其最终一致。
  • etcd 组件，Kubernetes 的元数据存储。

Node 节点主要包含以下组件：

  • kubelet，部署在每个节点上的 Agent 的组件，负责 Pod 的创建运行。基本原理是通过监听 APIServer 获取分配到其节点上的 Pod，然后根据 Pod 的规格详情，调用运行时组件创建 pause 和业务容器等。
  • kube-proxy，部署在每个节点上的网络代理组件。基本原理是通过监听 APIServer 获取 Service、Endpoint 等资源，基于 Iptables、IPVS 等技术实现数据包转发等功能。

从 Kubernetes 基础架构介绍中你可以看到，kube-apiserver 是唯一直接与 etcd 打交道的组件，各组件都通过 kube-apiserver 实现数据交互，它们极度依赖 kube-apiserver 提供的资源变化监听机制。而 kube-apiserver 对外提供的监听机制，也正是由我们基础篇08中介绍的 etcd Watch 特性提供的底层支持。

创建 Pod 案例

下面是创建一个 nginx 服务的 YAML 文件，Workload 是 Deployment，期望的副本数是 1。

  1. apiVersion: apps/v1
  2. kind: Deployment
  3. metadata:
  4.   name: nginx-deployment
  5.   labels:
  6.     app: nginx
  7. spec:
  8.   replicas: 1
  9.   selector:
  10.     matchLabels:
  11.       app: nginx
  12.   template:
  13.     metadata:
  14.       labels:
  15.         app: nginx
  16.     spec:
  17.       containers:
  18.       - name: nginx
  19.         image: nginx:1.14.2
  20.         ports:
  21.         - containerPort: 80

假设此 YAML 文件名为 nginx.yaml，首先我们通过如下的 kubectl create -f nginx.yml 命令创建 Deployment 资源。

$ kubectl create -f nginx.yml
deployment.apps/nginx-deployment created

创建之后，我们立刻通过如下命令，带标签查询 Pod，输出如下：

$ kubectl get po -l app=nginx
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-deployment-756d9fd5f9-fkqnf   1/1     Running   0          8s

kube-apiserver 请求执行链路

下图是 kube-apiserver 的请求执行链路（引用自 sttts 分享的 PDF），当收到一个请求后，它主要经过以下处理链路来完成以上若干职责后，才能与 etcd 交互。

  • 认证模块，校验发起的请求的用户身份是否合法。支持多种方式，比如 x509 客户端证书认证、静态 token 认证、webhook 认证等。
  • 限速模块，对请求进行简单的限速，默认读 400/s 写 200/s，不支持根据请求类型进行分类、按优先级限速，存在较多问题。Kubernetes 1.19 后已新增 Priority and Fairness 特性取代它，它支持将请求重要程度分类进行限速，支持多租户，可有效保障 Leader 选举之类的高优先级请求得到及时响应，能防止一个异常 client 导致整个集群被限速。
  • 审计模块，可记录用户对资源的详细操作行为。
  • 授权模块，检查用户是否有权限对其访问的资源进行相关操作。支持多种方式，RBAC(Role-based access control)、ABAC(Attribute-based access control)、Webhhook 等。Kubernetes 1.12 版本后，默认授权机制使用的 RBAC。
  • 准入控制模块，提供在访问资源前拦截请求的静态和动态扩展能力，比如要求镜像的拉取策略始终为 AlwaysPullImages。

image.png

  • authorization 授权
  • authentication 验证
  • audit 审计
  • impersonation 冒充

Kubernetes 资源存储格式

资源查询方式:

  • 首先是按具体资源名称查询。它本质就是个 key-value 查询，只需要写入 etcd 的 key 名称与资源 key 一致即可。
  • 其次是按 namespace 查询。因为我们知道 etcd 支持范围查询，若 key 名称前缀包含 namespace、资源类型，查询的时候指定 namespace 和资源类型的组合的最小开始区间、最大结束区间即可。
  • 最后是标签名查询。这种查询方式非常灵活，业务可随时添加、删除标签，各种标签可相互组合。实现标签查询的办法主要有以下两种：
    • 方案一，在 etcd 中存储标签数据，实现通过标签可快速定位（时间复杂度 O(1)）到具体资源名称。然而一个标签可能容易实现，但是在 Kubernetes 集群中，它支持按各个标签组合查询，各个标签组合后的数量相当庞大。在 etcd 中维护各种标签组合对应的资源列表，会显著增加 kube-apiserver 的实现复杂度，导致更频繁的 etcd 写入。
    • 方案二，在 etcd 中不存储标签数据，而是由 kube-apiserver 通过范围遍历 etcd 获取原始数据，然后基于用户指定标签，来筛选符合条件的资源返回给 client。此方案优点是实现简单，但是大量标签查询可能会导致 etcd 大流量等异常情况发生。

Kubernetes 集群选择的是哪种实现方式呢?

下面是一个 Kubernetes 集群中的 coredns 一系列资源在 etcd 中的存储格式：

/registry/clusterrolebindings/system:coredns
/registry/clusterroles/system:coredns
/registry/configmaps/kube-system/coredns
/registry/deployments/kube-system/coredns
/registry/events/kube-system/coredns-7fcc6d65dc-6njlg.1662c287aabf742b
/registry/events/kube-system/coredns-7fcc6d65dc-6njlg.1662c288232143ae
/registry/pods/kube-system/coredns-7fcc6d65dc-jvj26
/registry/pods/kube-system/coredns-7fcc6d65dc-mgvtb
/registry/pods/kube-system/coredns-7fcc6d65dc-whzq9
/registry/replicasets/kube-system/coredns-7fcc6d65dc
/registry/secrets/kube-system/coredns-token-hpqbt
/registry/serviceaccounts/kube-system/coredns

从中你可以看到，一方面 Kubernetes 资源在 etcd 中的存储格式由 prefix + “/“ + 资源类型 + “/“ + namespace + “/“ + 具体资源名组成，基于 etcd 提供的范围查询能力，非常简单地支持了按具体资源名称查询和 namespace 查询。

类似树结构.

kube-apiserver 提供了如下参数给你配置 etcd prefix，并支持将资源存储在多个 etcd 集群。

--etcd-prefix string     Default: "/registry"
The prefix to prepend to all resource paths in etcd.
--etcd-servers stringSlice
List of etcd servers to connect with (scheme://ip:port), comma separated.
--etcd-servers-overrides stringSlice
Per-resource etcd servers overrides, comma separated. The individual override format: group/resource#servers, where servers are URLs, 
semicolon separated.

另一方面，我们未看到任何标签相关的 key。Kubernetes 实现标签查询的方式显然是方案二，即由 kube-apiserver 通过范围遍历 etcd 获取原始数据，然后基于用户指定标签，来筛选符合条件的资源返回给 client（资源 key 的 value 中记录了资源 YAML 文件内容等，如标签）。

也就是当你执行”kubectl get po -l app=nginx”命令，按标签查询 Pod 时，它会向 etcd 发起一个范围遍历整个 default namespace 下的 Pod 操作。

$ kubectl get po -l app=nginx -v 8
I0301 23:45:25.597465   32411 loader.go:359] Config loaded from file /root/.kube/config
I0301 23:45:25.603182   32411 round_trippers.go:416] GET https://ip:port/api/v1/namespaces/default/pods?
labelSelector=app%3Dnginx&limit=500

etcd 收到的请求日志如下，由此可见当一个 namespace 存在大量 Pod 等资源时，若频繁通过 kubectl，使用标签查询 Pod 等资源，后端 etcd 将出现较大的压力。

{
    "level":"debug",
    "ts":"2021-03-01T23:45:25.609+0800",
    "caller":"v3rpc/interceptor.go:181",
    "msg":"request stats",
    "start time":"2021-03-01T23:45:25.608+0800",
    "time spent":"1.414135ms",
    "remote":"127.0.0.1:44664",
    "response type":"/etcdserverpb.KV/Range",
    "request count":0,
    "request size":61,
    "response count":11,
    "response size":81478,
    "request content":"key:"/registry/pods/default/" range_end:"/registry/pods/default0" limit:500 "
}

通用存储模块

下面是 kube-apiserver 通用存储模块的创建流程图：

image.png

下面是 Deployment 资源的创建策略实现，它会进行将 deployment.Generation 设置为 1 等操作。

// PrepareForCreate clears fields that are not allowed to be set by end users on creation.
func (deploymentStrategy) PrepareForCreate(ctx context.Context, obj runtime.Object) {
   deployment := obj.(*apps.Deployment)
   deployment.Status = apps.DeploymentStatus{}
   deployment.Generation = 1

   pod.DropDisabledTemplateFields(&deployment.Spec.Template, nil)
}

资源安全创建及更新

我们知道 etcd 提供了 Put 和 Txn 接口给业务添加 key-value 数据，但是 Put 接口在并发场景下若收到 key 相同的资源创建，就会导致被覆盖。因此 Kubernetes 很显然无法直接通过 etcd Put 接口来写入数据。

而我们09节中介绍的 etcd 事务接口 Txn，它正是为了多 key 原子更新、并发操作安全性等而诞生的，它提供了丰富的冲突检查机制。

Kubernetes 集群使用的正是事务 Txn 接口来防止并发创建、更新被覆盖等问题。当执行完 BeforeCreate 策略后，这时 kube-apiserver 就会调用 Storage 的模块的 Create 接口写入资源。1.6 版本后的 Kubernete 集群默认使用的存储是 etcd3，它的创建接口简要实现如下：

// Create implements storage.Interface.Create.
func (s *store) Create(ctx context.Context, key string, obj, out runtime.Object, ttl uint64) error {
   ......
   key = path.Join(s.pathPrefix, key)

   opts, err := s.ttlOpts(ctx, int64(ttl))
   if err != nil {
      return err
   }

   newData, err := s.transformer.TransformToStorage(data, authenticatedDataString(key))
   if err != nil {
      return storage.NewInternalError(err.Error())
   }

   startTime := time.Now()
   txnResp, err := s.client.KV.Txn(ctx).If(
      notFound(key),
   ).Then(
      clientv3.OpPut(key, string(newData), opts...),
   ).Commit

etcd 收到 kube-apiserver 的请求是长什么样子的呢？

{
    "level":"debug",
    "ts":"2021-02-11T09:55:45.914+0800",
    "caller":"v3rpc/interceptor.go:181",
    "msg":"request stats",
    "start time":"2021-02-11T09:55:45.911+0800",
    "time spent":"2.697925ms",
    "remote":"127.0.0.1:44822",
    "response type":"/etcdserverpb.KV/Txn",
    "request count":1,
    "request size":479,
    "response count":0,
    "response size":44,
    "request content":"compare:<target:MOD key:"/registry/deployments/default/nginx-deployment" mod_revision:0 > success:<request_put:<key:"/registry/deployments/default/nginx-deployment" value_size:421 >> failure:<>"
}

从这个请求日志中，你可以得到以下信息：

  • 请求的模块和接口，KV/Txn；
  • key 路径，/registry/deployments/default/nginx-deployment，由 prefix + “/“ + 资源类型 + “/“ + namespace + “/“ + 具体资源名组成；
  • 安全的并发创建检查机制，mod_revision 为 0 时，也就是此 key 不存在时，才允许执行 put 更新操作。

Watch 机制在 Kubernetes 中应用

正如我们基础架构中所介绍的，kube-controller-manager 组件中包含一系列 WorkLoad 的控制器。Deployment 资源就由其中的 Deployment 控制器来负责的，那么它又是如何感知到新建 Deployment 资源，最终驱动 ReplicaSet 控制器创建出 Pod 的呢？

获取数据变化的方案，主要有轮询和推送两种方案组成。轮询会产生大量 expensive request，并且存在高延时。而 etcd Watch 机制提供的流式推送能力，赋予了 kube-apiserver 对外提供数据监听能力。

Resource Version 与 etcd 版本号

Resource Version 是 Kubernetes API 中非常重要的一个概念，顾名思义，它是一个 Kubernetes 资源的内部版本字符串，client 可通过它来判断资源是否发生了变化。同时，你可以在 Get、List、Watch 接口中，通过指定 Resource Version 值来满足你对数据一致性、高性能等诉求。