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Kubernetes以其超前的設(shè)計(jì)理念和優(yōu)秀的技術(shù)架構(gòu)，在容器編排領(lǐng)域拔得頭籌。越來(lái)越多的公司開始在生產(chǎn)環(huán)境部署實(shí)踐 Kubernetes，在阿里巴巴和螞蟻金服 Kubernetes 已被大規(guī)模用于生產(chǎn)環(huán)境。Kubernetes的出現(xiàn)使得廣大開發(fā)同學(xué)也能運(yùn)維復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，它大幅降低了容器化應(yīng)用部署的門檻，但運(yùn)維和管理一個(gè)生產(chǎn)級(jí)的高可用 Kubernetes 集群仍十分困難。本文將分享螞蟻金服是如何有效可靠地管理大規(guī)模 Kubernetes 集群的，并會(huì)詳細(xì)介紹集群管理系統(tǒng)核心組件的設(shè)計(jì)。 Kubernetes集群管理系統(tǒng)需要具備便捷的集群生命周期管理能力，完成集群的創(chuàng)建、升級(jí)和工作節(jié)點(diǎn)的管理。在大規(guī)模場(chǎng)景下，集群變更的可控性直接關(guān)系到集群的穩(wěn)定性，因此管理系統(tǒng)可監(jiān)控、可灰度、可回滾的能力是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。除此之外，超大規(guī)模集群中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量已經(jīng)達(dá)到 10K 量級(jí)，節(jié)點(diǎn)硬件故障、組件異常等問題會(huì)常態(tài)出現(xiàn)。面向大規(guī)模集群的管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就需要充分考慮這些異常場(chǎng)景，并能夠從這些異常場(chǎng)景中自恢復(fù)。 基于這些背景，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)面向終態(tài)的集群管理系統(tǒng)。系統(tǒng)定時(shí)檢測(cè)集群當(dāng)前狀態(tài)，判斷是否與目標(biāo)狀態(tài)一致，出現(xiàn)不一致時(shí)，Operators 會(huì)發(fā)起一系列操作，驅(qū)動(dòng)集群達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。這一設(shè)計(jì)參考控制理論中常見的負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，可以有效抵御系統(tǒng)外部的干擾，在我們的場(chǎng)景下，干擾對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)軟硬件故障。如上圖，元集群是一個(gè)高可用的 Kubernetes 集群，用于管理 N 個(gè)業(yè)務(wù)集群的 Master 節(jié)點(diǎn)。業(yè)務(wù)集群是一個(gè)服務(wù)生產(chǎn)業(yè)務(wù)的 Kubernetes 集群。SigmaBoss 是集群管理入口，為用戶提供便捷的交互界面和可控的變更流程。
元集群中部署的 Cluster-Operator 提供了業(yè)務(wù)集群集群創(chuàng)建、刪除和升級(jí)能力，Cluster-Operator面向終態(tài)設(shè)計(jì)，當(dāng)業(yè)務(wù)集群 Master 節(jié)點(diǎn)或組件異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)隔離并進(jìn)行修復(fù)，以保證業(yè)務(wù)集群 Master 節(jié)點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定的終態(tài)。這種采用 Kubernetes 管理 Kubernetes 的方案，我們稱作 Kube on Kube 方案，簡(jiǎn)稱 KOK 方案。業(yè)務(wù)集群中部署有 Machine-Operator 和節(jié)點(diǎn)故障自愈組件用于管理業(yè)務(wù)集群的工作節(jié)點(diǎn)，提供節(jié)點(diǎn)新增、刪除、升級(jí)和故障處理能力。在 Machine-Operator 提供的單節(jié)點(diǎn)終態(tài)保持的能力上，SigmaBoss 上構(gòu)建了集群維度灰度變更和回滾能力。基于 K8S CRD，在元集群中定義了 Cluster CRD 來(lái)描述業(yè)務(wù)集群終態(tài)，每個(gè)業(yè)務(wù)集群對(duì)應(yīng)一個(gè) Cluster 資源，創(chuàng)建、刪除、更新 Cluster 資源對(duì)應(yīng)于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)集群創(chuàng)建、刪除和升級(jí)。Cluster-Operator watch Cluster 資源，驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)集群Master 組件達(dá)到 Cluster 資源描述的終態(tài)。
業(yè)務(wù)集群 Master 組件版本集中維護(hù)在 ClusterPackageVersion CRD 中，ClusterPackageVersion 資源記錄了 Master 組件（如：api-server、controller-manager、scheduler、operators 等）的鏡像、默認(rèn)啟動(dòng)參數(shù)等信息。Cluster 資源唯一關(guān)聯(lián)一個(gè) ClusterPackageVersion，修改 Cluster CRD 中記錄的 ClusterPackageVersion 版本即可完成業(yè)務(wù)集群 Master 組件發(fā)布和回滾。Kubernetes集群工作節(jié)點(diǎn)的管理任務(wù)主要有：
- 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)配置、內(nèi)核補(bǔ)丁管理
- docker / kubelet 等組件安裝、升級(jí)、卸載
- 節(jié)點(diǎn)終態(tài)和可調(diào)度狀態(tài)管理（如關(guān)鍵 DaemonSet 部署完成后才允許開啟調(diào)度）
為實(shí)現(xiàn)上述管理任務(wù)，在業(yè)務(wù)集群中定義了 Machine CRD 來(lái)描述工作節(jié)點(diǎn)終態(tài)，每一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè) Machine 資源，通過修改 Machine 資源來(lái)管理工作節(jié)點(diǎn)。 MachineCRD 定義如下圖所示，spec 中描述了節(jié)點(diǎn)需要安裝的組件名和版本，status 中記錄有當(dāng)前這個(gè)工作節(jié)點(diǎn)各組件安裝運(yùn)行狀態(tài)。除此之外，Machine CRD 還提供了插件式終態(tài)管理能力，用于與其它節(jié)點(diǎn)管理Operators 協(xié)作，這部分會(huì)在后文詳細(xì)介紹。 工作節(jié)點(diǎn)上的組件版本管理由 MachinePackageVersion CRD 完成。MachinePackageVersion維護(hù)了每個(gè)組件的 rpm 版本、配置和安裝方法等信息。一個(gè)Machine 資源會(huì)關(guān)聯(lián) N 個(gè)不同的MachinePackageVersion，用來(lái)實(shí)現(xiàn)安裝多個(gè)組件。 在 Machine、MachinePackageVersion CRD 基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)終態(tài)控制器 Machine-Operator。Machine-Operator watchMachine 資源，解析 MachinePackageVersion，在節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行運(yùn)維操作來(lái)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到終態(tài)，并持續(xù)守護(hù)終態(tài)。 隨著業(yè)務(wù)訴求的變化，節(jié)點(diǎn)管理已不再局限于安裝 docker / kubelet 等組件，我們需要實(shí)現(xiàn)如等待日志采集DaemonSet 部署完成才可以開啟調(diào)度的需求，而且這類需求變得越來(lái)越多。如果將終態(tài)統(tǒng)一交由Machine-Operator 管理，勢(shì)必會(huì)增加 Machine-Operator 與其它組件的耦合性，而且系統(tǒng)的擴(kuò)展性會(huì)受到影響。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套節(jié)點(diǎn)終態(tài)管理的機(jī)制，來(lái)協(xié)調(diào)Machine-Operator 和其它節(jié)點(diǎn)運(yùn)維 Operators。設(shè)計(jì)如下圖所示：全量 ReadinessGates：記錄節(jié)點(diǎn)可調(diào)度需要檢查的 Condition 列表ConditionConfigMap：各節(jié)點(diǎn)運(yùn)維 Operators 終態(tài)狀態(tài)上報(bào) ConfigMap1. 外部節(jié)點(diǎn)運(yùn)維 Operators 檢測(cè)并上報(bào)與自己相關(guān)的子終態(tài)數(shù)據(jù)至對(duì)應(yīng)的 ConditionConfigMap；2. Machine-Operator 根據(jù)標(biāo)簽獲取節(jié)點(diǎn)相關(guān)的所有子終態(tài)Condition ConfigMap，并同步至 Machine status 的 conditions中3. Machine-Operator 根據(jù)全量 ReadinessGates 中記錄的 Condition 列表，檢查節(jié)點(diǎn)是否達(dá)到終態(tài)，未達(dá)到終態(tài)的節(jié)點(diǎn)不開啟調(diào)度我們都知道物理機(jī)硬件存在一定的故障概率，隨著集群節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增加，集群中會(huì)常態(tài)出現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)，如果不及時(shí)修復(fù)上線，這部分物理機(jī)的資源將會(huì)被閑置。為解決這一問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套故障發(fā)現(xiàn)、隔離、修復(fù)的閉環(huán)自愈系統(tǒng)。如下圖所示，故障發(fā)現(xiàn)方面，采取 Agent 上報(bào)和監(jiān)控系統(tǒng)主動(dòng)探測(cè)相結(jié)合的方式，保證了故障發(fā)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性和可靠性（Agent上報(bào)實(shí)時(shí)性比較好，監(jiān)控系統(tǒng)主動(dòng)探測(cè)可以覆蓋 Agent 異常未上報(bào)場(chǎng)景）。故障信息統(tǒng)一存儲(chǔ)于事件中心，關(guān)注集群故障的組件或系統(tǒng)都可以訂閱事件中心事件拿到這些故障信息。節(jié)點(diǎn)故障自愈系統(tǒng)會(huì)根據(jù)故障類型創(chuàng)建不同的維修流程，例如：硬件維系流程、系統(tǒng)重裝流程等。維修流程中優(yōu)先會(huì)隔離故障節(jié)點(diǎn)（暫停節(jié)點(diǎn)調(diào)度），然后將節(jié)點(diǎn)上 Pod 打上待遷移標(biāo)簽來(lái)通知 PAAS 或 MigrateController 進(jìn)行 Pod 遷移，完成這些前置操作后，會(huì)嘗試恢復(fù)節(jié)點(diǎn)（硬件維修、重裝操作系統(tǒng)等），修復(fù)成功的節(jié)點(diǎn)會(huì)重新開啟調(diào)度，長(zhǎng)期未自動(dòng)修復(fù)的節(jié)點(diǎn)由人工介入排查處理。在 Machine-Operator 提供的原子能力基礎(chǔ)上，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了集群維度的灰度變更和回滾能力。此外，為了進(jìn)一步降低變更風(fēng)險(xiǎn)，Operators 在發(fā)起真實(shí)變更時(shí)都會(huì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，架構(gòu)示意圖如下。高風(fēng)險(xiǎn)變更操作（如：刪除節(jié)點(diǎn)、重裝系統(tǒng)）接入統(tǒng)一限流中心，限流中心維護(hù)了不同類型操作的限流策略，若觸發(fā)限流，則熔斷變更。為了評(píng)估變更過程是否正常，我們會(huì)在變更前后，對(duì)各組件進(jìn)行健康檢查，組件的健康檢查雖然能夠發(fā)現(xiàn)大部分異常，但不能覆蓋所有異常場(chǎng)景。所以，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，系統(tǒng)會(huì)從事件中心、監(jiān)控系統(tǒng)中獲取集群業(yè)務(wù)指標(biāo)（如：Pod創(chuàng)建成功率），如果出現(xiàn)異常指標(biāo)，則自動(dòng)熔斷變更。本文主要和大家分享了現(xiàn)階段螞蟻金服 Kubernetes 集群管理系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，核心組件大量使用 Operator 面向終態(tài)設(shè)計(jì)模式。 未來(lái)我們會(huì)嘗試將集群規(guī)模變更切換為 Operator 面向終態(tài)設(shè)計(jì)模式，探索如何在面向終態(tài)的模式下，做到變更的可監(jiān)控、可灰度和可回滾，實(shí)現(xiàn)變更的無(wú)人值守。
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