K8S集群自动化运维方案.docx
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K8S集群自动化运维方案
K8S集群自动化运维方案
目录
一、K8S前序知识3
二、项目背景6
三、技术实现方案8
四、总结14
“大规模Kubernetes集群”主要体现在几十个Kubernetes集群，十万级别的KubernetesWorker节点。
蚂蚁金服使用Operator的模式去运维Kubernetes集群，能便捷、自动化的管理Kubernetes集群生命周期，做到“KubernetesasaService”。
本文分享了自动化运维大规模Kubernetes集群的实践经历，比较适合Kubernetes爱好者，Kubernetes架构师，以及PE/SRE阅读。
一、K8S前序知识
1.Kubernetes架构介绍
此章节简单介绍了Kubernetes集群的架构，主要是面向刚学习Kubernetes的同学，对于熟悉Kubernetes的同学，此章节可以跳过。
如上图，一个Kubernete集群由Master节点和Worker节点组成。
在一个高可用Kubernetes集群下面，Master节点一般为3台，在它们上面需要运行KubernetesMaster组件。
KubernetesMaster组件包括etcd、Apsierver、Scheduler和Controller-Manager。
每个Master组件一般都是3个实例，以保证它们的高可用。
Master节点使用StaticPod方式启动Master组件，即将每个组件的Pod描述文件放入Master节点的指定目录，Kubelet会在启动时将它们读取，并以StaticPod方式启动。
KubernetesWorker节点为Kubernetes集群提供调度资源和应用运行环境，即所有的Pod（可以理解为应用的一个个最小化部署单元）都运行在Worker节点上。
一个Worker节点将Pod运行上去需要一些on-host软件，包括:
kubelet、RuntimeService（docker、pouch等实现方案）、CNI插件等。
2.Operator介绍
我们在这里将用很少的篇幅向刚学习Kubernetes的同学介绍一下Operator。
如果期望获得更详细的解读，请参考coreos上关于Operator的介绍。
一个Operator实际上是为了解决某个复杂应用在Kubernetes的自动化部署、恢复。
有了Operator，用户只需要向KubernetesApiserver提交一个CRDResource（yaml或者JSON，一个CRDResource其实就是对应一个应用实例，CRDResource用于描述这个应用实例的配置），Operator就会根据用户的需求去完成这个应用实例的初始化，在应用某个模块发生故障时，Operator也会做出自动恢复功能。
Operator是用代码运维应用最好的实践之一。
比如我们有一个etcd-operator，我们只需要用户根据需求向KubernetesApiserer提交如下的CRDResource，etcd-operator就能初始化完成一个etcd集群:
apiVersion:
kind:
EtcdCluster
metadata:
name:
xxx-etcd-cluster
spec:
size:
5
其中，上面的Spec.Size=5代表了我们需要一个由5个etcd节点组成的etcd集群。
etcd-operator会根据上面的配置，初始化完成etcd集群。
相应的，如果你又需要另一个3节点的etcd集群，你只需要提交新的一个Spec.Size=3的CRDResource即可。
二、项目背景
在蚂蚁金服，我们面临着需要运维几十个Kubernetes集群，以及十万级别以上的KubernetesWorker节点的难题。
我们将运维Kubernetes的工作拆分两部分：
∙运维Kubernetes集群的Master组件（etcd、Apiserver、controller-manager、scheduler等）；
∙运维KubernetesWorker节点。
我们总结了这两部分运维的难点：
难点1：
运维Kubernetes集群Master角色
∙如何快速新建、下线一个Kubernetes集群（初始化、删除Master角色）？
由于蚂蚁业务的快速增长，我们随时面临着需要在新机房新建、下线一个Kubernetes集群；CI和测试也有快速新建、删除一个Kubernetes集群的需求。
∙如何管理几十个Kubernetes集群Master组件版本。
比如我们需要升级某几个Kubernetes集群的Apiserver、Scheduler等组件。
∙如何自动化处理几十个Kubernetes集群Master组件发生的故障？
∙如何能获取几十个Kubernetes集群Master组件的统一视图？
我们希望有一个统一的接口，一下就能获取每个Kubernetes集群Master角色的版本、状态等信息。
难点2：
运维KubernetesWorker节点
∙如何快速上线、下线KubernetesWorker节点？
上线时，我们需要保证KubernetesWorker节点所需要的on-host软件版本、配置正确。
∙如何升级十万级别的KubernetesWorker节点上的on-host软件？
如我们需要将所有Work节点的docker、cni版本升级到某个版本。
∙如何优雅的执行灰度发布KubernetesWorker节点上的软件包？
在on-host软件新版本上线前，我们需要对它做小范围的灰度发布，即挑选N台Worker节点发布新版本软件包，执行验证，最后根据验证结果决定是否全规模的发布新版本，或者回滚这个灰度发布。
∙如何自动化处理十万级别的KubernetesWorker节点可能出现的on-host软件故障？
比如要是docker\kubelet发生panic，我们是否能自动化得处理？
三、技术实现方案
在实现方案的选择上，我们使用了Kube-on-Kube-Operator和Node-Operator组合的方式来解决上述的难题：
∙首先，我们需要借助工具，使用Kubernetes官方提供的方案（StaticPod方式）部署“Kubernetes元集群”（后面简称元集群）到“元集群”的Master节点上。
∙然后，我们将Kube-on-Kube-Operator部署到“Kubernetes元集群”。
我们将一个Kubernetes集群所需的一系列Master组件当成一个复杂的应用。
当我们需要一个“Kubernetes业务集群”（后面简称业务集群），我们只需要向元集群Apiserver提交用于描述“Kubernetes业务集群”的ClusterCRDResource（下文会介绍我们如何设计CRD结构），Kube-on-Kube-Operator就为我们准备好了一个可以工作的“Kubernetes业务集群”（“业务集群”Master组件都已经Ready，需要扩容Worker节点）。
∙之后我们在“Kubernetes业务集群”上，部署上Node-Operator。
Node-Operator负责Worker节点的生命周期。
当我们需要扩容一个Worker节点，我们只需要提交描述Worker节点的元数据（IP、Hostname、机器运维登录方式等）的MachineCRDResource（下文会介绍我们如何设计CRD结构），Node-Operator就会将Worker节点初始化完成，并成功加入到“Kubernetes业务集群”中。
“元集群”只用于管理所有“业务集群”所需的Master组件。
“业务集群”是真正提供给业务方运行Pod的Kubernetes集群。
也就说，在蚂蚁金服我们只有一个“元集群”，在这个“元集群”中，我们使用Kube-on-Kube-Operator自动化管理了蚂蚁金服所有的“Kubernetes业务集群”的Master组件。
当然，“元集群”也会部署Node-Operator，用于“元集群”Worker节点的上下线，“元集群”的Worker节点也是各个“业务集群”的Master节点。
1.Kube-on-Kube-Operator
Kube-on-Kube-Operator用于WatchClusterCRDResource的变更，将“Cluster”所描述表示的Kubernetes业务集群的所有Master组件达到最终状态。
如下图，是“元集群”和它所管理的两个“Kubernetes业务集群”的最终状态：
ClusterCRD的定义包含如下一些信息：
∙业务集群名；
∙业务集群部署模式：
分为标准生产和最小化。
标准生产提供Master组件都是3个副本的部署，最小化则都是1个副本的部署；
∙业务集群Master节点NodeSelector，即表示如何在元集群内如何选择业务集群Master节点；
∙业务集群各Master组件版本、自定义参数等；
∙业务集群所使用的etcd启动配置，主要涉及etcddatavolume的设置，有ClaimTemplate和VolumeSource两种模式：
使用ClaimTemplate模式，即使PVC来初始化etcdvolume；
使用VolumeSource模式，即使用VolumeSource所表示的volume来挂载etcdvolume；
∙业务集群Master组件证书过期时间：
Master组件所使用kubeconfig中的证书都有过期时间以保证安全性，而Kube-on-Kube-Operator会在证书过期时自动完成滚动证书、Master组件重新加载证书等操作。
∙业务集群额外用户kubeconfig：
即为“额外用户”提供的用户名和组名，签出证书，并生成kubeconfig保存在元集群Secret中供读取。
∙业务集群状态：
这部分信息不需要用户提交，而是由Kube-on-Kube-Operator自动生成，用户反馈这个业务集群的状态，参考Pod.Status。
一个业务集群的Master组件部署实际是元集群中的一系列Resource组成，即包括Deployment、Secret、Pod、PVC等组合使用。
各Master组件所需要的部署Resource如下：
∙Apiserver：
一个Deployment即可，因为Apiserver是无状态应用，副本数和ClusterCRD描述的一致即可。
除此之外，需要为Apiserver创建两个Service：
a.向同个业务集群的其它Master组件提供服务的Service——建议使用元集群内的HeadlessService。
b.向Kubelet、外部组件提供服务的Service——建议使用机房DNSRRService（需要自己实现ServiceController）。
∙etcd：
每个etcd实例（标准化部署是3个实例，最小化是1个实例）都建议单独使用Pod+PV+PVC+HeadlessService部署。
每个etcd实例的peerid为对应的HeadlessService域名。
当某个etcd实例发生故障时，需要手动删除掉故障对应实例的Pod，Kube-on-Kube-Operatorwatch到etcdPod的减少，会重新建立Pod，并执行Removeoldmember（被删除的Pod），Addnewmember（新建的Pod）操作，但是peerid还是保持一致的。
∙Controller-Manager：
一个Deployment即可，因为Controller-Manager是无状态应用。
副本数和ClusterCRD描述的一致即可。
∙Scheduler：
一个Deployment即可，因为Scheduler是无状态应用。
副本数和ClusterCRD描述的一致即可。
Kube-on-Kube-Operator除了能够部署上述的Master组件之外，还能维护任何扩展组件，如kube-proxy、kube-dns等。
只需要用户提供扩展组件部署模板和扩展插件版本，Kube-on-Kube-Operator能渲染出部署Resource，并保持这些部署Resource到最终态。
由于篇幅原因，我们这里不再赘述。
2.Node-Operator
Node-Operator用于WatchMachineCRDResource的变更，将“Machine”所描述表示的Worker节点上的on-host软件（docker、kubelet、cni）达到最终态，最终能让“Machine”所对应的“Node”在Kubernetes集群中达到“Ready”状态。
架构图如下:
MachineCRD的定义包含如下一些信息：
∙机器元数据：
IP、Hostname、IDC等；
∙机器运维SSH登录方式和登录秘钥：
如最常见的SSHKey；如果Machine是阿里云的ECS，那么登录方式和登录秘钥是阿里云提供的SSH接口和对应的鉴权信息等；
∙各个on-host软件版本和自定义参数；
∙Machine状态：
这部分信息不需要用户提交，而是由Node-Operator生成，表示这个机器的当前状态，参考Pod.Status。
Node-Operator用WatchMachine对应Node的状态，当发生一些能处理的Condition（比如kubelet运行中进程消失了）时，Node-Operator会做出恢复处理；Node-Operator会WatchClusterPackageVersionCRD的变更，这个CRD表示整个Kubernetes集群kubelet、docker等组件的默认版本，Node-Operator会根据ClusterPackageVersion描述的信息，控制各个节点的kubelet、docker等组件的版本；Node-Operator还支持控制某些组件灰度发布到某些节点中，用户只要提交描述这个灰度发布的CRD到Apiserver，Node-Operator会有序的执行灰度发布，并将发布状态反馈到CRD中。
由于篇幅原因，我们不再赘述。
四、总结
在运维大规模Kubernetes集群的实践中，我们摈弃了传统的模式，使用了Operator模式和面向Apiserver编程。
Kubernetes集群的上下线、升级实现了“KubernetesasaService”，就像向云厂商买一个服务一样简单。
而Worker节点的运维，使用Operator模式能够让我们统一管理元数据，自动化初始化、恢复Worker节点所需组件。
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