Kubernetes是Google開源的一個容器編排引擎，它支持自動化部署、大規(guī)?？缮炜s、應(yīng)用容器化管理。伴隨著云原生技術(shù)的迅速崛起，如今Kubernetes 事實上已經(jīng)成為應(yīng)用容器化平臺的標(biāo)準(zhǔn)，越來越受到企業(yè)的青睞，在生產(chǎn)中也應(yīng)用的也越來越廣泛。
我們的容器平臺建設(shè)從2016年開始，大致經(jīng)歷了探索預(yù)研、體系建設(shè)和平臺落地這樣三個階段。
下面就從Kubernetes的網(wǎng)絡(luò)、存儲、集群管理和監(jiān)控與運維幾個方面來分享下我們?nèi)萜髟破脚_建設(shè)走過的歷程，希望給大家一些思考和啟發(fā)。
一、 kubernetes網(wǎng)絡(luò)
容器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)是雙雄會的格局。雙雄會其實指的就是Docker的CNM和Google、CoreOS、Kuberenetes主導(dǎo)的CNI。首先明確一點，CNM和CNI并不是網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，他們是網(wǎng)絡(luò)規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)體系，從研發(fā)的角度他們就是一堆接口，你底層是用Flannel也好、用Calico也好，他們并不關(guān)心，CNM和CNI關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)管理的問題。
網(wǎng)絡(luò)需求調(diào)研發(fā)現(xiàn)，業(yè)務(wù)部門主要關(guān)注以下幾點：1、容器網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)打通2、速度越快越好3、改動越少越好4、盡可能少的風(fēng)險點。
容器的網(wǎng)絡(luò)方案大體可分為協(xié)議棧層級、穿越形態(tài)、隔離方式這三種形式
協(xié)議棧層級：二層比較好理解，在以前傳統(tǒng)的機(jī)房或虛擬化場景中比較常見，就是基于橋接的 ARP+MAC 學(xué)習(xí)，它大的缺陷是廣播。因為二層的廣播，會限制節(jié)點的量級；三層（純路由轉(zhuǎn)發(fā)），協(xié)議棧三層一般基于 BGP，自主學(xué)習(xí)整個機(jī)房的路由狀態(tài)。它大的優(yōu)點是它的 IP 穿透性，也就是說只要是基于這個 IP 的網(wǎng)絡(luò)，那此網(wǎng)絡(luò)就可以去穿越。顯而易見，它的規(guī)模是非常有優(yōu)勢，且具有良好的量級擴(kuò)展性。但在實際部署過程中，因為企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)大多受控。比如，有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的 BGP 是基于安全考慮不給開發(fā)者用或者說企業(yè)網(wǎng)絡(luò)本身不是 BGP，那這種情況下你就受限了；協(xié)議棧二層加三層，它的優(yōu)點是能夠解決純二層的規(guī)模性擴(kuò)展問題，又能解決純?nèi)龑拥母鞣N限制問題，特別是在云化 VPC 場景下，可以利用 VPC 的跨節(jié)點三層轉(zhuǎn)發(fā)能力。
穿越形態(tài)：
這個與實際部署環(huán)境十分相關(guān)。穿越形態(tài)分為兩種：Underlay、Overlay。
Underlay：在一個較好的可控的網(wǎng)絡(luò)場景下，我們一般利用 Underlay?？梢赃@樣通俗的理解，無論下面是裸機(jī)還是虛擬機(jī)，只要整個網(wǎng)絡(luò)可控，容器的網(wǎng)絡(luò)便可直接穿過去 ，這就是 Underlay。
Overlay：Overlay 在云化場景比較常見。Overlay 下面是受控的 VPC 網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)出現(xiàn)不屬于 VPC 管轄范圍中的 IP 或者 MAC，VPC 將不允許此 IP/MAC 穿越。出現(xiàn)這種情況時，我們可利用 Overlay 方式來做。
Overlay網(wǎng)絡(luò)使物理網(wǎng)絡(luò)虛擬化、資源池化，是實現(xiàn)云網(wǎng)融合的關(guān)鍵。把Overlay網(wǎng)絡(luò)和SDN技術(shù)結(jié)合使用，把SDN控制器作為Overlay網(wǎng)絡(luò)控制平面的控制器，這種方式更容易使網(wǎng)絡(luò)與計算組件整合，是網(wǎng)絡(luò)向云平臺服務(wù)轉(zhuǎn)變的理想選擇。
隔離方式：
隔離方式通常分為VLAN和VXLAN 兩種：
VLAN：VLAN 機(jī)房中使用偏多，但實際上存在一個問題。就是它總的租戶數(shù)量受限。眾所周知，VLAN 具有數(shù)量限制。
VXLAN：VXLAN 是現(xiàn)今較為主流的一種隔離方式。因為它的規(guī)模性較好較大，且它基于 IP 穿越方式較好。
我們從協(xié)議層級、穿越形態(tài)和隔離方式對kubernetes幾個常見的網(wǎng)絡(luò)組件（calico、contiv、flannel、Openshift SDN、自定義路由）在傳統(tǒng)機(jī)房網(wǎng)絡(luò)以及云化VPC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景下做一個分析，用連線圖來表述它們之前的關(guān)系。
首先無論是傳統(tǒng)機(jī)房網(wǎng)絡(luò)還是云化 VPC 網(wǎng)絡(luò)，我們可以看到 Overlay 方案是通用的，它在云化場景里可能用的更多一些，因為它有很好的穿越性。
在上圖中，紅線實線指向傳統(tǒng)機(jī)房網(wǎng)絡(luò)，這里重點說明下。Underlay + 三層的方案，是傳統(tǒng)機(jī)房網(wǎng)絡(luò)非常流行的方案，同時它的性能非常可觀，場景應(yīng)用比較偏多。
綠色虛線指向云化VPC網(wǎng)絡(luò)， Underlay+三層網(wǎng)絡(luò)在云化 VPC 場景下，也是可以受限使用。受限使用顧名思義，可以使用但不是每個供應(yīng)商都讓你用，因為每一個云廠商對他自己網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的定義不一樣。比如像 Calico 方案，它的 BGP 在 AWS 中就容易做，但在 Azure 中就不允許，因為 Azure 的 VPC 本身是不允許不受它管控范圍的 IP 通過。
黃顏色的實線指向云化VPC網(wǎng)絡(luò)，Overlay+二層或三層在云化場景中比較常見。Overlay 下面是受控的 VPC 網(wǎng)絡(luò)，管控會比較方便。
當(dāng)然云化VPC場景下也存在一些問題，如下圖所示。
接下來說一下多租戶之間的網(wǎng)絡(luò)隔離問題
K8s從1.3版引入網(wǎng)絡(luò)策略機(jī)制，通過網(wǎng)絡(luò)策略可實現(xiàn)POD之間的入站和出站訪問策略。
網(wǎng)絡(luò)策略可應(yīng)用于通過常用標(biāo)簽標(biāo)識的pod組，然后使用標(biāo)簽來模擬傳統(tǒng)的分段網(wǎng)絡(luò)，可以通過特定的“段”標(biāo)簽來標(biāo)識前端和后端pod。策略控制這些段之間的流量，甚至控制來自外部源的流量。但并非所有的網(wǎng)絡(luò)后端都支持策略，比如 flannel。現(xiàn)在很多廠商在這方面加強(qiáng)了研究，也有很多新的解決方案，就不一一列舉了。
還有就是集群邊界Ingress的管理
Ingress 是在kubernetes 1.2版本才出現(xiàn)的，容器應(yīng)用默認(rèn)以Service的形式提供服務(wù)，但Service僅作用于集群內(nèi)部，通過Ingress將Service暴露出去才能為集群外的客戶端提供服務(wù)。
下面對常見的Ingress Controller做一個對比，見下表
我們看到Nginx在性能和功能適用面上，還有社區(qū)活躍度上都較好，實用中也較多。
二、 kubernetes的存儲
k8s最初用于管理無狀態(tài)的服務(wù)，但隨著越來越多的應(yīng)用遷移到k8s平臺，管理存儲資源成為一個非常重要的功能。
Kubernetes中對于存儲的使用主要集中在以下幾個方面：
服務(wù)的基本配置文件讀取、密碼密鑰管理等；服務(wù)的存儲狀態(tài)、數(shù)據(jù)存取等；不同服務(wù)或應(yīng)用程序間共享數(shù)據(jù)。大致有以下幾個場景，如圖：
Kubernete存儲在設(shè)計的時候遵循著Kubernetes的一貫哲學(xué)，即聲明式（Declarative）架構(gòu)。同時為了盡可能多地兼容各種存儲平臺，Kubernetes以in-tree plugin的形式來對接不同的存儲系統(tǒng)，滿足用戶可以根據(jù)自己業(yè)務(wù)的需要使用這些插件給容器提供存儲服務(wù)。同時兼容用戶使用FlexVolume和CSI定制化插件。相比較于Docker Volume，支持的存儲功能更加豐富和多樣。
Kubernete存儲插件解析：
1、in-tree plugin：存儲代碼與K8S緊密集成，耦合性太強(qiáng)
2、FlexVolume：存儲插件安裝在宿主機(jī)上，需要宿主機(jī)的root權(quán)限
3、CSI規(guī)范：將存儲代碼與K8S完全解耦（1.10版本及以上，使用CSI attacher使用0.2.0版本）
csi規(guī)范極大地方便了插件的開發(fā)、維護(hù)和集成，具有很好的發(fā)展前景。
Kubernetes使用兩種資源管理存儲：
PersistentVolume（簡稱PV）：由管理員添加的的一個存儲的描述，是一個全局資源，包含存儲的類型，存儲的大小和訪問模式等。它的生命周期獨立于Pod，例如當(dāng)使用它的Pod銷毀時對PV沒有影響。
PersistentVolumeClaim（簡稱PVC）：是Namespace里的資源，描述對PV的一個請求。請求信息包含存儲大小，訪問模式等。
PV可以看作可用的存儲資源，PVC則是對存儲資源的需求，PVC會根據(jù)Pod的要求去自動綁定合適的PV給Pod使用。PV和PVC的相互關(guān)系遵循下圖所示的生命周期。
PV模式有靜態(tài)和動態(tài)，靜態(tài)PV模式管理NFS、FC、ISCSI，動態(tài)PV模式管理glusterfs、Cinder、Ceph RBD、Vsphere、ScaleIO、AWS、Azure等。靜態(tài)的需要管理員創(chuàng)建和管理PV，而動態(tài)的則由系統(tǒng)自動生成PV并綁定PVC.
下面再簡單補(bǔ)充下kubernetes中的鏡像管理，生產(chǎn)中都會有很多不同版本不同應(yīng)用的鏡像，對鏡像的管理也是比較重要的環(huán)節(jié)。
鏡像的多租戶權(quán)限管理：
1、不同租戶的鏡像應(yīng)相互隔離
2、不同的租戶對鏡像擁有不同的權(quán)限，例如讀寫、只讀、上傳、下載權(quán)限
3、鏡像庫提供鏡像的查詢、更新和刪除等功能
對于跨地域多數(shù)據(jù)中心的鏡像管理，鏡像庫的遠(yuǎn)程復(fù)制管理需要注意：
1、在多數(shù)據(jù)中心或跨地域多站點的環(huán)境下，為了提高多地區(qū)鏡像的下載效率，至少需要兩級鏡像庫的設(shè)置：總鏡像庫和子鏡像庫
2、鏡像庫之間的準(zhǔn)實時增量同步
三、 Kubernetes集群管理
在生產(chǎn)系統(tǒng)中，kubernetes多集群的管理主要涉及：
1、服務(wù)運維
2、集中配置
3、擴(kuò)容升級
4、資源配額
首先說說多集群的調(diào)度管理
1、Kubernetes中的調(diào)度策略可以大致分為兩種，一種是全局的調(diào)度策略，另一種是運行時調(diào)度策略
2、NODE的隔離與恢復(fù)；NODE的擴(kuò)容；Pod動態(tài)擴(kuò)容和縮放
3、親和性可以實現(xiàn)就近部署，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)能力實現(xiàn)通信上的就近路由，減少網(wǎng)絡(luò)的損耗。反親和性主要是出于高可靠性考慮，盡量分散實例。
4、 微服務(wù)依賴，定義啟動順序
5、跨部門應(yīng)用不混部
6、api網(wǎng)關(guān)以及GPU節(jié)點應(yīng)用獨占
多集群管理中的應(yīng)用彈性伸縮管理：
1、手工擴(kuò)縮容：預(yù)先知道業(yè)務(wù)量的變化情況
2、基于CPU使用率的自動擴(kuò)縮容：v1.1版引入控制器HPA，POD必須設(shè)置CPU資源使用率請求
3、基于自定義業(yè)務(wù)指標(biāo)的自動擴(kuò)縮容：v1.7版對HPA重新設(shè)計，增加了組件，被稱為HPA v2
在實際應(yīng)用中，HPA還有很多不完善的地方，很多廠商都用自己的監(jiān)控體系來實現(xiàn)對業(yè)務(wù)指標(biāo)的監(jiān)控并實現(xiàn)自動擴(kuò)容
Kubernetes多集群的調(diào)優(yōu)：
主要有三個難點：
第一是如何分配資源，當(dāng)用戶選擇多集群部署后，系統(tǒng)根據(jù)每個集群的資源用量，決定每個集群分配的容器數(shù)量，并且保證每個集群至少有一個容器。集群自動伸縮時，也會按照此比例創(chuàng)建和回收容器。
第二是故障遷移，集群控制器主要是為了解決多集群的自動伸縮和集群故障時的容器遷移，控制器定時檢測集群的多個節(jié)點，如果多次失敗后將觸發(fā)集群容器遷移的操作，保障服務(wù)可靠運行。
第三是網(wǎng)絡(luò)和存儲的互連，由于跨機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)需要互連，我們采用vxlan的網(wǎng)絡(luò)方案實現(xiàn)，存儲也是通過專線互連。容器的鏡像倉庫采用Harbor，多集群之間設(shè)置同步策略，并且在每個集群都設(shè)置各自的域名解析，分別解析到不同的鏡像倉庫。
接下來說說K8S集群的Master節(jié)點高可用實現(xiàn)，我們知道Kubernetes集群的核心是其master node，但目前默認(rèn)情況下master node只有一個，一旦master node出現(xiàn)問題，Kubernetes集群將陷入“癱瘓”，對集群的管理、Pod的調(diào)度等均將無法實施。所以后面出現(xiàn)了一主多從的架構(gòu)，包括master node、etcd等都可設(shè)計高可用的架構(gòu)。
還有了解下Federation 集群聯(lián)邦架構(gòu)
在云計算環(huán)境中，服務(wù)的作用距離范圍從近到遠(yuǎn)一般可以有：同主機(jī)（Host，Node）、跨主機(jī)同可用區(qū)（Available Zone）、跨可用區(qū)同地區(qū)（Region）、跨地區(qū)同服務(wù)商（Cloud Service Provider）、跨云平臺。K8s的設(shè)計定位是單一集群在同一個地域內(nèi)，因為同一個地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)性能才能滿足K8s的調(diào)度和計算存儲連接要求。而集群聯(lián)邦（Federation）就是為提供跨Region跨服務(wù)商K8s集群服務(wù)而設(shè)計的，實現(xiàn)業(yè)務(wù)高可用。
Federation 在1.3版引入，集群聯(lián)邦federation/v1beta1 API擴(kuò)展基于DNS服務(wù)發(fā)現(xiàn)的功能。利用DNS，讓POD可以跨集群、透明的解析服務(wù)。
1.6版支持級聯(lián)刪除聯(lián)邦資源,1.8版宣稱支持5000節(jié)點集群，集群聯(lián)邦V2
目前存在的問題：
1、網(wǎng)絡(luò)帶寬和成本的增加
2、削弱了多集群之間的隔離性
3、成熟度不足，在生產(chǎn)中還沒有正式的應(yīng)用
四、kubernetes的監(jiān)控與運維
對于一個監(jiān)控系統(tǒng)而言，常見的監(jiān)控維度包括：資源監(jiān)控和應(yīng)用監(jiān)控。資源監(jiān)控是指節(jié)點、應(yīng)用的資源使用情況，在容器場景中就延伸為節(jié)點的資源利用率、集群的資源利用率、Pod的資源利用率等。應(yīng)用監(jiān)控指的是應(yīng)用內(nèi)部指標(biāo)的監(jiān)控，例如我們會將應(yīng)用在線人數(shù)進(jìn)行實時統(tǒng)計，并通過端口進(jìn)行暴露來實現(xiàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)級別的監(jiān)控與告警。那么在Kubernetes中，監(jiān)控對象會細(xì)化為哪些實體呢？
系統(tǒng)組件
kubernetes集群中內(nèi)置的組件，包括apiserver、controller-manager、etcd等等。
靜態(tài)資源實體
主要指節(jié)點的資源狀態(tài)、內(nèi)核事件等等
動態(tài)資源實體
主要指Kubernetes中抽象工作負(fù)載的實體，例如Deployment、DaemonSet、Pod等等。
自定義應(yīng)用
主要指需要應(yīng)用內(nèi)部需要定制化的監(jiān)控數(shù)據(jù)以及監(jiān)控指標(biāo)。
不同容器云監(jiān)控方案的對比：
關(guān)于Prometheus監(jiān)控：
主要注意兩點：
? 查詢api的封裝
? 配置文件的下發(fā)
有了prometheus這個強(qiáng)大的監(jiān)控開源系統(tǒng)之后，我們所需要投入的工作就是查詢api的封裝和配置文件的下發(fā)。查詢api的封裝沒什么好說的，無非就是前端調(diào)用我們自己的server，我們的server呢通過http協(xié)議去調(diào)用prometheus的api接口查詢到原始數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行組裝，最后返回給前端。 配置文件的話包含三部分吧，警報的定義，alertmanager的配置，以及prometheus的配置，這里也不好展開講，有興趣的可以去官網(wǎng)看看。當(dāng)然也可以使用Prometheus+Grafana來搭建監(jiān)控系統(tǒng)，這樣可視化會更豐富些，展現(xiàn)也比較快。
運維的思考---開發(fā)與運維的一體化
運維的思考---高可用問題
? Ocp平臺:
1、負(fù)載均衡Router高可用集群: 2個節(jié)點
2、EFK高可用集群: 3個ES節(jié)點+n個F節(jié)點
3、鏡像倉庫高可用集群: 2個鏡像倉庫
? 微服務(wù)架構(gòu):
1、注冊中心高可用集群(Eureka): 3個
2、配置中心高可用集群: 3個
3、網(wǎng)關(guān)高可用集群: 2個
4、關(guān)鍵微服務(wù)均是高可用集群
運維的思考---高并發(fā)問題
? Ocp平臺:
1、對后端微服務(wù)(Pod)配置彈性擴(kuò)容, K8的彈性伸縮擴(kuò)容以及Docker容器的秒級啟動可以支撐用戶量的持續(xù)增長;
2、提前預(yù)留20%的資源, 當(dāng)高并發(fā)情況發(fā)生時, 可以緊急擴(kuò)充資源。
? 微服務(wù)架構(gòu):
另外有需要云服務(wù)器可以了解下創(chuàng)新互聯(lián)cdcxhl.cn，海內(nèi)外云服務(wù)器15元起步，三天無理由+7*72小時售后在線，公司持有idc許可證，提供“云服務(wù)器、裸金屬服務(wù)器、高防服務(wù)器、香港服務(wù)器、美國服務(wù)器、虛擬主機(jī)、免備案服務(wù)器”等云主機(jī)租用服務(wù)以及企業(yè)上云的綜合解決方案，具有“安全穩(wěn)定、簡單易用、服務(wù)可用性高、性價比高”等特點與優(yōu)勢，專為企業(yè)上云打造定制，能夠滿足用戶豐富、多元化的應(yīng)用場景需求。
重慶分公司
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