19.Kubernetes基础应用:创建一个Pod背后etcd发生了什么?
19.Kubernetes基础应用:创建一个Pod背后etcd发生了什么?
本文笔记来自:「极客时间ETCD实战课」,原文链接:https://time.geekbang.org/column/article/354292?cid=100069901
今天我们通过在Kubernetes集群中创建一个Pod的案例,分析etcd在其中发挥的作用,深入了解Kubernetes是如何使用etcd的。
Kubernetes基础架构
在详细了解etcd在Kubernetes里的应用之前,先简单介绍下Kubernetes集群的整体架构,搞清楚etcd在Kubernetes集群中扮演的角色与作用。
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。
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etcd Watch特性 提供的底层支持。
创建Pod案例
接下来就以在Kubernetes集群中创建一个nginx服务为例,通过这个案例来详细分析etcd在Kubernetes集群创建Pod背后是如何工作的。
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。
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假设此YAML文件名为nginx.yaml,首先通过如下的kubectl create -f nginx.yml命令创建Deployment资源。
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创建之后,我们立刻通过如下命令,带标签查询Pod,输出如下:
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那么在kubectl create命令发出,nginx Deployment资源成功创建的背后,kube-apiserver是如何与etcd打交道的呢? 它是通过什么接口 安全写入 资源到etcd的?
同时,使用kubectl带标签查询Pod背后,kube-apiserver是直接从 缓存读取 还是向etcd发出一个 线性读 或 串行读 请求呢? 若同namespace下存在大量的Pod,此操作性能又是怎样的呢?
接下来聊聊kube-apiserver收到创建和查询请求后,是如何与etcd交互的。
kube-apiserver请求执行链路
kube-apiserver作为Kubernetes集群交互的枢纽、对外提供API供用户访问的组件,因此保障集群安全、保障本身及后端etcd的稳定性的等重任也是非它莫属。比如校验创建请求发起者是否合法、是否有权限操作相关资源、是否出现Bug产生大量写和读请求等。
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。
核心链路如下:
- 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。
经过上面一系列的模块检查后,这时kube-apiserver就开始与etcd打交道了。在了解kube-apiserver如何将我们创建的Deployment资源写入到etcd前,先介绍下Kubernetes的资源是如何组织、存储在etcd中。
Kubernetes资源存储格式
etcd仅仅是个key-value存储,但是在Kubernetes中存在各种各样的资源,并提供了以下几种灵活的资源查询方式:
- 按具体资源名称查询,比如PodName、kubectl get po/PodName。
- 按namespace查询,获取一个namespace下的所有Pod,比如kubectl get po -n kube-system。
- 按标签名,标签是极度灵活的一种方式,你可以为你的Kubernetes资源打上各种各样的标签,比如上面案例中的kubectl get po -l app=nginx。
你知道以上这几种查询方式它们的性能优劣吗?假设你是Kubernetes开发者,你会如何设计存储格式来满足以上功能点?
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。这种查询也并不难。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。
那么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:
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从中我们可以看到,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。
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。
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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。
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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。
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了解完Kubernetes资源的存储格式后,我们再看看nginx Deployment资源是如何由kube-apiserver写入etcd的。
通用存储模块
kube-apiserver启动的时候,会将每个资源的APIGroup、Version、Resource Handler注册到路由上。当请求经过认证、限速、授权、准入控制模块检查后,请求就会被转发到对应的资源逻辑进行处理。
同时,kube-apiserver实现了类似数据库ORM机制的通用资源存储机制,提供了对一个资源创建、更新、删除前后的hook能力,将其封装成策略接口。当你新增一个资源时,你只需要编写相应的创建、更新、删除等策略即可,不需要写任何etcd的API。
下面是kube-apiserver通用存储模块的创建流程图:
从图中可以看到,创建一个资源主要由BeforeCreate、Storage.Create以及AfterCreate三大步骤组成。
当收到创建nginx Deployment请求后,通用存储模块首先会回调各个资源自定义实现的BeforeCreate策略,为资源写入etcd做一些初始化工作。
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。
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执行完BeforeCreate策略后,它就会执行Storage.Create接口,也就是由它真正开始调用底层存储模块etcd3,将nginx Deployment资源对象写入etcd。
那么Kubernetes是使用etcd Put接口写入资源key-value的吗?如果是,那要如何防止同名资源并发创建被覆盖的问题?
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。
etcd的事务接口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:
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从上面的代码片段中,我们可以得出首先它会按照我们介绍的Kubernetes资源存储格式拼接key。
然后若TTL非0,它会根据TTL从leaseManager获取可复用的Lease ID。Kubernetes集群默认若不同key(如Kubernetes的Event资源对象)的TTL差异在1分钟内,可复用同一个Lease ID,避免大量Lease影响etcd性能和稳定性。
其次若开启了数据加密,在写入etcd前数据还将按加密算法进行转换工作。
最后就是使用etcd的Txn接口,向etcd发起一个创建deployment资源的Txn请求。
那么etcd收到kube-apiserver的请求是长什么样子的呢?
下面是etcd收到创建nginx deployment资源的请求日志:
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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。
通过Txn接口成功将数据写入到etcd后,kubectl create -f nginx.yml命令就执行完毕,返回给client了。在以上介绍中你可以看到,kube-apiserver并没有任何逻辑去真正创建Pod,但是为什么我们可以马上通过kubectl get命令查询到新建并成功运行的Pod呢?
这就涉及到了基础架构图中的控制器、调度器、Kubelet等组件。下面我就为你浅析它们是如何基于etcd提供的Watch机制工作,最终实现创建Pod、调度Pod、运行Pod的。
Watch机制在Kubernetes中应用
正如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。
我们知道在etcd中版本号是个逻辑时钟,随着client对etcd的增、删、改操作而全局递增,它被广泛应用在MVCC、事务、Watch特性中。
尤其是在Watch特性中,版本号是数据增量同步的核心。当client因网络等异常出现连接闪断后,它就可以通过版本号从etcd server中快速获取异常后的事件,无需全量同步。
那么在Kubernetes集群中,它提供了什么概念来实现增量监听逻辑呢?
答案是Resource Version。
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。
那么Resource Version有哪些值呢?跟etcd版本号是什么关系?
下面我分别以Get和Watch接口中的Resource Version参数值为例,为你剖析它与etcd的关系。
在Get请求查询案例中,ResourceVersion主要有以下这三种取值:
第一种是未指定ResourceVersion,默认空字符串。kube-apiserver收到一个此类型的读请求后,它会向etcd发出共识读/线性读请求获取etcd集群最新的数据。
第二种是设置ResourceVersion=”0”,赋值字符串0。kube-apiserver收到此类请求时,它可能会返回任意资源版本号的数据,但是优先返回较新版本。一般情况下它直接从kube-apiserver缓存中获取数据返回给client,有可能读到过期的数据,适用于对数据一致性要求不高的场景。
第三种是设置ResourceVersion为一个非0的字符串。kube-apiserver收到此类请求时,它会保证Cache中的最新ResourceVersion大于等于你传入的ResourceVersion,然后从Cache中查找你请求的资源对象key,返回数据给client。基本原理是kube-apiserver为各个核心资源(如Pod)维护了一个Cache,通过etcd的Watch机制来实时更新Cache。当你的Get请求中携带了非0的ResourceVersion,它会等待缓存中最新ResourceVersion大于等于你Get请求中的ResoureVersion,若满足条件则从Cache中查询数据,返回给client。若不满足条件,它最多等待3秒,若超过3秒,Cache中的最新ResourceVersion还小于Get请求中的ResourceVersion,就会返回ResourceVersionTooLarge错误给client。
你要注意的是,若你使用的Get接口,那么kube-apiserver会取资源key的ModRevision字段填充Kubernetes资源的ResourceVersion字段(v1.meta/ObjectMeta.ResourceVersion)。若你使用的是List接口,kube-apiserver会在查询时,使用etcd当前版本号填充ListMeta.ResourceVersion字段(v1.meta/ListMeta.ResourceVersion)。
那么当我们执行kubectl get po查询案例时,它的ResouceVersion是什么取值呢? 查询的是kube-apiserver缓存还是etcd最新共识数据?
如下所示,可以通过指定kubectl日志级别为6,观察它向kube-apiserver发出的请求参数。从下面请求日志里你可以看到,默认是未指定Resource Version,也就是会发出一个共识读/线性读请求给etcd,获取etcd最新共识数据。
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这里需要注意,在规模较大的集群中,尽量不要使用kubectl频繁查询资源。正如上面所分析的,它会直接查询etcd数据,可能会产生大量的expensive request请求,之前我就有见过业务这样用,然后导致了集群不稳定。
介绍完查询案例后,我们再看看Watch案例中,它的不同取值含义是怎样的呢?
它同样含有查询案例中的三种取值,官方定义的含义分别如下:
- 未指定ResourceVersion,默认空字符串。一方面为了帮助client建立初始状态,它会将当前已存在的资源通过Add事件返回给client。另一方面,它会从etcd当前版本号开始监听,后续新增写请求导致数据变化时可及时推送给client。
- 设置ResourceVersion=”0”,赋值字符串0。它同样会帮助client建立初始状态,但是它会从任意版本号开始监听(当前kube-apiserver的实现指定ResourceVersion=0和不指定行为一致,在获取初始状态后,都会从cache最新的ResourceVersion开始监听),这种场景可能会导致集群返回陈旧的数据。
- 设置ResourceVersion为一个非0的字符串。从精确的版本号开始监听数据,它只会返回大于等于精确版本号的变更事件。
Kubernetes的控制器组件就基于以上的Watch特性,在快速感知到新建Deployment资源后,进入一致性协调逻辑,创建ReplicaSet控制器,整体交互流程如下所示。
Deployment控制器创建ReplicaSet资源对象的日志如下所示。
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真正创建Pod则是由ReplicaSet控制器负责,它同样基于Watch机制感知到新的RS资源创建后,发起请求创建Pod,确保实际运行Pod数与期望一致。
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在这过程中也产生了若干Event,下面是etcd收到新增Events资源的请求,你可以看到Event事件key关联了Lease,这个Lease正是由我上面所介绍的leaseManager所负责创建。
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Pod创建出来后,这时kube-scheduler监听到待调度的Pod,于是为其分配Node,通过kube-apiserver的Bind接口,将调度后的节点IP绑定到Pod资源上。kubelet通过同样的Watch机制感知到新建的Pod后,发起Pod创建流程即可。
以上就是当我们在Kubernetes集群中创建一个Pod后,Kubernetes和etcd之间交互的简要分析。
小结
最后首先解读了Kubernetes集群的etcd存储格式,每个资源的保存路径为prefix + “/“ + 资源类型 + “/“ + namespace + “/“ + 具体资源名组成。结合etcd3的范围查询,可快速实现按namesapace、资源名称查询。按标签查询则是通过kube-apiserver遍历指定namespace下的资源实现的,若未从kube-apiserver的Cache中查询,请求较频繁,很可能导致etcd流量较大,出现不稳定。
随后介绍了kube-apiserver的通用存储模块,它通过在创建、查询、删除、更新操作前增加一系列的Hook机制,实现了新增任意资源只需编写相应的Hook策略即可。我还重点和你介绍了创建接口,它主要由拼接key、获取Lease ID、数据转换、写入etcd组成,重点是它通过使用事务接口实现了资源的安全创建及更新。
最后讲解了Resoure Version在Kubernetes集群中的大量应用,重点分析了Get和Watch请求案例中的Resource Version含义,帮助你了解Resource Version本质,让你能根据业务场景和对一致性的容忍度,正确的使用Resource Version以满足业务诉求。
思考题
有哪些原因可能会导致kube-apiserver报“too old Resource Version”错误呢?
informer watch请求的resource version比kube-apiserver缓存中保存的最小resource version还小,kube-apiserver就会返回“too old Resource Version”,然后触发informer进行list全量数据,导致expensive request