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扩展Kubernetes

2019年05月24日

简介

Kubernetes 通过工作负载和 CRD 抽象给基础设施系统设计带来了巨大变革。

自定义资源实际上是为了扩展kubernetes的API,向kubenetes API中增加新类型,可以使用以下三种方式:

  1. 修改kubenetes的源码,显然难度比较高,也不太合适
  2. 创建自定义API server并聚合到API中 Aggregated APIs are subordinate APIServers that sit behind the primary API server, which acts as a proxy.

  3. 1.7以下版本编写TPR,kubernetes1.7及以上版本用CRD

使用CRD 有如下优势

  1. 你的API是否属于声明式的
  2. 是否想使用kubectl命令来管理
  3. 是否要作为kubenretes中的对象类型来管理,同时显示在kuberetes dashboard上
  4. 是否可以遵守kubernetes的API规则限制,例如URL和API group、namespace限制
  5. 是否可以接受该API只能作用于集群或者namespace范围
  6. 想要复用kubernetes API的公共功能,比如CRUD、watch、内置的认证和授权等

下文都假设自定义 一个 pod2 resource

CRD概念

建议先查看Kubernetes 控制器模型

先从扩展k8s object开始——Custom Resource

与custome resource 对应的词儿 是 built-in Kubernetes resources (like pods).

In the Kubernetes API, a resource is an endpoint that stores a collection of API objects of a certain kind

Custom ResourcesCustom resources can appear and disappear in a running cluster through dynamic registration

描述CustomResource——CustomResourceDefinition

Spring 提供了扩展 xml 的机制,用来编写自定义的 xml bean ,例如 dubbo 框架,就利用这个机制实现了好多的 dubbo bean,比如 <dubbo:application><dubbo:registry>。 spring ioc 启动时 自定义标签 会被转为一个BeanDefinition ,registerBeanDefinition 到ioc ,进而初始化为bean,并纳入到ioc 的管理,你可以在自己的类 @Autowire 使用这个registry 对象。

Pod 是kubernetes 的一个Resource ,会不会像spring 的BeanDefinition 一样有一个ResourceDefinition ,然后允许我们 自定义ResourceDefinition ? 答案是肯定的——CustomResourceDefinition custom resource 是自定义的,但描述custom resource的 CustomResourceDefinition 是built-in的,官网例子

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1beta1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
    # name must match the spec fields below, and be in the form: <plural>.<group>
    name: crontabs.stable.example.com
spec:
    xxx

Extending Kubernetes APIs with Custom Resource Definitions (CRDs)Custom resources definition (CRD) is a powerful feature introduced in Kubernetes 1.7 which enables users to add their own/custom objects to the Kubernetes cluster and use it like any other native Kubernetes objects.

k8s spring
k8s Resource spring bean
CustomResourceDefinition BeanDefinition
ResourceDefinition/code-generator ==> Generic APIServer ioc ==> bean factory

两相对比,还是很有味道的。

在nginx 中,你可以自定义 指令。比如笔者实现过一个 upsync 指令qiankunli/nginx-upsync-module-zk ,在nginx conf 中出现 upsync 指令时可以执行笔者的自定义逻辑。但自定义的指令 要和nginx 重新编译后 才可以生效,api server 可以不重启 支持 /api/v1/namespaces/{namespace}/pod2s/{name} 么?

使得custom object生效——Custom controllers

Kubernetes中提供很多控制器

$ cd kubernetes/pkg/controller/
$ ls -d */              
deployment/             job/                    podautoscaler/          
cloud/                  disruption/             namespace/              
replicaset/             serviceaccount/         volume/
cronjob/                garbagecollector/       nodelifecycle/          replication/            statefulset/            daemon/
...

对于k8s 来说,api server 只是将 pod2 这个resource crud 到 etcd 上,若要使其真正“干活儿” 还要实现 对应的Pod2 Controller

Custom ResourcesOn their own, custom resources simply let you store and retrieve structured data. It is only when combined with a controller that they become a true declarative API. A declarative API allows you to declare or specify the desired state of your resource and tries to match the actual state to this desired state. Here, the controller interprets the structured data as a record of the user’s desired state, and continually takes action to achieve and maintain this state.

基于声明式 API 的业务功能实现,往往需要通过控制器模式来“监视”API 对象的变化(比如,创建或者删除Pod2),然后以此来决定实际要执行的具体工作。

自定义custom controller 就有点 自定义 ansible module的意思。建议学习自定义Controller 原理之前,先系统的看下 Kubernetes 自带Controller 的实现原理

实操——极客时间

来自极客时间 《深入剖析Kubernetes》

$ tree $GOPATH/src/github.com/<your-name>/pod2
.
├── controller.go
├── crd
│   └── pod2.yaml	// custom resource definition 文件
├── example	
│   └── example-pod2.yaml	// 一个pod2.yaml 的例子
├── main.go
└── pkg
    └── apis
        └── pod2
            ├── register.go	// 放置后面要用到的全局变量
            └── v1
                ├── doc.go
                ├── register.go	
                └── types.go		// 定一个pod2 到底有哪些字段

使用 Kubernetes 提供的代码生成工具,为上面定义的pod2资源类型自动生成 clientset、informer和 lister

$ tree
.
├── controller.go
├── crd
│   └── pod2.yaml
├── example
│   └── example-pod2.yaml
├── main.go
└── pkg
    ├── apis
    │   └── pod2
    │       ├── constants.go
    │       └── v1
    │           ├── doc.go
    │           ├── register.go
    │           ├── types.go
    │           └── zz_generated.deepcopy.go
    └── client
        ├── clientset
        ├── informers
        └── listers
  1. 编写 main 函数
  2. 编写自定义控制器的定义
  3. 编写控制器里的业务逻辑,APIServer 里保存的“期望状态”,“实际状态”来自 实际的集群,通过对比“期望状态”和“实际状态”的差异,完成了一次调协(Reconcile)的过程。

Kubernetes 的代码生成工具当前已变成独立的项目code-generator,使用code-generator 可以非常快捷的开发自定义的资源控制器,从而直接控制Kubernetes api。

main 函数逻辑

因为Controller 包含kubeClient,networkClient,networkInformer成员

type Controller struct {
    // kubeclientset is a standard kubernetes clientset 可以理解为api server的客户端
    kubeclientset kubernetes.Interface
    // networkclientset is a clientset for our own API group 可以理解api server的客户端,但专门访问自定义的resource
    networkclientset clientset.Interface
    networksLister listers.NetworkLister
    ...
}

所以main 函数的主要逻辑

  1. 构造kubeClient,networkClient,networkInformer 对象,进而构造Controller,其中networkInformer比较复杂,各种封装和工厂模式
  2. 异步启动Informer
  3. 启动Controller 主流程,即run方法

controller逻辑

  1. 在main 函数构造Controller 时,NewController方法中执行了networkInformer.AddEventHandler逻辑,当informer 收到network对象时 ==> AddEventHandler ==> network 对象加入到workqueue中
  2. Controller processNextWorkItem 中仅负责 从workqueue中取出network对象 执行自己的逻辑即可

Kubernetes Deep Dive: Code Generation for CustomResources

实例——autoscaler

kubernetes自动扩容缩容

CustomResourceDefinition定义

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1beta1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
# 名称必须符合下面的格式:<plural>.<group>
name: verticalpodautoscalers.autoscaling.k8s.io
spec:
group: autoscaling.k8s.io
scope: Namespaced
version: v1beta1
names:
    kind: VerticalPodAutoscaler
    ## 复数名称
    plural: verticalpodautoscalers
    ## 单数名称
    singular: verticalpodautoscaler
    shortNames:
    - vpa

VerticalPodAutoscaler 示例

apiVersion: autoscaling.k8s.io/v1beta2
kind: VerticalPodAutoscaler
metadata:
  name: my-rec-vpa
spec:
  targetRef:
    apiVersion: "extensions/v1beta1"
    kind:       Deployment
    name:       my-rec-deployment
  updatePolicy:
    updateMode: "Off"

扩展API

集群 API Server 有扩展自己的机制,开发者可以利用这个机制,来实现 API Server 的“外挂”。这个“外挂”的主要功能,就是实现新的 API 分组 / 版本。API Server 作为代理,会把相应的 API 调用,转发给自己的“外挂”。

k8s核心对象的api,带上各种自定义api/非核心api,apiserver 支持的url就很多了