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架构

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kubevela中cue的应用

2022年11月10日

简介

使用 CUE 语言管理 K8s 资源清单模板

数据约束语言 CUE 简易教程

BCL 全名 Borg Configuration Language,是 Google 内部基于 GCL (Generic Configuration Language) 在 Borg 场景的实践。用户通过 BCL 描述对 Borg 的使用需求,通过基于 BCL 的抽象省去对 Borg 复杂配置细节的感知提高单位效率,通过工程化手段满足可抽象、可复用、可测试的协作方式提高团队效率和稳定性,并在其上建立了相应的生态平台,作为 Borg 生态的重要抽象层在 Google 内部服务了超过 10 年,帮助 Google 内部数万开发者更好的使用 Infra。CUE 是一种服务于云化配置的强类型配置语言,由 Go team 成员 Marcel van Lohiuzen 结合 BCL 及多种其他语言研发并开源,可以说是 BCL 思路的开源版实现。PS:大家都对直接使用yaml 的方式不满意。

基本使用

数据类型

cue 的基本数据类型

// first.cue
a: 1.5
a: float
b: 1
b: int
d: [1, 2, 3]
g: {
 h: "abc"
}
e: "abc"

如何自定义 CUE 类型?使用 # 符号来指定一些表示 CUE 类型的变量

#abc: {
  x: int
  y: string
  z: {
    a: float
    b: bool
  }
}

开放性和封闭性 未读。

渲染

$ cue eval first.cue
a: 1.5
b: 1
d: [1, 2, 3]
g: {
h: "abc"
}
e: "abc"    

默认情况下, 渲染结果会被格式化为 JSON 格式。

$ cue export first.cue
{
    "a": 1.5,
    "b": 1,
    "d": [
        1,
        2,
        3
    ],
    "g": {
        "h": "abc"
    },
    "e": "abc"
}

渲染为yaml 格式

$ cue export first.cue --out yaml
a: 1.5
b: 1
d:
- 1
- 2
- 3
g:
  h: abc
e: abc

与k8s结合

// deployment.cue
parameter:{
   name: "mytest"
   image: "nginx:v1"
}
template: {
 apiVersion: "apps/v1"
 kind:       "Deployment"
 spec: {
  selector: matchLabels: {
   "app.oam.dev/component": parameter.name
  }
  template: {
   metadata: labels: {
    "app.oam.dev/component": parameter.name
   }
   spec: {
    containers: [{
     name:  parameter.name
     image: parameter.image
    }]
   }}}
}

cue export deployment.cue -e template --out yaml 导出指定template变量的结果。

导入包

可以在 CUE 模版中通过 kube/<apiVersion> 导入 kubernetes 的包,就像使用 CUE 内部包一样。

import (
   apps "kube/apps/v1"
)
parameter: {
    name:  string
}
output: apps.#Deployment                ## output 的类型是 deployment
output: {
    metadata: name: parameter.name      ## 给output 的metadata.name 字段赋值
}

kubevela 中使用

kubevela
  /pkg
    /appfile
      /parser.go
    /cue
      /definition
      /model
      /process
      /task
      utils.go
    /workflow             # 工作流相关
      /operation
      /providers
      /step
      /template
      /workflow.go
    /stdlib
      /op.cue

kubevela 可扩展的的核心是复用,主要复用两方面的能力

  1. component/trait 主要复用 crd 的能力,由ComponentDefinition/TraitDefinition 使用cue 来定义crd 模版,Application controller 负责渲染出 真实crd
  2. workflow 复用http/email/k8s(apply等) 等能力,由 WorkflowStepDefinition 使用cue 来定义对底层provider 能力/函数的调用(provider 函数被封装为taskRunner),executor 从 WorkflowStepDefinition 拿到 provider+op(底层能力标识) “渲染”为taskRunner 并调用执行。

你可以通过 在StepDefinition 中引用cue 官方以及KubeVela内置的包,来使用HTTP 请求、crud 资源、配置日志来源、条件等待、使当前步骤失败等函数,从而通过配置的方式来覆盖你的业务场景,极大提升 Step的可扩展性。

描述 Component/Trait/Policy等Definition

webservice ComponetDefinition 内容

import (
	"strconv"
)
webservice: {...}
template: {
  mountsArray: {...}  # 根据 parameter.volumeMounts 计算mount 相关的内容,最终会被output 使用
  volumesList: {...}
  ...
  output: {            # deployment yaml的核心部分
    apiVersion: "apps/v1"
		kind:       "Deployment"
		spec: {...}
  }         
  exposePorts: {}
  outputs: {
    if len(exposePorts) != 0 {
      webserviceExpose: {
				apiVersion: "v1"
				kind:       "Service"
				metadata: name: context.name
				spec: {
					selector: "app.oam.dev/component": context.name
					ports: exposePorts
					type:  parameter.exposeType
				}
			}
    }
  }
  parameter: {...}    # template的参数部分
}
// kubevela/pkg/appfile/parser.go
func generateComponentFromCUEModule(c client.Client, wl *Workload, appName, revision, ns string) (*v1alpha2.Component, ..., error) {
	pCtx, err := PrepareProcessContext(c, wl, appName, revision, ns)
	for _, tr := range wl.Traits {
		tr.EvalContext(pCtx)
	}
	comp, acComp, err = evalWorkloadWithContext(pCtx, wl, appName, wl.Name)
	for _, sc := range wl.Scopes {
		acComp.Scopes = append(acComp.Scopes, v1alpha2.ComponentScope{...})
	}
	return comp, acComp, nil
}

从Application 中拿到 component/trait name,找到对应的Definition 拿到cue 模版,加上Application 提供的参数,转成Component ,并将trait 挂在 ApplicationConfigurationComponent 对象里。

PrepareProcessContext
  Workload.EvalContext
    workloadDef.Complete(ctx process.Context, abstractTemplate string, params interface{})
      bi := build.NewContext().NewInstance("", nil)
      bi.AddFile("-", abstractTemplate)
      var paramFile = "parameter: {}"
      bt, err := json.Marshal(params)
      paramFile = fmt.Sprintf("%s: %s", mycue.ParameterTag, string(bt))
      bi.AddFile("parameter", paramFile)
      bi.AddFile("-", ctx.ExtendedContextFile())
      var r cue.Runtime
      inst, err := r.Build(bi)
      output := inst.Lookup("output") # 返回cue文件中 output 字段的值 
      base, err := model.NewBase(output)
      ctx.SetBase(base)
Trait.EvalContext
  traitDef.Complete(ctx, trait.Template, trait.Params)
    bi := build.NewContext().NewInstance("", nil)
    bi.AddFile("-", abstractTemplate)
    var paramFile = "parameter: {}"
    bt, err := json.Marshal(params)
    paramFile = fmt.Sprintf("%s: %s", mycue.ParameterTag, string(bt))
    bi.AddFile("parameter", paramFile)
    bi.AddFile("context", ctx.ExtendedContextFile())
    instances := cue.Build([]*build.Instance{bi})
    for _, inst := range instances {
      patcher := inst.Lookup("patch") # 返回cue文件中 patch 字段的值
      base, _ := ctx.Output()
      p, err := model.NewOther(patcher)
      base.Unify(p)
    }
evalWorkloadWithContext
  base, assists := pCtx.Output()
	componentWorkload, err := base.Unstructured()
  component := &v1alpha2.Component{}
  // we need to marshal the workload to byte array before sending them to the k8s
	component.Spec.Workload = util.Object2RawExtension(componentWorkload)

  acComponent := &v1alpha2.ApplicationConfigurationComponent{}
  for _, assist := range assists {
		tr, err := assist.Ins.Unstructured()
    acComponent.Traits = append(acComponent.Traits, v1alpha2.ComponentTrait{
			Trait: util.Object2RawExtension(tr),
		})
  }

k8s patch语法参考 Update API Objects in Place Using kubectl patch

描述WorkflowStepDefinition

自定义工作流比如以下场景:使用 Helm 部署一个 Tomcat,并在部署完成后自动向 Slack 发送消息通知。

apiVersion: core.oam.dev/v1beta1
kind: Application
metadata:
  name: first-vela-workflow
  namespace: default
spec:
  components:
  - name: tomcat
    type: helm
  workflow:
    steps:
      - name: tomcat
        type: my-helm # 指定步骤类型
        outputs:
          - name: msg
            # 将 my-helm 中读取到的 deployment status 作为信息导出
            valueFrom: resource.value.status.conditions[0].message
      - name: send-message
        type: webhook-notification

我们可以使用 vela def 通过编写 Cue template 来定义工作流步骤。 KubeVela 提供了一些 CUE 操作类型用于编写工作流步骤。这些操作均由 vela/op 包提供。比如以下 3 个 CUE 操作:

操作名 说明 参数
ApplyApplication 部署应用中的所有资源 -
Read 读取 Kubernetes 集群中的资源。 value: 描述需要被读取资源的元数据,比如 kind、name 等,操作完成后,集群中资源的数据会被填充到 value 上。

err: 如果读取操作发生错误,这里会以字符串的方式指示错误信息。
   
ConditionalWait 会让 Workflow Step 处于等待状态,直到条件被满足。 continue: 当该字段为 true 时,Workflow Step 才会恢复继续执行。

部署 Tomcat 步骤 my-helm WorkflowStepDefinition 实现步骤

  1. 通过 vela def init 来生成一个 WorkflowStepDefinition 模板:
     $ vela def init my-helm -t workflow-step --desc "Apply helm charts and wait till it's running." -o my-helm.cue
     # 得到以下结果
     $ cat my-helm.cue
     "my-helm": {
         annotations: {}
         attributes: {}
         description: "Apply helm charts and wait till it's running."
         labels: {}
         type: "workflow-step"
     }
     template: {
     }
    
  2. 引用 vela/op 包,并将 Cue 代码补充到 template 中:
     import (
       "vela/op"
     )
     "my-helm": {
         annotations: {}
         attributes: {}
         description: "Apply helm charts and wait till it's running."
         labels: {}
         type: "workflow-step"
     }
     template: {
       // 部署应用中的所有资源
       apply: op.#ApplyApplication & {}
       resource: op.#Read & {
         value: {
           kind: "Deployment"
           apiVersion: "apps/v1"
           metadata: {
             name: "tomcat"
             // 可以使用 context 来获取该 Application 的任意元信息
             namespace: context.namespace
           }
         }
       }
       workload: resource.value
       // 等待 helm 的 deployment 可用
       wait: op.#ConditionalWait & {
         continue: workload.status.readyReplicas == workload.status.replicas && workload.status.observedGeneration == workload.metadata.generation
       }
     }
    
  3. 部署到集群中:
     $ vela def apply my-helm.cue
     WorkflowStepDefinition my-helm in namespace vela-system updated.
    

WorkflowStepDefinition 深入理解

实现 Operator 效果

开源工作流引擎如何支撑企业级 Serverless 架构?比如 工作流中新增一个镜像预热的节点,以往多集群中下发 ImagePullJob 工作负载为例,你不仅需要管理多集群的配置,还需要 Watch 工作负载(CRD)的状态,直到工作负载的状态变成 Ready,才继续下一步。而这个流程其实对应了一个简单的 Kubernetes Operator 的 Reconcile 逻辑:先是创建或者更新一个资源,如果这个资源的状态符合了预期,则结束此次 Reconcile,如果不符合,则继续等待。难道我们运维操作中每新增一种资源的管理,就需要实现一个 Operator 吗?

template: {
  // 第一步:从指定集群中读取资源
  read: op.#Read & {
    value: {
      apiVersion: parameter.apiVersion
      kind: parameter.kind
      metadata: {
        name: parameter.name
        namespace: parameter.namespace
      }
    }
    cluster: parameter.cluster
  }
  // 第二步:直到资源状态 Ready,才结束等待,否则步骤会一直等待
  wait: op.#ConditionalWait & {
    continue: read.value.status != _|_ && read.value.status.phase == "Ready"
  }
  // 第三步(可选):如果资源 Ready 了,那么...
  // 其他逻辑...

  // 定义好的参数,用户在使用该步骤类型时需要传入
  parameter: {
    apiVersion: string
    kind: string
    name: string
    namespace: *context.namespace | string
    cluster: *"" | string
   }
}

对应到当前这个场景就是:

  1. 读取指定集群(如:上海集群)中的 ImagePullJob 状态。
  2. 如果 ImagePullJob Ready,镜像已经预热完毕,则当前步骤成功,执行下一个步骤。
  3. 当 ImagePullJob Ready 后,清理集群中的 ImagePullJob。

通过这样自定义的方式,不过后续在运维场景下新增了多少 Region 的集群或是新类型的资源,都可以先将集群的 KubeConfig 纳管到 KubeVela Workflow 的管控中后,再使用已经定义好的步骤类型,通过传入不同的集群名或者资源类型,来达到一个简便版的 Kubernetes Operator Reconcile 的过程,从而极大地降低开发成本。

官方 deploy step 示例

import (
	"vela/op"
)
deploy: {
	alias: ""
	annotations: {}
	attributes: {}
	description: "A powerful and unified deploy step for components multi-cluster delivery with policies."
	labels: {}
	type: "workflow-step"
}

template: {
	deploy: op.#Deploy & {
		policies:                 parameter.policies
		parallelism:              parameter.parallelism
		ignoreTerraformComponent: parameter.ignoreTerraformComponent
	}
	parameter: {
		//+usage=If set to false, the workflow will suspend automatically before this step, default to be true.
		auto: *true | bool
		//+usage=Declare the policies that used for this deployment. If not specified, the components will be deployed to the hub cluster.
		policies?: [...string]
		//+usage=Maximum number of concurrent delivered components.
		parallelism: *5 | int
		//+usage=If set false, this step will apply the components with the terraform workload.
		ignoreTerraformComponent: *true | bool
	}
}

kubevela/pkg/providers 设计了一套机制,当workflow executor 执行deploy step时,executor.doSteps 首先从 template.deploy 的 #provider#do 中拿到 provider和 do,接着执行exec.Handle(…,provider,do) ==> handler := providers.GetHandler(provider,do);handler()。

// kubevela/pkg/stdlib/op.cue
#Deploy: multicluster.#Deploy
// kubevela/pkg/stdlib/pkgs/multicluster.cue
#Deploy: {
	#provider: "multicluster"
	#do:       "deploy"
	policies: [...string]
	parallelism:              int
	ignoreTerraformComponent: bool
}
// kubevela/pkg/workflow/providers/multicluster/multicluster.go
// Install register handlers to provider discover.
func Install(p wfTypes.Providers, c client.Client, app *v1beta1.Application, af *appfile.Appfile,...) {
	prd := &provider{Client: c, app: app, af: af, apply: apply, healthCheck: healthCheck, renderer: renderer}
	p.Register(ProviderName, map[string]wfTypes.Handler{
		"read-placement-decisions":              prd.ReadPlacementDecisions,
		"make-placement-decisions":              prd.MakePlacementDecisions,
		"patch-application":                     prd.PatchApplication,
		"list-clusters":                         prd.ListClusters,
		"get-placements-from-topology-policies": prd.GetPlacementsFromTopologyPolicies,
		"deploy":                                prd.Deploy,
	})
}

从效果看,根据 op.Deploy ==> multicluster.#Deploy 可以找到 kubevela/pkg/workflow/providers/multicluster/multicluster.go 的Deploy 方法。换句话说,workflow/provider 实现了一些通用的能力函数,加上stdlib 等机制,我们在workflowStep cue 模版中可以直接使用这些函数。

suspend step 示例

suspend: {
	alias: ""
	annotations: {}
	attributes: {}
	description: "Suspend the current workflow, it can be resumed by 'vela workflow resume' command."
	labels: {}
	type: "workflow-step"
}

template: parameter: {
	// +usage=Specify the wait duration time to resume workflow such as "30s", "1min" or "2m15s"
	duration?: string
}

provider 机制 (未完成)