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管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？

作者 | 汤志敏  阿里云容器服务高级技术专家

管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？
什么是海量 Kubernetes 集群管理？


大家可能之前看过一些分享，介绍了阿里巴巴如何管理单集群 1W 节点的最佳实践，管理大规模节点是一个很有意思的挑战。

不过这里讲的海量 Kubernetes 集群管理，会侧重讲如何管理超过 1W 个以上不同规格的 Kubernetes 集群。 根据我们和一些同行的沟通，往往一个企业内部只要管理几个到几十个 Kubernetes 集群，那么我们为什么需要考虑管理如此庞大数量的 Kubernetes 集群？


  • 得益于云原生时代的发展，越来越多的企业拥抱 Kubernetes，Kubernetes 已经逐渐成为云原生时代的基础设施，成为 platform of platform；


  • 另一方面是业务需求，阿里云容器服务目前的支持覆盖了全球 20 个地域。


管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？


管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？

背景介绍

      管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？


首先我们一起来看下托管这些 Kubernetes 集群的痛点：

  • 集群种类不同： 有标准的、无服务器的、AI 的、裸金属的、边缘、Windows 等  Kubernetes 集群。 不同种类的集群参数、组件和托管要求不一样，并且需要支撑更多面向垂直场景的 Kubernetes；


  • 集群大小不一：每个集群规模大小不一，从几个节点到上万个节点，从几个 service 到几千个 service 等，需要能够支撑每年持续几倍集群数量的增长；


  • 集群安全合规： 分布在不同的地域和环境的 Kubernetes 集群，需要遵循不同的合规性要求。 比如欧洲的 Kubernetes 集群需要遵循欧盟的 GDPR 法案，在中国的金融业和政务云需要有额外的等级保护等要求；


  • 集群持续演进：需要能够持续的支持 Kubernetes 的新版本新特性演进。


管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？

设计目标


  • 支持单元化的分档管理、容量规划和水位管理；
  • 支持全球化的部署、发布、容灾和可观测性；
  • 支持柔性架构的可插拔、可定制、积木式的持续演进能力。

1. 支持单元化的分档管理、容量规划和水位管理


单元化


一般讲到单元化，大家都会联想到单机房容量不够或二地三中心灾备等场景。 那单元化和 Kubernetes 管理有什么关系？


对我们来说，一个地域（比如： 杭州）可能会管理几千个 Kubernetes，需要统一维护这些 Kubernetes 的集群生命周期管理。 作为一个 Kubernetes 专业团队，一个朴素的想法就是通过多个 Kubernetes 元集群来管理这些 guest K8s master。 而一个 Kubernetes 元集群的边界就是一个单元。


曾经我们经常听说某某机房光纤被挖断，某某机房电力因故障而导致服务中断，容器服务 ACK 在设计之初就支持了同城多活的架构形态，任何一个用户 Kubernetes 集群的 master 组件都会自动地分散在多个机房，不会因单机房问题而影响集群稳定性； 另外一个层面，同时要保证 master 组件间的通信稳定性，容器服务 ACK 在打散 master 时调度策略上也会尽量保证 master 组件间通信延迟在毫秒级。


分档化


大家都知道，Kubernetes 集群的 master 组件的负载主要与 Kubernetes 集群的节点规模、worker 侧的 controller 或 workload 等需要与 kube-apiserver 交互的组件数量和调用频率息息相关。

对于上万个 Kubernetes 集群，每个用户 Kubernetes 集群的规模和业务形态都千差万别，我们无法用一套标准配置来去管理所有的用户 Kubernetes 集群。


同时，从成本经济角度考虑，我们提供了一种更加灵活、更加智能的托管能力。 考虑到不同资源类型会对 master 产生不同的负载压力，因此我们需要为每类资源设置不同的因子，最终可归纳出一个计算范式，通过此范式可计算出每个用户 Kubernetes 集群 master 所适应的档位。

另外，我们也会基于已构建的 Kubernetes 统一监控平台实时指标来不断地优化和调整这些因素值和范式，从而可实现智能平滑换挡的能力。

管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？


容量规划


接下来我们看下 Kubernetes 元集群的容量模型，单个元集群到底能托管多少个用户 Kubernetes 集群的 master? 


  • 首先，要确认容器网络规划。 这里我们选择了阿里云自研的高性能容器网络 Terway, 一方面需要通过弹性网卡 ENI 打通用户 VPC 和托管 master 的网络，另一方面提供了高性能和丰富的安全策略；


  • 接下来，我们需要结合 VPC 内的 ip 资源，做网段的规划，分别提供给 node、pod 和 service。


  • 最后，我们会结合统计规律，结合成本、密度、性能、资源配额、档位配比等多种因素的综合考量，设计每个元集群单元中部署的不同档位的 guest  Kubernetes 的个数，并预留 40% 的水位。


2. 支持全球化的部署、发布、容灾和可观测性


容器服务已经在全球 20 个地域支持，我们提供了完全自动化的部署、发布、容灾和可观测性能力，接下来将重点介绍全球化跨数据中心的可观测。


全球跨数据中心的可观测性


全球化布局的大型集群的可观测性，对于 Kubernetes 集群的日常保障至关重要。 如何在纷繁复杂的网络环境下高效、合理、安全、可扩展的采集各个数据中心中目标集群的实时状态指标，是可观测性设计的关键与核心。


我们需要兼顾区域化数据中心、单元化集群范围内可观测性数据的收集，以及全局视图的可观测性和可视化。

基于这种设计理念和客观需求，全球化可观测性必须使用多级联合方式，也就是边缘层的可观测性实现下沉到需要观测的集群内部，中间层的可观测性用于在若干区域内实现监控数据的汇聚，中心层可观测性进行汇聚、形成全局化视图以及告警。


这样设计的好处在于可以灵活地在每一级别层内进行扩展以及调整，适合于不断增长的集群规模，相应的其他级别只需调整参数，层次结构清晰； 网络结构简单，可以实现内网数据穿透到公网并汇聚。


针对该全球化布局的大型集群的监控系统设计，对于保障集群的高效运转至关重要，我们的设计理念是在全球范围内将各个数据中心的数据实时收集并聚合，实现全局视图查看和数据可视化，以及故障定位、告警通知。


进入云原生时代，Prometheus 作为 CNCF 第二个毕业的项目，天生适用于容器场景，Prometheus 与 Kubernetes 结合一起，实现服务发现和对动态调度服务的监控，在各种监控方案中具有很大的优势，实际上已经成为容器监控方案的标准，所以我们也选择了 Prometheus 作为方案的基础。


针对每个集群，需要采集的主要指标类别包括：

  • OS 指标，例如节点资源（CPU, 内存，磁盘等）水位以及网络吞吐；
  • 元集群以及用户集群 Kubernetes master 指标，例如 kube-apiserver, kube-controller-manager, kube-scheduler 等指标；
  • Kubernetes 组件（kubernetes-state-metrics，cadvisor）采集的关于 Kubernetes 集群状态；
  • etcd 指标，例如 etcd 写磁盘时间，DB size，Peer 之间吞吐量等等。

当全局数据聚合后，AlertManager 对接中心 Prometheus，驱动各种不同的告警通知行为，例如钉钉、邮件、短信等方式。


监控告警架构


为了合理地将监控压力负担分到多个层次的 Prometheus 并实现全局聚合，我们使用了联邦 Federation 的功能。 在联邦集群中，每个数据中心部署单独的 Prometheus，用于采集当前数据中心监控数据，并由一个中心的 Prometheus 负责聚合多个数据中心的监控数据。


基于 Federation 的功能，我们设计的全球监控架构图如下，包括监控体系、告警体系和展示体系三部分。


监控体系按照从元集群监控向中心监控汇聚的角度，呈现为树形结构，可以分为三层：

  • 边缘 Prometheus

为了有效监控元集群 Kubernetes 和用户集群 Kubernetes 的指标、避免网络配置的复杂性，将 Prometheus 下沉到每个元集群内。

  • 级联 Prometheus

级联 Prometheus 的作用在于汇聚多个区域的监控数据。 级联 Prometheus 存在于每个大区域，例如中国区、欧洲区、美洲区、亚洲区。 每个大区域内包含若干个具体的区域，例如北京、上海、东京等。

随着每个大区域内集群规模的增长，大区域可以拆分成多个新的大区域，并始终维持每个大区域内有一个级联 Prometheus，通过这种策略可以实现灵活的架构扩展和演进。

  • 中心 Prometheus

中心 Prometheus 用于连接所有的级联 Prometheus，实现最终的数据聚合、全局视图和告警。 为提高可靠性，中心 Prometheus 使用双活架构，也就是在不同可用区布置两个 Prometheus 中心节点，都连接相同的下一级 Prometheus。


管理上万个Kubernetes集群的系统怎么设计？


优化策略


  • 监控数据流量与 API server 流量分离

A PI server 的代理功能可以使得 Kubernetes 集群外通过 API server 访问集群内的 Pod、Node 或者 Service。



常用的透传 Kubernetes 集群内 Prometheus 指标到集群外的方式是通过 API server 代理功能，优点是可以重用 API server 的 6443 端口对外开放数据，管理简便； 缺点也明显，增加了 API server 的负载压力。


如果使用 API Server 代理模式，考虑到客户集群以及节点都会随着售卖而不断扩大，对 API server 的压力也越来越大并增加了潜在的风险。

对此，针对边缘 Prometheus 增加了 LoadBalancer 类型的 service，监控流量完全 LoadBalancer，实现流量分离。 即便监控的对象持续增加，也保证了 API server 不会因此增加 Proxy 功能的开销。


  • 收集指定 Metric


在中心 Prometheus 只收集需要使用的指标，一定不能全量抓取，否则会造成网络传输压力过大丢失数据。


  • Label 管理


Label 用于在级联 Prometheus 上标记 region 和元集群，所以在中心 Prometheus 汇聚是可以定位到元集群的颗粒度。 同时，尽量减少不必要的 label，实现数据节省。


3. 支持柔性架构的可插拔、可定制、积木式的持续演进能力


前面两部分简要描述了如何管理海量 Kubernetes 集群的一些思考，然而光做到全球化、单元化的管理还远远不够。 Kubernetes 能够成功，包含了声明式的定义、高度活跃的社区、良好的架构抽象等因素，Kubernetes 已经成为云原生时代的 Linux。


我们必须要考虑 Kubernetes 版本的持续迭代和 CVE 漏洞的修复，必须要考虑 Kubernetes 相关组件的持续更新，无论是 CSI、CNI、Device Plugin 还是 Scheduler Plugin 等等。因此还需要有 完整的集群和组件持续升级、灰度、暂停等能力。

总结


随着云计算的发展，以 Kubernetes 为基础的云原生技术持续推动行业进行数字化转型。 在去年的 双11 中，阿里云设计的这一套管理上万个Kubernetes集群的方案在各个场景为 双11 做出贡献，支撑了阿里巴巴内部核心系统容器化上云，支撑了阿里云微服务引擎 MSE、视频云、CDN 等云产品，也支撑了 双11 的生态公司和 ISV 公司，包括聚石塔电商云、菜鸟物流云、东南亚的支付系统等。


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