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深度解读 OpenYurt:从边缘自治看 YurtHub 的扩展能力

头图.png

作者 | 新胜  阿里云技术专家

导读:OpenYurt 开源两周以来,以非侵入式的架构设计融合云原生和边缘计算两大领域,引起了不少行业内同学的关注。阿里云推出开源项目 OpenYurt,一方面是把阿里云在云原生边缘计算领域的经验回馈给开源社区,另一方面也希望加速云计算向边缘延伸的进程,并和社区共同探讨未来云原生边缘计算架构的统一标准。为了更好地向社区和用户介绍 OpenYurt,我们特地推出【深度解读OpenYurt】系列文章,本文为系列文章的第三篇,一一介绍了 OpenYurt 中组件 YurtHub 的扩展能力。

系列文章推荐:

OpenYurt 介绍

阿里云边缘容器服务上线 1 年后,正式开源了云原生边缘计算解决方案 OpenYurt,跟其他开源的容器化边缘计算方案的区别在于:OpenYurt 秉持 Extending your native Kubernetes to edge 的理念,对 Kubernetes 系统零修改,并提供一键式转换原生 Kubernetes 为 openyurt,让原生 K8s 集群具备边缘集群能力。

同时随着 OpenYurt 的持续演进,也一定会继续保持如下发展理念:

  • 非侵入式增强 K8s
  • 保持和云原生社区主流技术同步演进

YurtHub 架构说明

在上篇文章中,我们介绍了 OpenYurt 的边缘自治能力,重点解读了其中的组件 YurtHub。其架构图如下:

1.png

同时在介绍 YurtHub 的优势中我们提到 与 Kubernetes 设计理念契合,YurtHub 非常容易扩展出更多的能力。具体在 YurtHub 扩展出了什么能力呢?接下来我们将一一展开介绍。

YurtHub 的扩展能力

1. 边缘网络自治

首先介绍一下何谓边缘网络自治:即在边缘和云端网络断连时,不管时业务容器重启,或是边缘节点重启等,边缘业务的跨节点通信可以持续工作或是自动恢复。

在 OpenYurt 中,实现边缘网络自治需要解决如下的问题(以 flannel vxlan overlay 网络为例):

  • 问题 1: 节点上的网络配置可以自治,kube-proxy 的 iptables/ipvs 规则,flannel 的 fdb/arp/route 配置,coredns 的域名解析等网络配置,在节点重启后可以自动恢复,否则边缘跨节点通信将无法持续;
  • 问题 2: 业务容器 IP 保持不变,因为和云端网络断连状态下容器 IP 变化将无法通知到其他节点;
  • 问题 3: vtep(vxlan tunnel endpoint) 的 mac 地址保持不变,原因和容器 IP 保持不变类似。

从问题 1 可以看出,必须解决 kube-proxy/flannel/coredns 等组件的自治,才能实现网络配置的自治。如果之前边缘自治是采用重构 kubelet 来实现的话,要实现边缘网络自治就会碰到很大的麻烦,如果强行把重构的 kubelet 自治能力移植到各个网络组件 (kube-proxy/flannel/coredns),也对整个架构将是噩梦。

在 OpenYurt 中因为 YurtHub 的独立性,kube-proxy/flannel/coredns 等网络组件轻松使用 YurtHub 来实现网络配置的自治能力。因为 YurtHub 缓存了 service 等网络配置资源在 local storage,即使断网并且节点重启,网络组件仍然可以获得断网前的 object 状态以及相应的配置信息。如下图所示:

2.png

问题 2,3 和 Kubernetes core 无关,主要涉及到 cni 插件和 flanneld 的增强,后续文章中再详细介绍。

2. 多云端地址支持

公有云上的 Kubernetes 高可用部署时,多实例 kube-apiserver 前面一般都挂了一个 SLB,但是在专有云场景下或者边缘计算场景下,节点需要通过多个云端地址来访问。比如:

  • 专有云场景:因为没有 SLB 服务,用户需要需要在云端通过 VIP 方式来自行实现 kube-apiserver 的负载均衡,或者像 kubespray 那样在每个节点上部署一个 nginx 来实现多云端地址的访问;
  • 边缘计算场景: 考虑到边缘和云端之间网络的稳定性和安全性要求,某些场景下用户也通过专线和公网两种方式和云端通信,比如优先采用专线,当专线故障时能自动切换到公网通信。

YurtHub 正式考虑到了上述的需求,支持多云端地址访问。云端地址的负载均衡模式可以选择:

  • rr(round-robin): 轮转模式,默认选择该模式;
  • priority: 优先级模式,高优先级地址故障后才使用低优先级地址。

具体可以参照 YurtHub 的 LB 模块,如下图所示:

3.png

3. 节点维度的云端流控

对于一个分布式系统来说,流控都是一个无法回避的问题。原生 Kubernetes 从集群视角在 kube-apiserver 中以及从访问者视角在 client-go 库中封装了流量管控,在边缘计算场景下,client-go 的流量管控既分散又对业务有一定侵入,显然不能很好的解决流控问题。

YurtHub 在边缘可以接管不论是系统组件还是业务容器对云端访问的流量,可以很好的解决节点维度的云端流控问题。目前 YurtHub 的流控配置是:单节点上对云端的并发请求数超过 250 个时,将拒绝新的请求。

4. 节点证书轮换管理

Kubernetes 已经支持节点证书自动轮换,即当节点证书快过期前,kubelet 会自动向云端申请新的节点证书。但是在边缘计算场景下,很有可能因为边缘和云端网络的断连,造成 kubelet 将无法完成证书的轮换。证书过期后即使和云端网络连接恢复,节点证书也可能无法自动轮换,并造成 kubelet 的频繁重启。

YurtHub 在接管节点和云端通信流量时,同时也可以接管节点的证书管理。这样既解决了各类安装工具对节点证书的管理的不一致,也解决了证书过期后网络再恢复时的证书轮换问题。另外目前 YurtHub 还是 kubelet 共享节点证书,YurtHub 的独立节点证书管理功能将在近期开源。

5. 其他

YurtHub 除了前面介绍的扩展能力,还有很多有价值的能力,在此也简单介绍:

  • 节点多租隔离管理:在具备多租隔离能力的 Kubernetes 集群中,假定节点归属于某个租户,那么 YurtHub 将可以确保节点上所有云端请求都只返回节点所属租户的资源。比如说 list service 将只返回该租户的 service。而这种多租隔离能力不需要其他组件做任何修改。当然如果要实现集群内的多租隔离,需要配合相应的多组 CRD 等,详细可以参照项目 kubernetes-sigs/multi-tenancy
  • 集群间节点迁移:某些场景下,边缘节点需要从集群 A 迁移到集群 B,常规操作是先从集群 A 下线,然后再次接入集群 B,最后在集群 B 部署节点上的应用。因为 YurtHub 对节点流量以及节点证书的接管,可以直接对 YurtHub 注入集群B的信息,让节点无损迁移到集群 B;
  • 通过域名访问云端 kube-apiserver 等等一些其他功能。

总结

  • 通过上述的扩展能力可以看出,YurtHub 不仅仅是边缘节点上的带有数据缓存能力的反向代理。而是对 Kubernetes 节点应用生命周期管理加了一层新的封装,提供边缘计算所需要的核心管控能力;
  • YurtHub 不仅仅适用于边缘计算场景,其实可以作为节点侧的一个常备组件,适用于使用 Kubernetes 的任意场景。相信这也会驱动 YurtHub 向更高性能,更高稳定性发展。

参考链接

OpenYurt 项目地址:https://github.com/alibaba/openyurt,欢迎大家参与共建!有疑问可加入钉钉交流群:31993519

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