如何在生產環境構建K8S

這篇文章給大家介紹如何在生產環境構建K8S，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

在分布式系統上管理服務是運維團隊面臨的最困難的問題之一。在生產中突破新軟件并學習如何可靠地運營是非常重要的。本文是一則實例，講述為什么學習運營Kubernetes很重要，以及為什么很難。下面是關于Kubernetes bug導致的一小時中斷故障的事后剖析。

為什么選擇在Kubernetes之上構建？如何將Kubernetes集成到現有基礎設施中？小編給出的方法是建立 (和改進) 對Kubernetes集群的可靠性的信任，以及構建在Kubernetes之上的抽象。

我們最近在Kubernetes之上構建了一個分布式的cron作業調度系統，這是一個令人興奮的容器編排的新平臺。Kubernetes現在非常流行，并且有許多令人興奮的承諾：最令人興奮的是，程序員不需要知道或關心他們的應用程序運行的是什么機器。

什么是Kubernetes?

Kubernetes是一個分布式系統，用于調度程序在集群中運行。你可以告訴Kubernetes運行一個程序的5個副本，它將在工作節點上動態調度它們。容器自動調度以增加利用率，節省資金，強大的deployment primitives允許逐步推出新的代碼，安全上下文和網絡策略允許企業以安全的方式運行多租戶的工作負載。

Kubernetes有很多不同類型的調度能力。它可以調度長時間運行的HTTP服務、在集群中每臺機器上運行的daemonsets、每小時運行的cron作業等等。

為什么是Kubernetes?

每個基礎設施項目都是從業務需求開始的，我們的目標是提高現有分布式cron作業系統的可靠性和安全性。我們的要求是:

• 建立和運營一支小團隊(只有2人在項目中全職工作)。

• 在20臺機器上可靠地安排大約500個不同的cron作業。

我們決定在Kubernetes之上建立的幾個原因:

• 希望構建一個現有的開源項目。

• kubernetes包含一個分布式cron作業調度器，不必自己編寫。

• kubernetes是一個非常活躍的項目，經常接受捐贈。

• kubernetes是用Go寫的，很容易學。幾乎所有Kubernetes的bug都是由團隊中沒有經驗的程序員做的。

如果我們能夠成功地運營Kubernetes，可以在未來的Kubernetes上構建，例如，目前正在開發基于kubernet的系統來訓練機器學習模型。

我們以前使用Chronos作為cron作業調度系統,但它不再是滿足可靠性要求,而且大部分都沒有維護(在過去9個月中1次提交, 最后一次合并請求的時間是2016年3月）)Chronos未維護的,我們認為不值得繼續投資改善現有的集群。

如果你正考慮Kubernetes，請記住:不要僅僅因為其他公司在使用Kubernetes而使用它。建立一個可靠的集群需要花費大量的時間，使用它的業務案例并不是很突出。把你的時間用在聰明的方法上。

可靠性是什么意思?

說到運營服務，“可靠”這個詞本身并沒有什么意義。要討論可靠性，首先需要建立一個SLO(服務級別目標)。

我們有三個主要目標：

• 99.99%的cron作業應該在預定運行時間的20分鐘內開始運行。20分鐘是一個很寬的窗口，但是我們采訪了內部客戶，沒有人要求更高的精確度。

• Jobs應該運行99.99%的時間(不被終止)。

• 向Kubernetes的遷移不會導致任何面向客戶的事件。

這意味著:

• Kubernetes API的短暫停機時間是可以接受的(如果停機10分鐘，只要在5分鐘內恢復即可)。

• 調度錯誤(cron作業運行完全丟失并且根本無法運行)是不可接受的。我們非常重視安排錯誤報告。

• 要謹慎對待pod evictions 和安全終止實例，以免作業過于頻繁地終止。

• 需要一個好的遷移計劃。

建立一個Kubernetes集群

我們建立第一個Kubernetes集群的基本方法是從零開始構建集群，而不是使用kubeadm或kops之類的工具。使用Puppet（常用的配置管理工具）調配了配置。從頭開始構建很好，原因有兩個：能夠深入地集成Kubernetes在架構中，并且深入理解其內部。

我們希望將Kubernetes整合到現有的基礎架構中。與現有系統無縫集成，以便進行日志記錄，證書管理，加密，網絡安全，監控，AWS實例管理，部署，數據庫代理，內部DNS服務器，配置管理以及更多。整合所有這些系統有時需要一點創造力，但總體上比試圖讓kubeadm / kops成為我們想要的更容易。

在信任并了解如何操作這些現有系統后，我們希望繼續在新的Kubernetes群集中使用。例如，安全證書管理是一個非常棘手的問題，已經有辦法頒發和管理證書。通過適當的整合，我們避免了為Kubernetes創建新的CA。

準確了解設置的參數是如何影響Kubernetes設置的。例如，在配置用于身份驗證的證書/CAs時，使用了超過12個參數。了解這些參數有助于在遇到身份驗證問題時更容易調試設置。

對Kubernetes建立信心

在Kubernetes之初，團隊中沒有人使用過Kubernetes。如何從“沒有人用過Kubernetes”到“我們有信心在生產中運行Kubernetes”?

戰略0：與其他公司交談

我們向其他公司詢問了Kubernetes的經歷。 他們都以不同的方式或在不同的環境中使用Kubernetes（運行HTTP服務，裸機，Google Kubernetes引擎等）。

在談到Kubernetes這樣龐大而復雜的系統時，重要的是認真思考自己的用例，做自己的實驗，建立對自己環境的信心，并做出決定。 例如，你不該讀這篇博客文章并得出結論：“Stripe正在成功使用Kubernetes，所以它也適用于我們！”

以下是我們在與幾家運營Kubernetes集群的公司溝通后后學到的：

• 優先考慮企業etcd集群的可靠性（etcd是存儲所有Kubernetes集群狀態的地方）。

• 某些Kubernetes功能比其他功能更穩定，因此請小心Alpha功能。一些公司只有在穩定后才能使用穩定特性（例如，如果某個功能在1.8版本中保持穩定，則在使用它之前會等待1.9或1.10）。

• 考慮使用托管的Kubernetes系統，如GKE / AKS / EKS。從頭開始建立高可用性Kubernetes系統是一項巨大的工作。 AWS在此項目中沒有托管的Kubernetes服務，所以這不適合我們。

• 注意由覆蓋網絡/軟件定義網絡引入的額外網絡延遲。

策略1:閱讀代碼。

我們計劃很大程度上依賴于Kubernetes的一個組件，即cronjob控制器。這個組件當時處于alpha階段，這讓我們有點擔心。我們在一個測試集群中嘗試了它，但是如何判斷它在生產中是否適合我們呢?

值得慶幸的是，所有cronjob控制器的核心功能只有400行Go。通過源代碼快速讀取顯示：

• cron作業控制器是一個無狀態的服務(與其他Kubernetes組件一樣，除了etcd)。

• 每10秒鐘，這個控制器調用syncAll函數：go wait.Until（jm.syncAll，10 * time.Second，stopCh）

• syncAll函數從Kubernetes API中獲取所有cron作業，遍歷該列表，確定下一步應該運行哪些作業，然后啟動這些作業。

核心邏輯似乎相對容易理解。更重要的是，如果在這個控制器中有一個bug，它可能是我們可以修復的東西。

策略2:做負載測試

在開始認真構建集群之前，我們做了一些負載測試。我們并不擔心Kubernetes集群能夠處理多少節點(計劃部署大約20個節點)，但是確實想讓某些Kubernetes能夠處理我們希望運行的那么多的cron作業(大約每分鐘50個)。

在一個3節點集群中運行了測試，創建了1000個cron作業，每個任務每分鐘運行一次。這些工作中的每一個都簡單地運行bash -c 'echo hello world'。我們選擇簡單的作業，是因為希望測試集群的調度和編排能力，而不是集群的總計算能力。

測試集群無法處理每分鐘1000個cron作業。每個節點每秒最多只能啟動一個pod，而集群能夠每分鐘運行200個cron作業。由于我們只希望每分鐘運行大約50個cron作業，所以我們認為這些限制不是阻礙因素。

策略3:優先構建和測試高可用性etcd集群。

在設置Kubernetes時，最重要的事情之一就是運行etcd。Etcd是Kubernetes集群的核心，它是存儲集群中所有數據的地方。除了etcd之外，其他一切都是無狀態的。如果etcd沒有運行，不能對Kubernetes集群進行任何更改(盡管現有的服務將繼續運行!)

這張圖顯示了etcd是Kubernetes集群的核心——API服務器是etcd前面的無狀態REST/認證端點，然后其他組件通過API服務器與etcd對話。 在運行時，有兩個要點需要牢記：

• 設置復制,這樣集群不會死如果你失去了一個節點。我們現在有三個etcd副本。

• 確保足夠的I / O帶寬。我們的etcd版本有一個問題，一個具有高fsync延遲的節點可能觸發連續的leader elections，導致集群無法使用。通過確保所有節點的I/O帶寬都比etcd的寫入數量多，從而彌補了這一點。

設置復制不是一個設置-忘記操作。我們仔細地測試后發現可能會丟失一個etcd節點，并且集群優雅地恢復了。

以下是為建立etcd集群所做的一些工作:

• 設置復制

• 監控etcd服務是可用的

• 寫一些簡單的工具,以便輕松創建新的etcd節點，并加入到集群當中

• 編寫一些簡單的工具，以便我們可以輕松創建新的etcd節點并將它們加入到群集中

• 補丁etcd的高集成,這樣我們可以在生產環境中運行超過1個 etcd集群

• 測試從一個etcd備份中恢復

• 測試可以在不停機情況下重建整個集群

很高興很早就做了這個測試。某個周五的早晨，在我們的生產集群中，一個etcd節點停止了對ping的響應。我們得到了警報，終止了節點，帶來了一個新的節點，加入到集群中，同時Kubernetes繼續運行。

策略4：逐步將工作遷移到Kubernetes

我們的目標之一是將工作遷移到Kubernetes而不造成任何中斷。成功進行生產遷移的秘訣不是避免犯錯（這是不可能的），而是設計你的遷移以減少錯誤的影響。

我們很幸運有多種職位可以遷移到新集群，所以可以遷移一些低影響的工作崗位，接受一兩次失敗。

在開始遷移之前，構建了易于使用的工具，如果有必要，可以在不到五分鐘的時間內在舊系統和新系統之間來回移動作業。這種簡單的工具減少了錯誤的影響 - 如果遷移一個沒有計劃的依賴的工作，沒有什么大不了的！可以將其移回原處，解決問題，然后再試。

以下是我們采用的整體遷移策略：

• 根據他們的重要程度大致排序

• 將一些重復的工作遷移到Kubernetes。如果發現新的情況，快速回滾，修復問題，然后重試。

策略5:調查 Kubernetes bug 并修復它們

我們在項目開始時制定了一個規則:如果Kubernetes做了一些意外的事情，必須調查，找出原因，并提出補救措施。

調查每個問題都很耗時，但很重要。如果只是簡單地將Kubernetes的”古怪行為”看作是復雜的分布式系統的功能，我們擔心，因為它們會被調用導致產生bug集群。

在使用了這種方法之后，我們發現并且修復了Kubernetes的幾個bug。

以下是測試中發現的一些問題:

• 名稱超過52個字符的Cronjob無法安排作業。

• Pods有時會永遠停留在掛起狀態。

• 調度程序會每3個小時崩潰一次。

• Flannel的hostgw后端沒有替換過時的路由表項

修復這些bug讓我們對Kubernetes項目的使用感覺好得多——不僅它運行得比較好，而且也接受補丁并有一個良好的PR審查過程。

Kubernetes有bug，像所有的軟件一樣。特別是，我們非常頻繁地使用調度器(cron作業總是在創建新的pods)，而調度器使用緩存有時會導致bug、回退和崩潰。緩存是困難的!但是代碼庫是可接近的，我們已經能夠處理遇到的bug。

值得一提的是，Kubernetes的pod驅逐邏輯。Kubernetes有一個稱為節點控制器的組件，它負責將pod驅逐出去，如果節點沒有響應，則將它們移到另一個節點。allnodes會暫時無響應(例如，由于網絡或配置問題)，在這種情況下，Kubernetes可以終止集群中的所有pod。

如果運行的是大型Kubernetes集群，請仔細閱讀節點控制器文檔，仔細地考慮設置，并進行廣泛測試。每次通過創建網絡分區測試對這些設置的配置更改(例如，pod-驅逐超時)，就會發生令人驚訝的事情。最好在測試中發現這些意外，而不是在生產中發現。

策略6：有意引起Kubernetes集群問題

之前討論過在Stripe中進行游戲日練習。這個想法是要想出你最終會在生產中發生的情況，然后在生產中故意造成這些情況，從而確保能夠處理它們。

在集群上進行了幾次練習之后，經常發現諸如監視或配置錯誤等問題。很高興在早期發現這些問題，而不是六個月后突然發現。

以下是運行的一些比賽日練習：

• 終止Kubernetes API服務器

• 終止所有Kubernetes API服務器并將其恢復（這非常有效）

• 終止etcd節點

• 從API服務器中關閉Kubernetes集群中的工作節點（以便它們無法通信）。這導致節點上的所有pods被遷移到其他節點。

很高興看到Kubernetes如何應對我們投入的大量干擾。 Kubernetes的設計是為了適應錯誤 - 它有存儲所有狀態的etcd集群，一個只是該數據庫的REST接口的API服務器，以及一個協調所有集群管理的無狀態控制器集合。

如果任何Kubernetes核心組件（API服務器，控制器管理器或調度程序）被中斷或重新啟動，一旦它們出現，它們將從etcd讀取相關狀態并繼續無縫運行。這是我們希望的事情之一，而且在實踐中實際運作良好。

以下是測試中發現的一些問題：

• “沒有得到paged，來修復監控。“

• “當銷毀API服務器實例并將其恢復后，需要人工干預。最好解決這個問題。“

• “有時執行etcd故障轉移時，API服務器會啟動超時請求，直至重新啟動。”

   

在運行這些測試后，針對發現的問題開發了補救措施：改進了監控，發現了固定配置問題，并提交了Kubernetes bug。

使cron作業易于使用

簡單地探討一下我們是如何使基于kubernetes的系統易于使用的。

最初的目標是設計一個運行cron作業的系統，團隊有信心運營和維護。一旦建立了對Kubernetes的信心，就需要工程師們輕松地配置和增加新的cron作業。我們開發了一個簡單的YAML配置格式，這樣用戶就不需要了解Kubernetes的內部結構來使用這個系統。這是我們開發的格式:

name: job-name-here

kubernetes:

  schedule: '15 */2 * * *'

command:

- ruby

- "/path/to/script.rb"

resources:

  requests:

    cpu: 0.1

    memory: 128M

  limits:

    memory: 1024M

沒有做什么特別的事情——我們編寫了一個簡單的程序，將這種格式轉換為Kubernetes cron作業配置，將其應用于kubectl。

我們還編寫了一個測試套件，以確保作業名稱不會太長，并且所有名稱都是惟一的。我們目前不使用cgroups來強化對大多數作業的內存限制，但計劃將來推出。

我們的簡單格式易于使用，而且由于自動生成了來自相同格式的Chronos和Kubernetes cron作業定義，所以在兩個系統之間遷移作業非常簡單。這是使我們的增量遷移工作良好的關鍵部分。將作業遷移到Kubernetes時，可以用一個簡單的三行配置更改，在不到十分鐘的時間內將其移回。

監控Kubernetes

監測Kubernetes集群的內部狀態非常令人愉悅。我們使用kube-state-metrics軟件包進行監測，并使用一個名為veneurl - Prometheus的小型Go程序來獲取Prometheus的度量標準，將它們作為statsd指標發布到我們的監控系統中。

例如，以下是過去一小時內集群中未決Pod的數量圖表。Pending意味著等待分配一個工作節點來運行。可以看到上午11點的數字峰值，很多cron作業在每小時的第0分鐘運行。

還有一個監視器，用于檢查有沒有任何Pod在Pending狀態中卡住 - 每個Pod在5分鐘內開始在worker節點上運行，否則會收到警報。

Kubernetes未來計劃

設置Kubernetes，到順暢地運行生產代碼并將所有cron作業遷移到新集群，花了五個月的時間，三位工程師全職工作。我們投資學習Kubernetes的一個重要原因是希望能夠在Stripe中更廣泛地使用Kubernetes。

以下是適用于運行Kubernetes（或任何其他復雜分布式系統）的原則：

• 為企業的Kubernetes項目，以及所有基礎設施項目，定義清晰的商業原因。了解業務案例和用戶的需求使項目變得更加容易。

• 積極削減范圍。避免使用許多Kubernetes的基本特性來簡化集群。這讓我們可以更快速地發送消息，例如，由于pod-to-pod聯網不是我們項目的必需條件，可以關閉節點之間的所有網絡連接，并將Kubernetes的網絡安全性推遲。

花大量時間學習如何正確地運營Kubernetes集群。仔細測試邊界情況。分布式系統非常復雜，有很多潛在的問題。以前面的例子為例:如果節點控制器由于配置與API服務器失去聯系，那么它可以殺死集群中的所有pods。學習Kubernetes在每次配置更改后的表現如何，需要時間和精心的關注。

通過專注于這些原則，我們已經有信心在生產中使用Kubernetes。我們將繼續開發Kubernetes的使用，例如，我們正在關注AWS EKS的發布。我們正在完成另一個系統的工作，訓練機器學習模型，并且正在探索將一些HTTP服務遷移到Kubernetes。隨著我們繼續在生產中運行Kubernetes時，我們計劃對開源項目做出貢獻。

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