从 lite-apiserver 看 SuperEdge 边缘节点自治

腾讯云原生

引言

在 SuperEdge 0.2.0版本中,lite-apiserver 进行了重大的架构升级和功能增强。本文将从 lite-apiserver 实现及其与其它 SuperEdge 组件协同的角度,分析 SuperEdge 的边缘自治能力,给大家的研究和选型提供参考。

边缘节点自治

在云边协同的边缘计算场景中,边缘节点通过公网与云端连接。边缘节点众多,网络环境复杂,网络质量参差不齐。边缘节点需要与云端弱网或断网情况下,继续正常工作,已运行的业务不受影响,达到边缘节点自治的目的。 为了实现边缘节点自治,需要处理以下场景:

  1. 边缘节点与云端断连,但是它本身正常,上面运行的业务容器应该不被驱逐,也没有新的业务容器调度到该节点上

  2. 边缘节点与云端断连时,边缘节点上的 Kubernetes 组件和业务容器可继续运行

  3. 边缘节点与云端断连时,边缘节点重启后,节点上的 Kubernetes 组件和业务容器可运行

  4. 边缘节点与云端恢复后,边缘节点上的数据与云端保持一致

SuperEdge 使用分布式节点健康检查组件 edge-health 来处理场景1,使用 lite-apiserver 来应对场景2、3、4。

lite-apiserver 是运行在边缘节点上的轻量级 apiserver,它代理节点上所有组件和业务容器访问云端 kube-apiserver 的请求,并对请求结果做高效缓存。在云边断连的情况下,利用这些缓存提供服务,实现边缘自治的能力。

lite-apiserver 设计特性

lite-apiserver除了满足边缘节点自治的功能需求外,还需要满足以下设计特性:

支持所有 Client 类型

作为边缘节点上访问云端 kube-apiserver 的唯一“出口”,lite-apiserver 需要支持所有类型的 Client ,包括以 bin (如 kubelet 等)或 pod (如 flannelkube-proxy 等)形式运行的 Kubernetes 组件,以及以 InCluster 方式访问 kube-apiserver 的业务容器。 更进一步,如果边缘节点网络环境特殊,需要以代理等方式才能访问云端 kube-apiserver时,只用给 lite-apiserver 设置代理,所有组件即可正常访问云端 kube-apiserver,不需要每个组件做单独的配置。

支持缓存所有类型资源

支持缓存所有类型资源,Kubernetes 内置资源和 Custom Resources。 边缘节点上运行的 Kubernetes 组件和业务容器的请求 kube-apiserver 的资源多样,如果只缓存部分资源类型或仅支持 Kubernetes 内置资源类型,在云边断连时,可能因为读取不到对应的缓存导致组件或业务失败,达不到边缘节点自治的效果。当然,支持所有类型资源的缓存(尤其是 Custom Resources ),也给数据的解析和处理带来了不小挑战。

安全

边缘节点分布广泛,环境复杂,更容易造成安全风险。安全问题也在边缘计算和 Kubernetes 管理中越来越受重视。 给 lite-apiserver赋予一个访问权限,其代理的所有请求扔掉自身的权限方式,都使用 lite-apiserver 的权限访问云端的 kube-apiserver,是一种常见的访问控制方案。由于 lite-apiserver 需要访问和处理所有类型的资源,则该权限必然是一个“超级”权限。在这种情形下,某一个边缘节点上的恶意程序就可以通过 lite-apiserver 对集群的所有资源进行操作,可能对整个集群进行恶意破坏。 因此,从安全角度,lite-apiserver 从设计上不应拥有一个“超级”权限,可以使用 Kubernetes 组件和业务容器原有的认证和鉴权方式,访问云端 kube-apiserver。

支持多种缓存存储

根据 IDC 对边缘计算分层的定义,边缘分为 Heavy Edge(边缘数据中心)和 Light Edge(低功耗计算平台)。针对不同的场景,lite-apiserver 可以采用不同的缓存存储策略来达到更优的效果。在 Light Edge 中,lite-apiserver 使用文件存储缓存以降低其本身的系统开销,提升通用性。在 Heavy Edge 中,lite-apiserver 可采用 KV 存储等提升读写性能。

下面我们将从 lite-apiserver 的架构和关键技术方面,介绍其如何实现以上的功能需求和设计特性。

lite-apiserver 架构与关键技术

架构

lite-apiserver架构如图

从整体上看,lite-apiserver 启动一个 HTTPS Server 接受所有 Client 的请求(https request),并根据 request tls 证书中的 Common Name 选择对应的 ReverseProxy(如果 request 没有 mtls 证书,则使用 default),将 request 转发到 kube-apiserver。当云边网络正常时,将对应的返回结果(https response)返回给client,并按需将response异步存储到缓存中;当云边断连时,访问kube-apiserver超时,从缓存中获取已缓存的数据返回给client,达到边缘自治的目的。

  • HTTPS Server 监听 localhost 的端口(SurperEdge 中为51003)接受 Client 的 Https 请求。

  • Cert Mgr && Transport Mgr Cert Mgr 负责管理连接 kube-apiserver 的 TLS 客户端证书。它周期性加载配置的TLS证书,如果有更新,通知Transport Mgr创建或更新对应的transport。 Transport Mgr负责管理transport。它接收Cert Mgr的通知,创建新的transport,或者关闭证书已更新的transport的旧连接。

  • Proxy 根据 request mtls 证书中的 Common Name 选择对应的 ReverseProxy(如果 request 没有 mtls 证书,则使用 default),将 request 转发到 kube-apiserver。如果请求成功,则将结果直接给 Client 返回,并调用 Cache Mgr 缓存数据;如果请求失败,则从 Cache Mgr 中读取数据给 Client。

  • Cache Mgr 根据 Client 的类型分别缓存 Get 和 List 的结果数据,并根据 Watch 的返回值,更新对应的 List 数据。

关键技术

1. HTTPS Server

在当前架构下,lite-apiserver 只处理本节点的所有请求,使用 HTTP Server 可以满足性能和安全要求。然而,大部分组件和业务容器采用 client-go 库访问 kube-apiserver,如果使用 HTTP Server,Client 自己的认证和鉴权信息全部丢失,不符合权限管理的要求。因此必须采用 HTTPS Server。lite-apiserver 的 TLS Server 证书,需用 kube-apiserver 的 Server 证书相同的CA签发。

2. 支持 InCluster 方式访问

一般的 Client 通过指定 kube-apiserver 的 URL 访问 kube-apiserver,使用 lite-apiserver 时,只需将原来 kube-apiserver 的 URL 替换为 lite-apiserver 的地址即可。 在 Pod 中访问 kube-apiserver 的推荐方式是通过 kubernetes.default.svc 这个 DNS 名称,该名称将会解析为服务 IP,然后服务 IP 将会路由到 kube-apiserver。在这种场景下使用 lite-apiserver 需要一些小小的"魔法"。 在 SuperEdge 中,application-grid-wrapper 以 DaemonSet 的形式部署在每个边缘节点上,通过给 kube-proxy 只返回本区域内的 endpoints 来达到访问在区域内闭环的目的。利用这个特性,application-grid-wrapper 把 kubernetes 这个 Service 的 endpoint 改为 lite-apiserver 的地址, 返回给本节点 kube-proxy,即可支持 InCluster 方式访问。

3. 支持 Client 的 Bootstrap Token 和证书轮换

lite-apiserver 使用 Client 自己的认证和鉴权方式,访问云端的 kube-apiserver。对于 static token、bootstrap token、service account 等方式,lite-apiserver 只需透传 Http Request 的 Header 中包含的认证鉴权信息即可。对于 TLS 客户端证书的认证方式,lite-apiserver 通过读取配置文件,加载所有 Client 用到的 TLS 客户端证书,使用这些证书构造对应的 HTTPS 请求 kube-apiserver。 为了支持 Client 的 Bootstrap Token 和证书轮换,lite-apiserver 需要周期性的加载和更新这些证书。kube-controller-manager 签发的证书默认时间是1年,lite-apiserver 加载 TLS 客户端证书周期不宜过短。但如果证书加载周期时间过长,kubelet 使用 Bootstrap Token 的场景中会存在证书更新不及时的问题。为了处理这些场景,lite-apiserver 采用一种“优雅”的证书加载策略:当加载证书出现错误或证书过期时,进入快速加载模式,周期是1s; 加载证书均成功时,进入普通加载模式,周期是30min。 当证书更新后,lite-apiserver 使用 client-go 提供的closeAll方法,关闭已存在的连接,以防认证鉴权失败。

4. 缓存解析和更新

lite-apiserver 需要支持缓存所有类型的资源,缓存的解析和更新是 lite-apiserver 实现的关键之一。lite-apiserver 分别缓存每个 Client 的对资源的 Get 和 List 请求,这样虽然造成了一定的存储空间的浪费,但是也避免了复杂的资源版本转换。对于 Watch 类型的请求结果,lite-apiserver 采用unstructured.UnstructuredJSONScheme 解析出资源的 meta 信息,进而更新相应的 List 数据。

展望

SuperEdge 正式开源以来,得到了广泛的关注。SuperEdge 在快速迭代开发中,lite-apiserver 也有不少可扩展点,欢迎大家积极参与,共同打造一个优秀的云原生边缘容器项目。

  • 内存中缓存部分高频更新的资源,提升性能

  • 支持更多种类存储

  • 性能和内存优化,适应更广泛的边缘场景
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