混合多云场景下的 Kubernetes 多集群管理

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企业选择混合多云的驱动力

企业为什么要选择混合多云模式,其中比较主要的一个原因就是因为安全问题,这里我列举了一些国内外的安全事件,就一个发生比较近的事件来说,2021 年 3 月,欧洲云计算 OVH,位于法国的机房发生火灾,导致 350 万家网站下线,部分客户数据永久性丢失。最近国内也发生了数据泄露敏感事件,安全问题确实给企业带来麻烦,大家的解题答案惊人的一致:不能把鸡蛋放在一个篮子里,要将鸡蛋放到不同的篮子中,是驱动企业使用混合多云的根本原因。

云服务已经成为水电一样的基础设施,对于用户来说,一旦出现安全事件,将造成严重损失。

  • 2018 年 3 月,Facebook 数据泄露丑闻爆发,股价大跌 7%,市值蒸发 360 多亿美元。
  • 2020 年 2 月,万豪酒店 520 万客人信息被泄露。
  • 2020 年 2 月,微盟的“删库”事件,影响业务 136 小时,拖累微盟业绩,赔付总额达到 1.16 亿元,微盟股价累计跌幅超 20%。
  • 2020 年 5 月,泰国最大的移动运营商泄露 83 亿条用户数据记录。

对于云厂商来说,一旦出现问题,将影响到千万用户。

  • 2019 年 2 月,阿里云代码托管平台的项目权限设置仅仅因为有歧义,用户在上传代码时,可设置 private、internal 和 public。很多开发者以为选择“internal”,就是安全的,于是选了此选项。因此包含万科、咪咕音乐、51 信用卡等 40 家企业在内的 200 多个项目代码被泄露。
  • 2020 年 5 月,有黑客声称获取微软公司存储在 Github 私人仓库中的大量源代码片段,源码大小高达 63.2GB,涉及 Azure、Office 和 Windows。
  • 2021 年 3 月,欧洲云计算巨头 OVH 位于法国斯特拉斯堡的机房发生严重火灾,导致 350 万家网站下线,部分客户数据丢失无法恢复。

今年 2 月,Hashicorp 对 300,000 名 HashiCorp 邮件订阅用户进行了关于“云战略现状”的调查,最终收到了来自世界各地技术从业人员和技术决策者的 3,205 份回复。约 3/4 的调查受访者已经采用了多云架构(多个云,公有云或私有云)。预计两年后,几乎 90% 的企业都会采用多云架构。

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企业选择混合多云架构的原因:

  1. 基于自身安全的因素考虑
  2. 监管部门的要求
  3. 出于享受不同云厂商的服务特性
  4. 出于避免单一厂商绑定,优化成本原因
  5. 出于未来技术革新驱动力
  6. 企业自身的业务要求等因素

混合多云场景下 Kubernetes 多集群应用场景

云原生确实是最近比较热门的话题之一,广义云原生本身是一种方法论,因云而生的软件、硬件、架构,充分发挥云的优势和宏利而狭义的原生技术,代表容器、服务网格、微服务、不可变基础设施和声明式API。这些云原生技术推动了混合多云的发展速度,如使用 Kubernetes,可以让企业在混合多云场景下,快速构建、扩容自己的应用。

Kubernetes 通过三个方面推动了混合架构的升级

  • 屏蔽了 IaaS 的差异性,使得应用可以真正的做到“一次定义,到处部署”。
  • Kubernetes 标准化,尤其声明式 API 简化了应用部署,让应用交付变得越来越统一化,支持在不同云上使用相同的手段管理编排应用。
  • 服务网格,可以跨多个集群 Kubernetes,统一流量管理和服务治理,使得混合多云下客户的应用能在一个控制平面进行管理。

1.异地多活,容灾备份

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图中是两个集群,一个集群部署在公有云,另外一个部署在 IDC,通过高速网络或专线打通,数据库进行同步复制,如果其中一个集群挂掉后,另外一个集群还可以正常对外提供服务。

2.业务就近访问,降低延迟

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它与第一个场景类似,将每个集群分布在不同的地区部署,用户可以根据自己所在的地区,访问最近的集群获取服务,这样有效降低用户的访问延迟,为客户提供良好的用户体验。

3.不同业务、部门间的隔离

基于用多集群的方式将不同业务、或者部门隔离,当然隔离方式有很多种,比如按时间、职能、产品,区域、技术等等,将不同业务部署在不同 Kubernetes 集群中,可以从物理层面彻底隔离,比 NS 隔离更加彻底。

4.可以有效降低故障的影响范围

多集群的业务场景,可以将事故限制在单个集群,避免整体的损失。

5.避免被单一厂商锁定

多集群的应用,不仅可以有效的避免被单一厂商的锁定,还能享受不同厂商服务特色。在企业购买云服务时,将议价权利牢牢掌握在自己手中。

多集群解决方案

目前 Kubernetes 社区的多集群解决方案,总体来说分为两个方向:

  1. 偏向控制层的资源分发,比如 Kubernetes 社区的 Federation v1 和 Federation v2 , Argo CD/Flux CD (流水线中实现应用的分发)。
  2. 致力于实现多集群之间的 Pod 网络可达,例如 Cilium Mesh、Istio Multi-Cluster、Linkerd Service Mirroring,由于这些项目同特定的 CNI 以及服务治理组件绑定了,因此接下来我会详细介绍一下 Federation v1 和 Federation v2 两个项目。

Federation v1

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上面是 Federation v1 的架构图 可以看到有额外的 API Server (基于 Kube-Apiserver 开发) 和 Controller Manager (同 Kube-Controller-Manager 类似) ,下面是被管控的集群,多集群的资源分发需要在上面集群创建,然后最终被分发到下面的各个集群去。

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上图是一个在 Federation v1 里面创建 Replicaset 的示例,与普通的 Replicaset 区别就是多了一些 Annotation,里面主要存了一些分发资源的逻辑,从中我们也能看到 v1 的一些缺点。

  • 其引入了单独开发的 API Server,带来了额外的维护成本。
  • 在 Kubernetes 里一个 API 是通过 Group/Version/Kind 确定的,但是 Federation v1 里面对于 K8s 原生 API、GVK 固定,导致对不同版本的集群 API 兼容性很差。
  • 设计之初未考虑 RBAC,无法提供跨集群的权限控制。
  • 基于 Annotation 的资源分发让整个 API 过于臃肿,不够优雅,是最被诟病的一点。

Federation v2

正是由于 v1 的这些缺点,Kubernetes 社区逐渐弃用了 v1 的设计,吸取了 v1 的一些教训,推出了 v2 也就是 Kubefed 这个项目。Kubefed 最大的特点就是基于 CRD 和 Controller 的方式替换掉了 v1 基于 Annotation 分发资源的方案,没有侵入原生的 K8s API,也没有引入额外的 API Server。

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上图是 v2 的架构图,可以看到一个 CRD 资源主要由 Template、Override、Placement 三部分组成,通过结合 Type Configuration,可以支持多个版本的 API,大大提高了集群之间的版本兼容性,并且支持了所有资源的 Federation,包括 CRD 本身。同时 Kubefed 在设计之初也考虑到了多集群的服务发现、调度等。

下面是一个联邦资源的示例,Deployment 在 Kubefed 中对应 FederatedDeployment,其中 spec 里面的 template 就是原来的 Deployment 资源,placement 表示联邦资源需要被下放到哪几个集群去, override 可以通过不同的集群配置不同集群的字段,例如 deployment 的镜像的 tag 各个集群的副本数等。

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当然 Kubefed 也不是银弹,也有其一定的局限性。从前面可以看到,其 API 定义复杂,容易出错,也只能使用 kubefedctl 加入和解绑集群,没有提供单独的 SDK。再就是它要求控制层集群到管控集群必须网络可达,单集群到多集群需要改造 API,旧版本也不支持联邦资源的状态收集。

KubeShere On Kubefed

接下来我们看看 KubeSphere 基于 Kubefed 如何实现并简化了多集群管理。

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图片里面定义了两个概念,Host 集群指的是装了 Kubefed 的集群,属于 Control Plane,Member 集群指的是被管控集群,Host 集群与 Member 集群之间属于联邦关系。

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在图片这里用户可以统一管理多个集群,KubeSphere 单独定义了一个 Cluster Object,拓展了 Kubefed 里面的 Cluster 对象,包含了 region zone provider 等信息。

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在导入集群的时候 KubeSphere 提供了两种方式:

1、直接连接

这种情况要求 Host 到 Member 集群网络可达,只需要提供一个 kubeconfig 文件可直接把集群加入进来,避免了之前提到的 kubefedctl 的复杂性 。

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2、代理连接

对于 Host 集群到 Member 集群网络不可达的情况,目前 Kubefed 还没有办法做到联邦。因此 KubeSphere 基于 chisel 开源了 Tower,实现了私有云场景下集群联邦管理,用户只需要在私有集群创建一个 agent 就可以实现集群联邦。

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这里展示了 Tower 的工作流程。在 Member 集群内部起了一个 agent 以后,Member 集群会去连接 Host 集群的 Tower Server,Server 收到这个连接请求后会直接监听一个 Controller 预先分配好的端口,建立一个隧道,这样就可以通过这个隧道从 Host 往 Member 集群分发资源。

多集群下的多租户支持

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在 KubeSphere 里面,一个租户就是一个 Workspace,并且租户的授权认证都是通过 CRD 来实现的。为了减少 Kubefed 对 Control Plane 的依赖,KubeSphere 把这些 CRD 通过联邦层下放,在 Host 集群收到 API 请求后直接转发到 Member 集群,这样假如 Host 集群挂了,原来的租户信息在 Member 集群仍然存在,用户依然可以登陆 Member 集群的 Console 来部署业务。

多集群下的应用部署

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Kubefed 的 API 前面我们也看到过,手动去定义是十分复杂并且容易出错,因此 KubeSphere 在部署应用的时候,可以直接选择需要部署的集群名称以及各自集群的副本数,也可以在差异化配置里面配置不同集群的镜像地址以及环境变量,例如集群 A 位于国内,拉不到 gcr.io 的镜像,就可以配成 DockerHub 的。

联邦资源的状态收集

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对于联邦资源的状态收集,前面我们提到 Kubefed 之前是没有实现的。因此 KubeSphere 自研了联邦资源的状态收集,在例如创建 Pod 失败的场景下可以很方便的去排查对应的 event 信息,另外 KubeSphere 也提供了联邦资源的监控,提高了其可观测性。

应用实践

接下是分享一个案例,红亚科技,成立于 2012 年,是一家聚焦于IT教育服务的创新型科技公司,目前为 600+ 高校提供服务,其产品包括,信息技术实训平台、大数据竞赛平台、网络安全类竞赛平台、青椒课堂-教学辅助平台。

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以青椒课堂为例,它提供了 IT 课堂的辅助教学服务,教师可以共享桌面,分享课件

一键部署课堂测试环境,远程操作指导,还可以通过标准备课库进行 IT 课程备课等。

平台主要是提升教学效率,解决了 IT 教学中、师生交互、IT 环境部署的问题

目前青椒课堂业务以容器方式,部署在多个云平台上。

基于客户当时情况,对容器平台有如下要求,最终选择了青云 KubeSphere、阿里 ACK 作为业务容器平台,客户选择平台的要求有:

  1. 不被某个云服务商所绑定
  2. 开源解决方案
  3. 可以接受能力范围内的商业化订阅(服务支持付费)
  4. 部署难度低
  5. 统一认证
  6. 操作简便

Host 集群使用 KubeSphere (QKE) 部署在青云QingCloud 公有云,作为多集群的集中控制管理平面,Member 集群有:青云 QKE 集群、阿里云 ACK 集群、自建 K8s 集群,作为 M 集群接入。Host 与 Member 使用 Tower 代理连接,实现多集群网络互通,满足应用跨多云和多集群的分发部署。

可以看到业务架构,主站业务的后端,已部署在多云、多个集群,根据业务需要,可以随时再调用云平台的云主机、容器资源。

用户还根据自己情况,为社区贡献了 Kubesphere IDaaS 插件,用户公司规模不大,没有域控,用户结合钉钉认证源,引入 IDaaS 的作为 Oauth provider,为 Kubesphere 整个集群进行统一授权和认证服务。目前客户已经贡献开源代码,有需要的朋友也可以去社区下载。

作者

孙天易 青云科技互联网部解决方案架构师

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