DockOne微信分享( 九十四):唯品会基于Kubernetes的网络方案演进


【编者的话】本文主要介绍唯品会云平台PaaS在持续集成和持续部署方面,基于Docker和Kubernetes,对网络方案的选型及应用,以及随着业务需求的增加而经历的网络方案变更,包括:
  1. Kubernetes + Flannel;
  2. 基于Docker libnetwork的网络定制;
  3. Kubernetes + Contiv + kube-haproxy;
  4. 基于Kubernetes的应用容器IP固定方案。


背景简介

PaaS平台持续部署以镜像方式部署,公司业务域对应平台内的应用。平台应用管理包括应用配置管理以及应用的运行态管理。一个应用的运行态对应kubernetes的一个Replication Controller(后面使用RC简称)和一个Service,应用实例对应kubernetes中的Pod, 我们基于这样的管理方式,需要提供应用之间的相互调用,同时对部分应用要提供基于http/tcp的直接访问。

Kubernetes + Flannel

首先说一下Kubernetes Flannel。 Flannel主要提供了跨主机间的容器通信;在kubernetes的Pod、Service模型里,kube-proxy又借助iptables实现了Pod和Service间通信(外部访问Service通过宿主机端口->Cluster IP:Port->Pod IP:Port)。

基于这种网络访问功能,我们平台提供了以下功能:
  • 基于gorouter提供的平台域名的访问 – watch k8s endpoints event管理router信息;
  • 基于skydns并定制化kube2sky组件和kubelet,提供同一命名空间下应用(Pod)之间基于业务域名的访问 - kube2sky基于Kubernetes Service annotation解析并注册域名信息、kubelet设置容器启动时的domain search及外部DNS;
  • 实现容器tty访问控制台 - 每台Kubernetes node部署平台组件 tty agent(根据Pod所属node信息,建立对应Kubernetes结点的tty连接);


网络访问关系图如下:
flannel.png

在Kubernetes Flannel的模型下,容器网络是封闭子网,可以提供平台内部应用之间基于4层和7层的调用,同时对外部提供应用基于域名(工作在七层)的直接访问,但无法满足用户在平台外部需要直接使用IP访问的需求。

基于Docker libnetwork的网络定制

在Flannel网络稳定使用后,开始研究network plugin以使应用服务实例以public IP 方式供用户直接使用。当时Docker的版本为1.8,本身还不支持网络插件,同时Kubernetes本身提供一套基于CNI的网络插件, 但本身有bug [CNI delete invoked twice with non-infra container id #[20379](https://github.com/kubernetes/ ... /20379) ]。于是尝试从docker network plugin的角度入手,尝试结合libnetwork从Docker源码的角度进行定制。

整个架构分为三层:
  1. Client Layer - Docker CLI和Kubernetes(Docker client);
  2. Docker Layer - Docker daemon 并在代码层面集成libnetwork(内置OVS driver);
  3. Controller Layer - ovsdb-server及network controller(自开发IPAM);


libnetwork_flow.png

整个方案包括以下三个流程:

  1. 启动Docker Daemon:
    初始化network controller -> 加载OVS Driver -> OVS Driver调用libovsdb创建docker0-ovs Bridge -> OVS Driver将主机上的一物理网卡attach到docker0-ovs上;

  2. 启动容器:
    OVS Driver创建veth pair用于连接network namespaces -> OVS Driver调用network controller获取容器IP和VLAN Tag -> OVS Driver将veth pair的一端添加到docker0-ovs上,并设置VLAN Tag -> OVS Driver设置容器内interface的IP,Mac Address以及路由 -> 设置各network interface为up;

  3. 停止容器:
    OVS Driver调用network controller释放容器IP -> 删除network link -> OVS Driver调用libovsdb删除port;


Kubernetes + Contiv + kube-haproxy

随着Docker版本的推进,Docker1.9开始支持Contiv Netplugin,我们开始研究Contiv应用,同时也完成了使用HAProxy替换kube-proxy的开发 [https://github.com/AdoHe/kube2haproxy],并最后采用Docker 1.10 Contiv上线。

[Contiv的网络模型在之前的分享http://dockone.io/article/1691 里已经有详细解释]这里根据我们实际网络访问关系再描述下PaaS在Contiv整体部署结构:
contiv.png

Kube-haproxy替代了kube-proxy,主要是提供服务IP的公共调用,同时避免了容器数量增加后带来的iptables规则的大量增长,方便调试。这里要注意的是Haproxy所部署机器IP和Kubernetes Service IP要在同一网段。

Contiv带来的方便是用户可以根据实例IP直接进行访问;但是在使用过程中出现过一次问题: 机房停电导致了部分IP的分配状态不正确,而且Contiv当时还没有提供查看已分配IP的接口。

应用容器IP固定

Docker 1.10支持指定IP启动容器,由于部分应用对实例IP固定有需求,我们开始着手容器IP固定方案的设计与开发。

前面提到应用运行时,对应Kubernetes内一个Replication Controller以及一个Service。应用的重新部署目前采用的策略主要是重建策略。重建的流程包括删除RC及RC下所有Pod,更新并创建新的RC(Kubernetes会根据RC配置产生新的POD) 。

在默认的Kubernetes Contiv的网络环境下,容器(Pod)的IP网络连接是由Contiv Network Plugin来完成的,Contiv master只实现了简单的IP地址分配和回收,每次部署应用时,并不能保证Pod IP不变。所以我们引入了新的Pod层面的IPAM,以保证同一个应用多次发生部署时,Pod IP始终是不变的。

作为Pod层面的IPAM,我们把这一功能直接集成在了Kubernetes。Pod作为Kubernetes的最小调度单元,原有的Kubernetes Pod Registry(主要负责处理所有与Pod以及Pod subresource相关的请求:Pod的增删改查,Pod的绑定及状态更新,exec/attach/log等操作)并不支持在创建Pod时为Pod分配IP,Pod IP是通过获取Pod Infra Container的IP来获取的,而Pod Infra Container的IP即为Contiv动态分配得来的。

定制后的Pod Registry操作流程图:
pod-registry.png

在原有Kubernetes代码基础上,我们修改了Pod结构(在PodSpec中加入PodIP)并重写了Pod Registry 同时引入了两个新的资源对象:
  1. Pod IP Allocator:Pod IP Allocator是一个基于etcd的IP地址分配器,主要实现Pod IP的分配与回收。Pod IP Allocator通过位图记录IP地址的分配情况,并且将该位图持久化到Etcd;
  2. Pod IP Recycler:Pod IP Recycler是一个基于etcd的IP地址回收站,也是实现Pod Consistent IP的核心。Pod IP Recycler基于RC全名(namespace RC name)记录每一个应用曾经使用过的IP地址,并且在下一次部署的时候预先使用处于回收状态的IP。


Pod IP Recycler只会回收通过RC创建的Pod的IP,通过其他controller或者直接创建的Pod的IP并不会记录,所以通过这种方式创建的Pod的IP并不会保持不变;同时Pod IP Recycle检测每个已回收IP对象的TTL,目前设置的保留时间为一天。

这里对kubelet也进行了改造,主要包括根据Pod Spec中指定IP进行相关的容器创建(docker run加入IP指定)以及Pod删除时释放IP操作。 创建Pod的UML时序图如下:
pod-create.png

Pod的创建在PaaS里主要有两种情形:
  1. 应用的第一次部署及扩容,这种情况主要是从IP pool中随机分配;
  2. 应用的重新部署:在重新部署时,已经释放的IP已根据RC全名存放于IP Recycle列表中,这里优先从回收列表中获取IP,从而达到IP固定的效果。


删除Pod的UML时序图如下:
pod-delete.png

Pod的删除流程触发情形:删除应用/应用缩容/重新部署重建策略。

整体删除过程为:由PaaSNg或kube-controller-manager调用apiserver Pod Delete并设置DeletionTimestamp,kubelet监听到删除时间并获取GracefulDeletiontime,删除应用容器, 通知APIServer释放IP(释放IP时获取Pod所属RC,根据是否有对应RC 名称决定是否存放在IP Recycle列表),删除Pause Pod,通知APIServer删除Pod对象。

另外为了防止出现问题,我们在kubernetes中加入了额外的REST API:包括对已分配IP的查询,手动分配/释放IP等。

总结

容器IP固定方案已上线,运行基本没问题,但稳定性有待提升。主要表现为不能在预期时间内停止旧Pod,从而无法释放IP造成无法复用(初步原因是由于Docker偶尔的卡顿造成无法在规定时间内停止容器)。我们短期的work around是使用额外添加的REST API手动修复,后期会对于不可预料问题可能导致的IP变化问题,纳入监控并提供自动修复机制,同时IP固定方案本身会继续加强稳定性并根据需求进行优化。

Q&A

Q:想问下这个IP外网可以直接访问吗?

A:在Flannel网络下不可以直接访问Pod,在Contiv网络下,Pod所分配的网段是在交换机端打了tag的,默认办公网络是可以直接访问的。
Q:贵司花了相当大的精力去做容器互通并显著提高了复杂度,如果直接用Kubernetes的host network方式是否可以直接绕过这些复杂点?

A:首先是公司业务的需求。公司有1k+的业务域,运行在不同的Docker容器里,每个业务域的配置基本是固定的,比如Tomcat或Nginx使用的端口,如果使用host network的话,端口冲突是面临的首要问题,整个服务化的管理方式也要改变了。
Q:文中提到一个应用的运行态对应Kubernetes的一个RC和Service,RS是否好过RC?

A:我们的Kubernetes版本是1.2,Kubernetes 1.2里面RS这个东西还处于一个非常早期的版本,后面才有的,RS也是推荐的下一代RC。
Q:什么样的应用必须要固定IP,是否有其他办法可以避开?

A:业务域之间相互调用,有些业务域要求提供调用方白名单。还有些业务域会需要线上的数据访问,要加入相应的防火墙权限等。
Q:固定ip的情况下:容器的IP是通过桥接到宿主机的网桥连接到宿主机网络的吗?

A:固定IP的情况下,仍然是基于Contiv 的网络工作方式,只是在Docker运行时由IPAllocator负责分配好IP,Docker启动时使用--ip的方式绑定该IP。当前OVS的工作方式也是通过ovsbridge连接到宿主机的物理网卡的。
Q:固定IP,分配的IP需要和宿主机同网段吗?

A: Kubernetes node主机网段和pod网段是不同的。原则上可以相同也可以不同。
Q:Kubernetes支持Docker启动加参数吗,例如--ip?

A:默认不支持,我们对kubelet做了一些修改: 例如通过参数传入vlan id以及根据PodSpec中所分配IP指定docker run的 --ip。
Q:据我了解Contiv现在更多的是对CNM的支持, 对Kubernetes的话 你们定制开发的多吗?

A:Kubernetes用的CNI,我们用的是CNM。更多是适应当前的Contiv对相关组件做修改,以及后面的固定IP(把IPAM集成到了Kubernetes APIServer)。
以上内容根据2016年11月8日晚微信群分享内容整理。分享人王成昌,唯品会PaaS平台高级开发工程师,主要工作内容包括:平台DevOps方案流程优化,持续部署,平台日志收集,Docker以及Kubernetes研究。 DockOne每周都会组织定向的技术分享,欢迎感兴趣的同学加微信:liyingjiesz,进群参与,您有想听的话题或者想分享的话题都可以给我们留言。

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