DEVOPS: 集群伸缩原理

概述

• 阿里云 K8S 集群的一个重要特性，是集群的节点可以动态的增加或减少
• 有了这个特性，集群才能在计算资源不足的情况下扩容新的节点，同时也可以在资源利用
  率降低的时候，释放节点以节省费用
• 理解实现原理，在遇到问题的时候，我们就可以高效地排查并定位原因
• 我们的讨论基于1.12.6 版本

节点增加原理

• 阿里云 K8S 集群可以给集群增加节点的方式有，添加已有节点，集群扩容，和自动伸缩
• 其中，添加已有节点又可分为手动添加已有节点和自动添加已有节点
• 节点的增加涉及到的组件有，节点准备，弹性伸缩（ESS），管控，Cluster Autoscaler 以及调度器

手动添加已有节点

• 节点准备，其实就是把一个普通的 ECS 实例，安装配置成为一个 K8S 集群节点的过程
• 这个过程仅靠一条命令就可以完成，这条命令使用 curl 下载 attach_node.sh 脚本
• 然后以 openapi token 为参数，在 ECS 上运行
• curl http:///public/pkg/run/attach//attach_node.sh | bash -s – --openapi-token
  • 这里 token 是一个对的 key，而 value 是当前集群的基本信息
  • 阿里云 K8S集群的管控，在接到手动添加已有节点请求的时候
  • 会生成这个对，并把 key 作为token 返回给用户
  • 这个 token（key）存在的价值，是其可以让 attach_node.sh 脚本
  • 以匿名身份在 ECS 上索引到集群的基本信息（value）
  • 而这些基本信息，对节点准备至关重要
• 总体上来说，节点准备就做两件事情，读和写，读即数据收集，写即节点配置

• 这里的读写过程，绝大部分都很基础，大家可以通过阅读脚本来了解细节
• 唯一需要特别说明的是，kubeadm join 把节点注册到 Master 的过程
• 此过程需要新加节点和集群 Master 之间建立互信
• 一边，新加节点从管控处获取的 bootstrap token
  • 与 openapi token 不同，此token 是 value 的一部分内容
  • 实际上是管控通过可信的途径从集群 Master 上获取的
  • 新加节点使用这个 bootstrap token 连接 Master
  • Master 则可通过验证这个 bootstrap token 来建立对新加节点的信任
• 另一边，新加节点以匿名身份从 Master kube-public 命名空间中获取集群cluster-info
  • cluster-info 包括集群 CA 证书，和使用集群 bootstrap token 对这个 CA 做的签名
  • 新加节点使用从管控处获取的 bootstrap token
  • 对 CA 生成 b 新的签名，然后将此签名与 cluster-info 内签名做对比
  • 如果两个签名一致，则说明cluster-info 和 bootstrap token 来自同一集群
  • 新加节点因为信任管控，所以建立对 Master 的信任

自动添加已有节点

• 自动添加已有节点，不需要人为拷贝黏贴脚本到 ECS 命令行来完成节点准备的过程
• 管控使用了 ECS userdata 的特性，把类似以上节点准备的脚本，写入ECS userdata
• 然后重启 ECS 并更换系统盘。当 ECS 重启之后，会自动执行 Userdata 里边的脚本
• 来完成节点添加的过程。这部分内容，大家其实可以通过查看节点 userdata 来确认

!/bin/bash

mkdir -p /var/log/acs
curl http:///public/pkg/run/attach/1.12.6-aliyun.1/attach_node.sh | bash
-s -- --docker-version --token --endpoint --cluster-dns > /var/log/acs/init.log

• 这里我们看到，attach_node.sh 的参数，与前一节的参数有很大的不同
• 其实这里的参数，都是前一节 value 的内容，即管控创建并维护的集群基本信息
• 自动添加已有节点省略了通过 key 获取 value 的过程

集群扩容

• 集群扩容与以上添加已有节点不同，此功能针对需要新购节点的情形
• 集群扩容的实现，在添加已有节点的基础上，引入了弹性伸缩 ESS 组件
• ESS 组件负责从无到有的过程，而剩下的过程与添加已有节点类似
• 即依靠 ECS userdata 脚本来完成节点准备
• 下图是管控通过 ESS 从无到有创建 ECS 的过程

自动伸缩

• 前边三种方式是需要人为干预的伸缩方式，而自动伸缩的本质不同
• 是它可以在业务需求量增加的时候，自动创建 ECS 实例并加入集群
• 为了实现自动化，这里引入了另外一个组件 Cluster Autoscaler
• 集群自动伸缩包括两个独立的过程

• 其中第一个过程，主要用来配置节点的规格属性，包括设置节点的用户数据
• 这个用户数据和手动添加已有节点的脚本类似，不同的地方在于，其针对自动伸缩这种场景，增加了一些专门的标记
• attach_node.sh 脚本会根据这些标记，来设置节点的属性

!/bin/sh

curl http:///public/pkg/run/attach/1.12.6-aliyun.1/attach_node.sh | bash -s -- --openapi-token --ess true --labels k8s.io/cluster-autoscaler=true,workload_type=cpu,k8s.aliyun.com=true

• 而第二个过程，是实现自动增加节点的关键
• 这里引入了一个新的组件 Autoscaler，它以 Pod 的形式运行在 K8S 集群中
• 理论上来说，我们可以把这个组件当做一个控制器
• 因为它的作用与控制器类似，基本上还是监听 Pod 状态
• 以便在 Pod 因为节点资源不足而不能被调度的时，去修改 ESS 的伸缩规则来增加新的节点
• 这里有一个知识点，集群调度器衡量资源是否充足的标准，是“预订率”，而不是“使用率”
• 这两者的差别，类似酒店房价预订率和实际入住率：
  • 完全有可能有人预订了酒店
  • 但是并没有实际入住
• 在开启自动伸缩功能的时候，我们需要设置缩容阈值，就是“预订率”的下线
• 之所以不需要设置扩容阈值。是因为 Autoscaler 扩容集群
• 依靠的是 Pod 的调度状态：当 Pod 因为节点资源“预订率”太高无法被调度的时候 Autoscaler 就会扩容集群

节点减少原理

• 与增加节点不同，集群减少节点的操作只有一个移除节点的入口
• 但对于用不同方法加入的节点，其各自移除方式略有不同
• 首先，通过添加已有节点加入的节点，需要三步去移除：
  • 管控通过 ECS API 清楚 ECS userdata；
  • 管控通过 K8S API 从集群中删除节点；
  • 管控通过 ECS Invoke-Command 在 ECS 上执行 kubeadm reset 命令清理节点
• 其次，通过集群扩容加入的节点，则在上边的基础上，增加了断开 ESS 和 ECS 关系的操作，此操作由管控调用 ESS API 完成

• 最后，经过 Cluster Autoscaler 动态增加的节点，则在集群 CPU 资源“预订率”降低的时候，由 Cluster Autoscaler 自动移除释放
• 其触发点是 CPU“预订率”，即上图写 Metrics 的原因

总结

• 总体上来说，K8S 集群节点的增加与减少，主要涉及四个组件，分别是 Cluster
  Autoscaler，ESS，管控以及节点本身（准备或清理）
• 根据场景不同，我们需要排查不同的组件
  • 其中 Cluster Autoscaler 是一个普通的 Pod，其日志的获取和其他Pod 无异
  • ESS 弹性伸缩有其专门的控制台
  • 我们可以在控制台排查其伸缩配置、伸缩规则等相关子实例日志和状态
  • 而管控的日志，可以通过查看日志功能来查看
• 最后，对于节点的准备与清理，其实就是排查对应的脚本的执行过程