APISIX Ingress 是如何支持上千个 Pod 副本的应用

原创
2022/11/28 16:06
阅读数 1.2K

作者:容鑫,Apache APISIX Committer

在 K8s 中为什么会遇到上千个 Pod 副本的应用场景?

在 Kubernetes 中,Pod 是最小的调度单元。应用程序实际是以 Pod 在运行的,通常情况下出于可扩展性和降低爆炸半径等方面的考虑,只会给 Pod 设置有限的资源。那么对于大流量的场景,一般都是通过水平扩容的方式进行应对。

例如电商行业在进行促销活动或秒杀抢购活动时,业务流量相对较大。为了应对这种场景,通常会设置弹性扩容。在活动进行时,服务会进行弹性伸缩直到能够承载流量,这时会基于弹性扩容的策略,为业务增加副本数,也就是 Pod 会变多。

每个 Pod 都有各自唯一的 IP ,但同时 Pod 的 IP 也不是固定的。为了及时追踪 Pod IP 的变化,从而进行负载均衡,Endpoints API 提供了在 Kubernetes 中跟踪网络端点的一种简单而直接的方法。 但随着 Kubernetes 集群和服务逐渐开始为更多的后端 Pod 进行处理和发送请求,比如上文提到大流量场景下,Pod 数量会被不断扩容,Endpoints API 也将变得越大。这种情况下,Endpoints API 局限性变得越来越明显,甚至成为性能瓶颈。

为了解决这个局限性问题,在 Kubernetes v1.21 的版本中引入了对 Endpointslice API 的支持,解决了 Endpoints API 处理大量网络端点带来的性能问题,同时提供了可扩展和可伸缩的能力。 通过下图我们可以明显看到它们之间的区别:

  • Endpoints 在流量高峰时的变化:

  • Endpointslices 在流量高峰时的变化:

在 Kubernetes 中,应用之间是如何进行相互访问的呢?Endpoints 和 Endpointslice 具体区别又是什么?和 Pod 有着什么样的关系?APISIX Ingress 中为什么要支持这些特性,以及如何进行安装和使用?本文将着重介绍这些问题。

Kubernetes 中如何访问应用

在 Kubernetes 中,每个 Pod 都有其自己唯一的 IP 地址。通常情况下,Service 通过 selector 和一组 Pod 建立关联,并提供了相同的 DNS 名,并可以在它之间进行负载均衡。Kubernetes 集群内不同应用之间可通过 DNS 进行相互访问。

在 Service 创建时,Kubernetes 会根据 Service 关联一个 Endpoints 资源,若 Service 没有定义 selector 字段,将不会自动创建 Endpoints。

什么是 Endpoints

Endpoints 是 Kubernetes 中的一个资源对象,存储在 etcd 中,用来记录一个 Service 对应一组 Pod 的访问地址,一个 Service 只有一个 Endpoints 资源。Endpoints 资源会去观测 Pod 集合,只要服务中的某个 Pod 发生变更,Endpoints 就会进行同步更新。 比如部署 3 个 httpbin 副本,查看 Pod 的情况,包括 IP 信息。

$ kubectl get pods -o wide
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS        AGE   IP            NODE             NOMINATED NODE   READINESS GATES
httpbin-deployment-fdd7d8dfb-8sxxq   1/1     Running   0               49m   10.1.36.133   docker-desktop   <none>           <none>
httpbin-deployment-fdd7d8dfb-bjw99   1/1     Running   4 (5h39m ago)   23d   10.1.36.125   docker-desktop   <none>           <none>
httpbin-deployment-fdd7d8dfb-r5nf9   1/1     Running   0               49m   10.1.36.131   docker-desktop   <none>           <none>

创建 httpbin 服务,并查看应 Endpoints 端点情况。

$ kubectl get endpoints httpbin
NAME      ENDPOINTS                                      AGE
httpbin   10.1.36.125:80,10.1.36.131:80,10.1.36.133:80   23d

从上述示例可以看到,Endpoints 中 httpbin 资源对象的所有网络端点,分别对应了每个 Pod 的 IP 地址。

当然, Endpoints 也有它的一些不足之处,比如:

  1. Endpoints 具有容量限制,如果某个 Endpoints 资源中端口的个数超过 1000,那么 Endpoints 控制器会将其截断为 1000。
  2. 一个 Service 只有一个 Endpoints 资源,这意味着它需要为支持相应服务的每个 Pod 存储 IP 等网络信息。这导致 Endpoints 资源变的十分巨大,其中一个端点发生了变更,将会导致整个 Endpoints 资源更新。当业务需要进行频繁端点更新时,一个巨大的 API 资源被相互传递,而这会影响到 Kubernetes 组件的性能,并且会产生大量的网络流量和额外的处理。

什么是 Endpointslices

Endpointslices 为 Endpoints 提供了一种可扩缩和可拓展的替代方案,缓解处理大量网络端点带来的性能问题,还能为一些诸如拓扑路由的额外功能提供一个可扩展的平台。该特性在 Kubernetes v1.21+ 的版本中已提供支持。

EndpointSlice 旨在通过分片的方式来解决此问题,并没有使用单个 Endpoints 资源跟踪服务的所有网络端点,而是将它们拆分为多个较小的 EndpointSlice。

默认情况下,控制面创建和管理的 EndpointSlice 将包含不超过 100 个端点。 你可以使用 kube-controller-manager--max-endpoints-per-slice 标志设置此值,其最大值为 1000。

为什么需要 Endpointslices

首先,我们考虑具有 2000 个 Pod 的服务它最终可能具有 1.0 MB 的 Endpoints 资源。在生产环境中,如果该服务发生滚动更新或节点迁移,那么 Endpoints 资源将会频繁变更。

想象一下,如果滚动更新会导致全部 Pod 都被替换,由于 etcd 具有最大请求大小限制,Kubernetes 对 Endpoints 最大容量限制为 1000,如果网络端点数量超出了 1000,那么多出来的网络端点,将不会被 Endpoints 资源记录。

当然也可能因为一些需求,需要多次进行滚动更新,那么这个巨大的 API 资源对象将会 Kubernetes 组件中来回传递,极大影响了 Kubernetes 组件的性能。

如果使用了 Endpointslices,假设一个服务后端有 2000 个 Pod。如果将配置修改为每个 Endpointslices 存储 100 个端点,最终将获得 20 个 Endpointslices。添加或删除 Pod 时,只需要更新其中 1 个 Endpointslice 资源即可,这样操作后,可扩展性和网络可伸缩有了很大的提升。

比起在流量高峰时,服务为了承载流量,扩容出大量的 Pod,Endpoints 资源会被频繁更新,两个使用场景的差异就变得非常明显。更重要的是,既然服务的所有 Pod IP 都不需要存储在单个资源中,那么我们就不必担心 etcd 中存储的对象的大小限制。

Endpoints VS Endpointslice

因为 Endpointslice 是在 Kubernetes v1.21+ 的版本得到支持,所以该结论是基于 Kubernetes v1.21+ 版本。

通过上文的描述我们总结一下两种资源的适用情况。

Endpoints 适用场景:

  • 有弹性伸缩需求,Pod 数量较少,传递资源不会造成大量网络流量和额外处理。
  • 无弹性伸缩需求,Pod 数量不会太多。哪怕 Pod 数量是固定,但是总是要滚动更新或者出现故障的。

Endpointslice 适用场景:

  • 有弹性需求,且 Pod 数量较多(几百上千)。
  • Pod 数量很多(几百上千),因为 Endpoints 网络端点最大数量限制为 1000,所以超过 1000 的 Pod 必须得用 Endpointslice。

在 APISIX Ingress 中的实践

APISIX Ingress Controller 是一个 Ingress 控制器的实现。可以将用户配置的规则转换为 Apache APISIX中的规则,从而使用 APISIX 完成具体的流量承载。

在具体实现过程中,APISIX Ingress 通过 watch Endpoints 或 Endpointslice 资源的变化,从而让 APISIX 能够对 Pod 进行负载均衡和健康检查等。为了能够支持 Kubernetes v1.16+ 的版本,APISIX Ingress 在安装时,默认使用 Endpoints 的特性。

如果你的集群版本为 Kubernetes v1.21+,在安装 APISIX Ingress 时,需要指定 watchEndpointSlice=true 标志来开启 Endpointslice 特性的支持。

注意:在集群的版本为 Kubernetes v1.21+ 时,我们推荐使用 Endpointslice 特性。否则当服务中 Pod 数量超过 --max-endpoints-per-slice 标志设定的值时,由于 APISIX Ingress watch 的是 Endpoints 资源对象,则会导致配置的丢失。开启此特性,就不额外关注 --max-endpoints-per-slice 的值。

以下将为你简单介绍如何在 APISIX Ingress 中应用 Endpointslice 特性。

创建包含 20 个副本的 Service

使用 kubectl apply -f httpbin-deploy.yaml 命令,在 Kuernetes 中部署 httpbin 应用服务,并创建 20 个 Pod 副本。具体 htppbin-deploy.yaml 文件配置可参考下方代码。

# htppbin-deploy.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: httpbin-deployment
spec:
  replicas: 20
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin-deployment
  strategy:
    rollingUpdate:
      maxSurge: 50%
      maxUnavailable: 1
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: httpbin-deployment
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 0
      containers:
        - livenessProbe:
            failureThreshold: 3
            initialDelaySeconds: 2
            periodSeconds: 5
            successThreshold: 1
            tcpSocket:
              port: 80
            timeoutSeconds: 2
          readinessProbe:
            failureThreshold: 3
            initialDelaySeconds: 2
            periodSeconds: 5
            successThreshold: 1
            tcpSocket:
              port: 80
            timeoutSeconds: 2
          image: "kennethreitz/httpbin:latest"
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          name: httpbin-deployment
          ports:
            - containerPort: 80
              name: "http"
              protocol: "TCP"

---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: httpbin
spec:
  selector:
    app: httpbin-deployment
  ports:
    - name: http
      port: 80
      protocol: TCP
      targetPort: 80
  type: ClusterIP

通过 APISIX Ingress 代理

第一步,使用 Helm 安装 APISIX Ingress。 通过 ·--set ingress-controller.config.kubernetes.watchEndpointSlice=true` 开启 Endpointslice 特性的支持。

helm repo add apisix https://charts.apiseven.com
helm repo add bitnami https://charts.bitnami.com/bitnami
helm repo update


kubectl create ns ingress-apisix
helm install apisix apisix/apisix \
  --set gateway.type=NodePort \
  --set ingress-controller.enabled=true \
  --namespace ingress-apisix \
  --set ingress-controller.config.apisix.serviceNamespace=ingress-apisix \
  --set ingress-controller.config.kubernetes.watchEndpointSlice=true 

第二步,使用 CRD 资源进行代理。注意,APISIX Ingress 中对 Endpoints 和 Endpointslice 特性的支持,使用者是感知不到的,它们的配置都是一致的。

apiVersion: apisix.apache.org/v2
kind: ApisixRoute
metadata:
  name: httpbin-route
spec:
  http:
  - name: rule
    match:
      hosts:
      - httpbin.org
      paths:
      - /get
    backends:
       - serviceName: httpbin
         servicePort: 80

第三步,进入 APISIX Pod 中查看。可以看到在 APISIX 中的 upstream 对象 nodes 字段包含了 20 个 Pod 的 IP 地址。

kubectl exec -it ${Pod for APISIX} -n ingress-apisix -- curl "http://127.0.0.1:9180/apisix/admin/upstreams" -H 'X-API-KEY: edd1c9f034335f136f87ad84b625c8f1'
{
    "action": "get",
    "count": 1,
    "node": {
        "key": "\/apisix\/upstreams",
        "nodes": [
            {
                "value": {
                    "hash_on": "vars",
                    "desc": "Created by apisix-ingress-controller, DO NOT modify it manually",
                    "pass_host": "pass",
                    "nodes": [
                        {
                            "weight": 100,
                            "host": "10.1.36.100",
                            "priority": 0,
                            "port": 80
                        },
                        {
                            "weight": 100,
                            "host": "10.1.36.101",
                            "priority": 0,
                            "port": 80
                        },
                        {
                            "weight": 100,
                            "host": "10.1.36.102",
                            "priority": 0,
                            "port": 80
                        },
                        {
                            "weight": 100,
                            "host": "10.1.36.103",
                            "priority": 0,
                            "port": 80
                        },
                        {
                            "weight": 100,
                            "host": "10.1.36.104",
                            "priority": 0,
                            "port": 80
                        },
                        {
                            "weight": 100,
                            "host": "10.1.36.109",
                            "priority": 0,
                            "port": 80
                        },
                        {
                            "weight": 100,
                            "host": "10.1.36.92",
                            "priority": 0,
                            "port": 80
                        }
                        ... // 以下省略 13 个节点
                        // 10.1.36.118
                        // 10.1.36.115
                        // 10.1.36.116
                        // 10.1.36.106
                        // 10.1.36.113
                        // 10.1.36.111
                        // 10.1.36.108
                        // 10.1.36.114
                        // 10.1.36.107
                        // 10.1.36.110
                        // 10.1.36.105
                        // 10.1.36.112
                        // 10.1.36.117
                    ],
                    "labels": {
                        "managed-by": "apisix-ingress-controller"
                    },
                    "type": "roundrobin",
                    "name": "default_httpbin_80",
                    "scheme": "http"
                },
                "key": "\/apisix\/upstreams\/5ce57b8e"
            }
        ],
        "dir": true
    }
}

上述信息与 Endpointslice 中的网络端点相对应。

addressType: IPv4
apiVersion: discovery.k8s.io/v1
endpoints:
- addresses:
  - 10.1.36.92
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.100
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.104
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.102
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.101
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.103
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.109
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.118
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.115
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.116
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.106
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.113
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.111
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.108
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.114
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.107
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.110
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.105
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.112
  ...
- addresses:
  - 10.1.36.117
  ...
kind: EndpointSlice
metadata:
  labels:
    endpointslice.kubernetes.io/managed-by: endpointslice-controller.k8s.io
    kubernetes.io/service-name: httpbin
  name: httpbin-dkvtr
  namespace: default
ports:
- name: http
  port: 80
  protocol: TCP

总结

本文介绍了 Kubernetes 需要部署大量 Pod 的场景和遇到的问题,对比了 Endpoints 和 Endpointslice 之间区别,以及如何安装 APISIX Ingress 来使用 Endpointslice 的特性。

如果你的集群版本为 Kubernetes v1.21+,推荐在安装 APISIX Ingress 时开启 Endpointslice 特性支持,这样就不用关注 --max-endpoints-per-slice 标志设定的值,从而避免配置丢失。

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