云边协同下的统一应用管理:基于 OpenYurt 和 KubeVela 的解决方案

原创
2022/12/08 11:46
阅读数 4.7K

作者:乔中沛(伊灵)

背景

随着万物互联场景的逐渐普及,边缘设备的算力也不断增强,如何借助云计算的优势满足复杂多样化的边缘应用场景,让云原生技术延伸到端和边缘成为了新的技术挑战,“云边协同”正在逐渐成为新的技术焦点。本文将围绕 CNCF 的两大开源项目 KubeVela 和 OpenYurt,以一个实际的 Helm 应用交付的场景,为大家介绍云边协同的解决方案。

OpenYurt 专注于以无侵入的方式将 Kubernetes 扩展到边缘计算领域。OpenYurt 依托原生 Kubernetes 的容器编排、调度能力,将边缘算力纳入到 Kubernetes 基础设施中统一管理,提供了诸如边缘自治、高效运维通道、边缘单元化管理、边缘流量拓扑、安全容器、边缘 Serverless/FaaS、异构资源支持等能力。简而言之,OpenYurt 以 Kubernetes 原生的方式为云边协同构建了统一的基础设施。

KubeVela 孵化于 OAM 模型,专注于帮助企业构建统一的应用交付和管理能力,为业务开发者屏蔽底层基础设施复杂度,提供灵活的扩展能力,并提供开箱即用的微服务容器管理、云资源管理、版本化和灰度发布、扩缩容、可观测性、资源依赖编排和数据传递、多集群、CI 对接、GitOps 等特性。最大化的提升开发者自助式应用管理的研发效能,提升也满足平台长期演进的扩展性诉求。

OpenYurt 与 KubeVela 结合能解决什么问题?

如上所述,OpenYurt 满足了边缘节点的接入,让用户可以通过操作原生 Kubernetes 的方式管理边缘节点。边缘节点通常用来表示距离用户更近的计算资源,比如某个就近机房中的虚拟机或物理服务器等,通过 OpenYurt 加入后,这些边缘节点会转化为 Kubernetes 中可以使用的节点(Node)。OpenYurt 用节点池(NodePool)来描述同一地域的一组边缘节点。在满足了基本的资源管理后,针对应用如何编排部署到一个集群中的不同节点池,我们通常会有如下核心需求:

1. 统一配置: 如果对每一份要下发的资源做手动修改,需要很多人工介入,非常容易出错和遗漏。我们需要统一的方式来做参数配置,不仅可以方便地做批量管理操作,还可以对接安全和审计,满足企业风险控制与合规需求。

2. 差异部署: 部署到不同节点池的工作负载有大部分属性相同,然而总有个性化的配置差异。关键在于如何设置和节点选择相关的参数,例如 NodeSelector 可以指示 Kubernetes 调度器将工作负载调度到不同的节点池。

3. 可扩展性: 云原生生态繁荣,无论是工作负载种类还是不同的运维功能都在不断增长,为了更灵活地满足业务需求,我们需要整体的应用架构是可扩展的,能够充分享受云原生生态的红利。

而 KubeVela 在应用层与 OpenYurt 可以很好的互补,满足上述三个核心需求。接下来,我们结合实际的操作流程来展示这些功能点。

将应用部署到边缘

我们将以Ingress控制器为例,展示如何使用KubeVela 将应用程序部署到边缘。在这种情况下,我们希望将 Nginx Ingress 控制器部署到多个节点池中,以实现通过边缘 Ingress 访问指定节点池提供的服务,某个 Ingress 仅能由所在节点池的 Ingress 控制器处理。

示意图的集群中有两个节点池:北京和上海,他们之间的网络不互通。我们希望再其中每个节点池都部署一个 Nginx Ingress Controller,并作为各自节点池的网络流量入口。一个靠近北京的客户端,可以通过访问北京节点池的 Ingress Controller,访问北京节点池内提供的服务,且不会访问到上海节点池提供的服务。

1.png

Demo 的基础环境

我们将使用 Kubernetes 集群模拟边缘场景。群集有 3 个节点,它们的角色分别是:

  • 节点 1:master 节点,云端节点
  • 节点 2:worker 节点,边缘节点,在节点池 beijing 中
  • 节点 3:worker 节点,边缘节点,在节点池 shanghai 中

准备工作

1. 安装 YurtAppManager

YurtAppManager 是 OpenYurt 的核心组件。它提供节点池 CRD 和控制器。OpenYurt 中还有其他组件,但在本教程中我们只需要 YurtAppManager.

git clone https://github.com/openyurtio/yurt-app-managercd yurt-app-manager && helm install yurt-app-manager -n kube-system ./charts/yurt-app-manager/

2.安装KubeVela,启用 FluxCD 插件。

安装 Vela 命令行工具,并在集群中安装 KubeVela。

curl -fsSl https://kubevela.net/script/install.sh | bash
vela install

在本案例中,为了复用社区提供的成熟的 Helm Chart,我们用 Helm 类型的组件来安装 Nginx Ingress Controller。在微内核设计的 KubeVela 中,Helm 类型的组件是由 FluxCD 插件提供的,下面启用 FluxCD 插件 [ 1]

vela addon enable fluxcd

3. 准备节点池

创建两个节点池:北京节点池和上海节点池。在实际的边缘场景中,以地域划分节点池是常见的模式。不同分组的节点间往往存在网络不互通、资源不共享、资源异构、应用独立等明显的隔离属性。这也是节点池概念的由来。在 OpenYurt 中,通过节点池、服务拓扑等功能帮助用户处理上述问题。今天的例子中我们将使用节点池来描述和管理节点。

kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: apps.openyurt.io/v1beta1
kind: NodePool
metadata:
  name: beijing
spec:
  type: Edge
  annotations:
    apps.openyurt.io/example: test-beijing
  taints:
    - key: apps.openyurt.io/example
      value: beijing
      effect: NoSchedule
---
apiVersion: apps.openyurt.io/v1beta1
kind: NodePool
metadata:
  name: shanghai
spec:
  type: Edge
  annotations:
    apps.openyurt.io/example: test-shanghai
  taints:
    - key: apps.openyurt.io/example
      value: shanghai
      effect: NoSchedule
EOF

将边缘节点加入到各自的节点池,边缘节点的加入方式可以参考 OpenYurt 节点加入的方式。

kubectl label node <node1> apps.openyurt.io/desired-nodepool=beijing
kubectl label node <node2> apps.openyurt.io/desired-nodepool=shanghai
kubectl get nodepool

预期输出

NAME       TYPE   READYNODES   NOTREADYNODES   AGE
beijing    Edge   1            0               6m2s
shanghai   Edge   1            0               6m1s

批量部署边缘应用

在我们深入细节之前,让我们看看 KubeVela 是如何描述部署到边缘的应用的。通过下面这个应用,我们可以将 Nginx Ingress Controller 部署多份到各自的边缘节点池。使用同一个应用来统一配置 Nginx Ingress 可以消除重复,降低管理负担,也方便后续对集群内的组件统一进行发布运维等常见操作。

apiVersion: core.oam.dev/v1beta1
kind: Application
metadata:
  name: edge-ingress
spec:
  components:
    - name: ingress-nginx
      type: helm
      properties:
        chart: ingress-nginx
        url: https://kubernetes.github.io/ingress-nginx
        repoType: helm
        version: 4.3.0
        values:
          controller:
            service:
              type: NodePort
            admissionWebhooks:
              enabled: false
      traits:
        - type: edge-nginx
  policies:
    - name: replication
      type: replication
      properties:
        selector: [ "ingress-nginx" ]
        keys: [ "beijing","shanghai" ]
  workflow:
    steps:
      - name: deploy
        type: deploy
        properties:
          policies: ["replication"]

一个 KubeVela Application 有 3 个部分:

  1. 一个 helm 类型组件。它描述了我们想要安装到集群的 Helm 包版本。此外,我们给这个组件附加了一个运维特征(trait) edge-nginx 。我们稍后将展示这个运维特征的具体情况,现在你可以将其视为一个包含不同节点池的属性的补丁。

  2. 一个 replication(组件分裂)策略。它描述了如何将组件复制到不同的节点池。该 selector 字段用于选择需要复制的组件。它的 keys 字段将把一个组件转换为具有不同 key 的两个组件。(“beijing”和“shanghai”)

3. deploy 工作流步骤。它描述了如何部署应用程序。它指定 replication 策略执行复制工作的策略。

注意:

  1. 如果你希望此应用程序正常工作,请先在集群下发在下文介绍的 edge-ingress 特性。
  2. deploy 是一个 KubeVela 内置的工作流程步骤。它还可以在多集群场景 [2 ] 中与overridetopology 策略一起使用 。

现在,我们可以将应用下发到集群。

vela up -f app.yaml

检查应用状态和 KubeVela 创建的资源。

vela status edge-ingress --tree --detail

预期输出

CLUSTER       NAMESPACE     RESOURCE                           STATUS    APPLY_TIME          DETAIL
local  ─── default─┬─ HelmRelease/ingress-nginx-beijing  updated   2022-11-02 12:00:24 Ready: True  Status: Release reconciliation succeeded  Age: 153m
                   ├─ HelmRelease/ingress-nginx-shanghai updated   2022-11-02 12:00:24 Ready: True  Status: Release reconciliation succeeded  Age: 153m
                   └─ HelmRepository/ingress-nginx       updated   2022-11-02 12:00:24 URL: https://kubernetes.github.io/ingress-nginx  Age: 153m
                                                                                         Ready: True
                                                                                         Status: stored artifact for revision '7bce426c58aee962d479ca84e5c
                                                                                         fc6931c19c8995e31638668cb958d4a3486c2'

Vela CLI 不仅可以站在较高层次统一汇集展示应用健康状态,当需要的时候,Vela CLI 也可以帮助你穿透应用,直达底层工作负载,并提供丰富的观测和 Debug 能力,例如,你可以通过 vela logs 把打印应用的日志;可以通过 vela port-forward 把部署应用的端口转发到本地;可以通过 vela exec 命令,深入到边缘的容器中执行 Shell 命令排查问题。

如果你想更直观地了解应用去情况,KubeVela 官方还提供了 Web 控制台插件 VelaUX。启用 VelaUX 插件 [3 ] ,你可以查看更详细的资源拓扑。

vela addon enable velaux

访问 VelaUX 的资源拓扑页面。

2.png

正如你所看到的,KubeVela 创建了两个 HelmRelease 资源,把 Nginx Ingress Controller 的 Helm Chart 交付到两个节点池。 HelmRelease 资源被上述 FluxCD 插件处理并在集群两个节点池中分别安装了 Nginx Ingress。通过以下命令,检查是否在北京节点池中创建了 Ingress Controller 的 Pod,上海节点池同理。

$ kubectl get node -l  apps.openyurt.io/nodepool=beijing                               
NAME                      STATUS   ROLES    AGE   VERSION
iz0xi0r2pe51he3z8pz1ekz   Ready    <none>   23h   v1.24.7+k3s1

$ kubectl get pod ingress-nginx-beijing-controller-c4c7cbf64-xthlp -oyaml|grep iz0xi0r2pe51he3z8pz1ekz
  nodeName: iz0xi0r2pe51he3z8pz1ekz

差异化部署

KubeVela 应用交付过程中如何实现了同一个组件的差异化部署?让我们继续深入了解支撑应用的 Trait(运维特征)和 Policy(应用策略)。上文提到我们在工作流中使用了 KubeVela 内置的组件分裂(replication) Policy,给 ingress-nginx 组件附加了一个自定义的  edge-nginx Trait 。

  • 组件分裂 Policy 将组件拆为两个组件,带有不同的  context.replicaKey 。

  • edge-nginx Trait 使用不同的  context.replicaKey,将带有不同配置值的 Helm Chart 交付到集群中。让两个 Nginx Ingress Controller 运行在不同的节点池,监听具有不同 ingressClass 的 Ingress 资源。具体的方式是 Patch 了 Helm Chart 的 Values 配置,修改了和节点选择亲和性以及 ingressClass 相关的字段。

  • 在 Patch 不同字段时,使用了不同的 Patch 策略 [4 ] (PatchStrategy),例如使用 retainKeys 策略能够覆盖原本的值,使用 jsonMergePatch 策略则会和原本的值合并。

"edge-nginx": {
  type: "trait"
  annotations: {}
  attributes: {
    podDisruptive: true
    appliesToWorkloads: ["helm"]
  }
}
template: {
  patch: {
    // +patchStrategy=retainKeys
    metadata: {
      name: "(context.name)-(context.replicaKey)"
    }
    // +patchStrategy=jsonMergePatch
    spec: values: {
      ingressClassByName: true
      controller: {
        ingressClassResource: {
          name:            "nginx-" + context.replicaKey
          controllerValue: "openyurt.io/" + context.replicaKey
        }
        _selector
      }
      defaultBackend: {
        _selector
      }
    }
  }
  _selector: {
    tolerations: [
      {
        key:      "apps.openyurt.io/example"
        operator: "Equal"
        value:    context.replicaKey
      },
    ]
    nodeSelector: {
      "apps.openyurt.io/nodepool": context.replicaKey
    }
  }
  parameter: null
}

让更多类型的应用走向边缘

可以看到,为了将 Nginx Ingress 部署到不同节点池,我们仅自定义了一个四十余行的 Trait 并充分利用了 KubeVela 内置的能力。在云原生生态愈加繁荣和云边协同的趋势下,更多的应用都可能走向边缘部署。当新场景中需要一个新的应用部署在边缘节点池时,也无需烦恼,因为在 KubeVela 的帮助下,仿照该模式扩展出一个新的边缘应用部署 Trait 也很容易,无需编写代码

例如,我们希望将 K8s 社区近期的演进热点 Gateway API [5 ] 的实现也部署到边缘,通过 Gateway API 增强边缘节点池暴露服务的表达能力、扩展性,在边缘节点使用基于角色的网络 API 等。对于这种场景,我们也可以基于上述扩展方式轻松完成部署任务,只需要定义如下的一个新 Trait。

"gateway-nginx": {
  type: "trait"
  annotations: {}
  attributes: {
    podDisruptive: true
    appliesToWorkloads: ["helm"]
  }
}

template: {
  patch: {
    // +patchStrategy=retainKeys
    metadata: {
      name: "(context.name)-(context.replicaKey)"
    }
    // +patchStrategy=jsonMergePatch
    spec: values: {
      _selector
      fullnameOverride: "nginx-gateway-nginx-" + context.replicaKey
      gatewayClass: {
        name:           "nginx" + context.replicaKey
        controllerName: "k8s-gateway-nginx.nginx.org/nginx-gateway-nginx-controller-" + context.replicaKey
      }
    }
  }
  _selector: {
    tolerations: [
      {
        key:      "apps.openyurt.io/example"
        operator: "Equal"
        value:    context.replicaKey
      },
    ]
    nodeSelector: {
      "apps.openyurt.io/nodepool": context.replicaKey
    }
  }
  parameter: null
}

这个 Trait 和前文提到的部署 Nginx Ingress 使用的 Trait 非常相似,其中,我们也同样对 Nginx Gateway Chart 的 Values 做了一些相似的 Patch,包括节点选择、亲和性、资源名称。和前文 Trait 的区别是该 Trait 指定了 gatewayClass 而非 IngressClass。该案例的 Trait 和应用文件详见 GitHub 仓库 [6 ] 。通过自定义这样一个 Trait,我们就给集群扩展了部署一种新应用到边缘的能力。

如果我们无法预知未来边缘计算的发展带来的更多应用部署需求,至少我们可以通过这种更容易扩展的方式不断适应新的场景。

KubeVela 如何解决了边缘部署难题

回顾 KubeVela 是如何解决文章开始提出的关键问题的。

1. 统一配置: 我们使用一个组件来描述要部署的 ingress-nginx Helm Chart 的通用的属性例如 Helm 仓库、Chart 名称、版本等统一配置。

2. 属性差异: KubeVela 使用了一个用户自定义的运维特征定义,它描述下发到不同的节点池的 Helm 配置差异。该运维特征可以重复用于部署相同的 Helm Chart。

3. 可扩展性: KubeVela 可以为常见的工作负载(如 Deployment/StatefulSet)或其他打包方式(如 Helm/Kustomize/...)以可编程的方式进行扩展,只需若干行的代码,即可将一种新应用推向边缘场景。

这些得益于 KubeVela 在应用交付和管理领域提供的强大功能,KubeVela 除了能在单个集群内部解决应用的定义、交付、运维和可观测问题,还原生支持了多集群模式的应用发布和管理。目前适合边缘计算场景的 Kubernetes 部署模式并无定式,无论单集群+边缘节点池的架构,还是多边缘集群架构,KubeVela 都能胜任其中的应用管理任务。

在 OpenYurt 和 KubeVela 的配合下,云边应用以统一方式部署,共享相同的抽象、运维、可观测能力,避免了在不同场景中割裂的体验。并且云端应用和边端应用都得以使用 KubeVela 以插件形式不断集成的云原生生态的优秀实践。未来 KubeVela 社区还将不断丰富开箱即用的系统插件,持续交付更好用、更易用的应用交付和管理能力。

如果想了解更多应用部署、管理的能力,可以阅读 KubeVela 官方文档 [7 ] ,想要了解 KubeVela 社区的最新动态,欢迎来到 KubeVela 社区 [8 ] (钉钉群 23310022)参与讨论!若你对 OpenYurt 感兴趣,也欢迎来到 OpenYurt 社区(钉钉群 31993519)参与讨论。

您也可以通过如下材料了解更多关于 KubeVela 以及 OAM 项目的细节:

  • 项目代码库:https://github.com/kubevela/kubevela 欢迎 Star/Watch/Fork!
  • 项目官方主页与文档:kubevela.io ,从 1.1 版本开始,已提供中文、英文文档,更多语言文档欢迎开发者进行翻译。
  • 项目钉钉群:23310022;Slack:CNCF #kubevela Channel
  • 加入微信群:请先添加以下 maintainer 微信号,表明进入 KubeVela 用户群:

3.png

此处 :查看 KubeVela 项目官网!!

相关链接

[1] FluxCD 插件

https://kubevela.net/zh/docs/reference/addons/fluxcd

[2] 多集群场景

https://kubevela.net/docs/case-studies/multi-cluster

[3] 启用 VelaUX 插件

https://kubevela.net/zh/docs/reference/addons/velaux

[4] Patch 策略

https://kubevela.net/zh/docs/platform-engineers/traits/patch-trait#patch-strategy

[5] Gateway API

https://gateway-api.sigs.k8s.io/

[6] GitHub 仓库

https://github.com/chivalryq/yurt-vela-example/tree/main/gateway-nginx

[7] KubeVela 官方文档

https://kubevela.net/

[8] KubeVela 社区

https://github.com/kubevela/community

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