字节跳动 kube-apiserver 高可用方案 KubeGateway

原创
2022/10/25 11:11
阅读数 3.7K

KubeGateway 是字节跳动针对 kube-apiserver 流量特征专门定制的七层网关,它彻底解决了 kube-apiserver 负载不均衡的问题,同时在社区范围内首次实现了对 kube-apiserver 请求的完整治理,包括请求路由、分流、限流、降级等,显著提高了 Kubernetes 集群的可用性。

项目地址:https://github.com/kubewharf/kubegateway

为什么要自研 KubeGateway

在 Kubernetes 集群中,kube-apiserver 是整个集群的入口,任何用户或者程序对集群资源的增删改查操作都需要经过 kube-apiserver,因此它的高可用性决定了整个集群的高可用能力。kube-apiserver 本质上是一个无状态的服务器,为了实现其高可用,开发人员通常会部署多个 kube-apiserver 实例,同时引入外部负载均衡器(以下简称 LB)进行流量代理。

为了保证集群的安全,kube-apiserver 对请求进行认证和授权的准入控制,其中认证是为了识别出用户的身份

Kubernetes 支持多种认证策略,比如 Bootstrap Token、Service Account Token、OpenID Connect Token、TLS 双向认证等。目前 kube-apiserver 的客户端使用得较多的策略是 TLS 双向认证。TLS 双向认证需要 LB 将请求中的 Client X509 Cert 正确传递给 kube-apiserver,但是传统的七层 LB 无法做到这一点,在转发过程中会丢失 Client X509 Cert,导致 kube-apiserver 无法认证用户。

因此目前 LB 的选型一般为 LVS、云厂商的 SLB 或 nginx、HAProxy 的四层负载均衡方案。

四层负载均衡工作在 OSI 的第四层即传输层,使用 NAT 技术进行代理转发

七层负载均衡工作在 OSI 的第七层即应用层,一般是基于请求 URL 地址的方式进行代理转发。

但是使用四层 LB 会引起另外的问题,具体如下:

  • 请求负载不均衡:由于 kube-apiserver 和 client 是使用 HTTP2 协议连接,HTTP2 的多个请求都会复用底层的同一个 TCP 连接并且长时间不断开。在 kube-apiserver 滚动升级或者某个实例重启时,很容易引起迟些启动的 kube-apiserver 在长时间内只有很少的请求数。极端情况下,负载较高的实例会出现 OOM,甚至引起雪崩。

  • 缺乏请求治理的灵活性:4 层负载均衡在传输层工作,它只负责消息的传递,但是无法处理应用层的 HTTP 协议的信息,因此相较于 7 层负载缺乏对请求治理的“灵活性”和 “智能性”。比如无法根据请求的内容(比如 verb、url 等字段)制定灵活的负载均衡和路由策略,也无法在网关层对请求级别进行限流降级等处理。

社区中有一些相关工作试图解决上述问题,但均没有根治问题:

随着云原生技术的发展,目前字节跳动 95% 以上的业务跑在 Kubernetes 上,对集群高可用提出了更高的要求。而在生产环境中,我们也曾遇到过多次由于 kube-apiserver 负载不均衡或者缺乏请求治理能力带来的事故,因此面对以上问题,我们针对  kube-apiserver 的流量特征自研了七层网关 KubeGateway

KubeGateway 架构设计

KubeGateway 作为七层网关接入和转发 kube-apiserver 的请求,它具有以下特点:

  • 对于客户端完全透明,客户端无需任何改造即可以接入 KubeGateway;

  • 支持同时代理多个 K8s 集群的请求,不同 K8s 集群通过不同的域名或者虚拟地址(vip)进行区分;

  • 负载均衡从 TCP 连接级别变为 HTTP 请求级别,进而实现快速、有效的进行负载均衡,彻底解决 kube-apiserver 负载不均衡的问题;

  • 高扩展性的负载均衡策略,目前支持 Round Robin、Random 策略,负载均衡策略插件化,易于扩展;

  • 支持灵活的路由策略,KubeGateway 根据请求信息,包括但不限于 resource/ verb/ user/ namespace/ apigroup 等进行路由。为 kube-apiserver 分组提供基础能力,以低运维成本实现 kube-apiserver 组之间的隔离性,提高集群稳定性;

  • 配置管理云原生化,以 K8s 的标准 API 形式管理网关配置,支持配置热更新;

  • 支持限流、降级、动态服务发现、优雅退出、upstream 异常检测等网关的通用能力。

KubeGateway 对外以 K8s 标准 API 的形式提供代理配置管理的服务,主要提供路由转发规则、上游集群 kube-apiserver 地址、集群证书信息、限流等请求治理策略等配置信息的维护变更。它代理 kube-apiserver 的请求的流程如下图所示,主要分为五个步骤:请求解析、路由匹配、用户认证、流量治理和反向代理。下面依次对这些步骤进行详细介绍。

请求解析

KubeGateway 可以深入理解 kube-apiserver 请求模型,从中解析出更多的信息,它将 kube-apiserver 的请求分为两种类型:

  • 资源请求,如对 Pod 的 CRUD(增删改查)

  • 非资源请求,如访问 /healthz 查看 kube-apiserver 的健康情况,访问 /metrics 查看暴露的指标等

对于资源请求,可以从请求的 URL 和 Header 中解析出以下的内容:

最终一个请求可以解析出多维度的路由字段,如下图所示,这些字段将作为路由选择的依据。

路由匹配

从请求中解析出多维度的路由字段后,开发人员可以很方便地组合出非常强大的路由规则来区分不同的 API 请求,比如

  • 通过 Verb 和 Resource 的结合,我们可以直接匹配到所有的 list pod 的请求

  • 通过 User/UserGroup/ServiceAccount 等,我们可以匹配出 kube-controller-manager/kube-scheduler 等核心控制组件的请求

将不同的请求经过路由规则匹配后,我们能对它们做更精细化的分流,限流,熔断等流量控制。匹配规则可以直接通过修改 KubeGateway 的配置管理服务对外暴露的 API -- UpstreamCluster 实时生效。

用户认证

为了能够正确地代理 kube-apiserver 的七层流量,让请求经过代理后,在 upstream kube-apiserver 能被正确地进行认证授权,KubeGateway 需要将请求中的用户信息透传给 kube-apiserver,这要求 KubeGateway 也能认证出请求中的用户信息。

KubeGateway 将 kube-apiserver 支持的认证方式可以分为以下几类

  • 基于 x509 客户端证书的认证方式:KubeGateway 通过规则 upstream kube-apiserver 中的 CA 证书,解析出客户端证书中用户和用户组信息;

  • 基于 Bearer Token 的认证方式:KubeGateway 通过给 upstream kube-apiserver 发送 TokenReview 请求,要求 upstream kube-apiserver 对 Bearer Token 进行认证,从而得到对应的用户信息。

识别出用户后,KubeGateway 通过 kube-apiserver 提供的 Impersonate(用户扮演)机制进行转发,详细内容会在后文进行介绍。

此外,KubeGateway 只会对请求进行认证,并不会对请求进行授权判断,授权操作由 upstream kube-apiserver 进行。

请求治理

KubeGateway 作为七层网关,有着丰富的流量治理能力,具体包括:

负载均衡

UpstreamCluster 确定后,Upstream Servers 也随之确定。KubeGateway 按照负载均衡策略从 Upstream Servers 中选择出一个进行请求转发。良好的负载均衡策略可以优化资源效率,最大化吞吐量,减少延迟和容错。

目前 KubeGateway 支持 Round Robin 和 Random 负载均衡策略,这两种策略简单有效,能够满足大部分场景的需求。

此外,KubeGateway 支持灵活的负载均衡策略扩展,可以快速实现 Least Request 等算法,以满足更多场景的需求。

健康监测

KubeGateway 会定期主动地访问 kube-apiserver 的 /healthz 接口进行健康监测。代理流量只会转发给健康的 kube-apiserver;而不健康的 kube-apiserver 会被临时屏蔽,当它被恢复健康后才会重新有新的流量

限流

KubeGateway 默认提供限流的能力,可以有效地防止 upstream kube-apiserver  在某些情况下过载。它的限流方案相比于 Kubernetes 本身的 APF(API Priority and Fairness)更容易理解和配置。请求经过请求解析和路由匹配之后,KubeGateway 会确定这个请求的限流规则。

比如我们想要限制普通用户 list pod 的 QPS,但是又要对管控组件(如 controller-manager,scheduler)进行豁免,可以在路由匹配中区分出两种类型的用户然后为他们单独配置 FlowControl 限流规则。

KubeGateway 提供了两种限流策略:

  • token bucket:令牌桶是常用的限流方式,它能有效地限制请求的 QPS 并在一定程度上允许突发的请求;

  • max requests inflight:最大请求数是比令牌桶更严格的限制方式,它限制在某个时刻能够执行的最大请求数量,通常用来限制一些更加耗时的请求,比如在大集群 list 全量 pods,这种请求会可能会持续好几分钟,而且会占用 kube-apiserver 大量的资源,只通过令牌桶的限流会放入过多的请求而造成 kube-apiserver OOM 等问题。

降级

KubeGateway 支持降级以应对集群管控面异常的情况。

在 kube-apiserver 或者 ETCD 发生故障的时候,可能引起集群的雪崩。在雪崩情况下,部分请求会返回成功,部分请求返回失败,加上客户端不断重试,容易导致集群出现非预期行为,比如 Node NotReady、 Pod 大量驱逐和删除等。

在这种情况下,我们可以通过 KubeGateway 进行降级操作拒掉所有流量。在降级状态下集群相当于被冻结了,所有写入都无法成功,可以保证存量的 Pod 进程保持存活状态,避免对业务造成影响。在集群恢复正常后,首先放开限制允许 Node 上报心跳,然后再恢复集群的其他流量。

请求治反向代理

KubeGateway 在反向代理部分,有以下关键的技术点:

Impersonate(用户扮演)

在通过流量治理后,KubeGateway 会根据选择出的 kube-apiserver 进行转发。在转发的时候 KubeGateway 通过 impersonate 的机制将用户信息通过 Request Header 传递给 upstream kube-apiserver。在 Request Header 中添加以下信息:

Impersonate-User: Client 用户名
Impersonate-Group: Client 用户组

Impersonate 是 kube-apiserver 对外提供的一种机制,它允许一个用户扮演成另外一个用户执行 API 请求。在使用这个机制之前,我们需要在 upstream kube-apiserver 为 KubeGateway 的客户端配置好 Impersonate 的权限,请求的具体流程如下:

  • kube-apiserver 认证 KubeGateway 用户,识别出用户扮演的行为;

  • kube-apiserver 确保 KubeGateway 具有 Impersonate 权限;

  • kube-apiserver 根据 HTTP Header 识别出 KubeGateway 扮演的用户名和用户组,然后将请求执行者替换成被扮演的用户;

  • 对被扮演的用户进行授权验证,检查他是否有权限访问对应的资源。

kube-apiserver 对于 Impersonate 机制支持得很完善,审计日志中也兼容了 Impersonate。

最终,KubeGateway 依靠用户认证和 Impersonate 机制,完成原始用户信息的透传,解决了传统七层 LB 无法代理 kube-apiserver 请求的问题。而且在代理过程中,它对于客户端是完全透明的,客户端无需进行任何修改即可接入 KubeGateway。

HTTP2 多路复用

KubeGateway 默认使用 HTTP2 协议,基于 HTTP2 协议的多路复用能力,单条连接上默认支持 250 个 Stream,即单个连接上支持 250 个并发的请求,使得 upstream 单个 kube-apiserver 的 TCP 连接数可以降低两个数量级。

Forward & Exec 类请求处理

KubeGateway 支持所有原生 kube-apiserver 请求的透明代理。由于 Forward 、Exec 等部分请求需要通过 HTTP 1.1 建立的链接使用其他的协议(比如 SPDY、WebSocket 等)来进行通信,KubeGateway 在转发这类请求时会禁止 http2,且支持 Hijacker 处理。

KubeGateway 落地效果

经过压测,KubeGateway 性能优异,经过代理后,请求延迟增加在 1ms 左右。目前 KubeGateway 已经平滑的接管了字节所有的 Kubernetes 集群,总 QPS 20w+

在 KubeGateway 的帮助下,研发团队彻底解决了 kube-apiserver 流量不均衡的问题,而且极大增强了 kube-apiserver 请求的治理能力,包括请求分组、路由、限流、降级等,有效提高了集群的稳定性和可用性。

同时,我们在 KubeGateway 优雅升级、多集群动态证书管理、可观测性上也做了很多优化,具体技术细节以后会进行更多的介绍,敬请期待。

KubeGateway 未来演进

目前,KubeGateway 已在 GitHub 开源,未来它会在以下几个方面持续演进:

  • 提供更完整的 7 层网关能力,比如黑白名单,缓存等;

  • 持续提高可观测性,可以在异常情况下能够快速定位到问题,辅助排障;

  • 探索基于 KubeGateway 网关实现新型的联邦方案,通过 KubeGateway 可以将多个 K8s 集群透明地聚合成一个集群。

期待有更多朋友关注和加入 KubeGateway 社区,也欢迎大家在 GitHub 给我们提出各种建议!

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