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深入理解Kubelet核心执行框架

发布时间:2020-06-24 01:17:10 来源:网络 阅读:577 作者:阿里系统软件技术 栏目:建站服务器



Kubernetes已然成为云环境中大规模部署容器化应用的事实标准,而Kubelet作为Kubernetes集群中的节点代理,即节点的守护者,会具体负责其所在节点的波德的生命周期管理,切实保证各个容器应用都按照预期的状态平稳运行。它会首先获取分配到本节点的波德的配置信息,再根据这些配置信息调用底层的容器运行时,例如多克尔或者PouchContainer,创建具体的波德,并对这些波德进行监控,保证节点上的所有Pod按照预期的状态运行。本文将结合Kubelet源码,对上述过程进行详细的分析。


本文作者姚增增,花名里奇,Kubernetes社区的资深贡献者,阿里集团开源富容器引擎PouchContainer维护者,主导并推进了PouchContainer容器技术中CRI接口的设计与实现。从事云原生相关的技术领域,关注容器技术,编排技术,操作系统内核。当前是浙江大学  SEL 实验室的在读研究生,个人推崇开源理念。

1.获取Pod配置

Kubelet有多种途径获取本节点需要运行的吊舱的配置信息。最重要的自然是API服务器,其次还能通过指定配置文件的目录以及访问特定的HTTP端口获取.Kubelet会定期对它们进行访问,获取波德配置的更新并及时调整位于本节点的Pod的运行状态。

在Kubelet初始化的时候会创建一个PodConfig对象如下所示:

// kubernetes/pkg/kubelet/config/config.go
type PodConfig struct {
    pods *podStorage
    mux  *config.Mux
    // the channel of denormalized changes passed to listeners
    updates chan kubetypes.PodUpdate
    ...
}

PodConfig本质上是Pod配置信息的一个复用器。内含的mux会对各种Pod配置信息的源(包括apiserverfile以及http)进行监听,定期同步各源当前的Pod配置状态。在pods中则缓存了上次同步时各源的Pod配置状态。mux将两者进行对比之后,即可得到配置发生变化的Pod。接着,它会根据变化类型对不同的Pod进行分类,每个类型的Pod注入一个PodUpdate结构中:

// kubernetes/pkg/kubelet/types/pod_update.go
type PodUpdate struct {
    Pods   []*v1.Pod
    Op     PodOperation
    Source string
}

Op字段即定义了上述的Pod变化类型。例如,它的值可以为ADDREMOVE,表示对Pods中定义的Pod进行相应的增选。最后,各种类型的PodUpdate都会被注入到PodConfigupdates中。因此,我们只要对updates这个频道进行监听,就能得到所有有关本节点Pod的更新信息。

2.对Pod进行同步

当Kubelet初始化完成之后,最终会调用如下所示的syncLoop函数:

// kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go
// syncLoop is the main loop for processing changes. It watches for changes from
// three channels (file, apiserver, and http) and creates a union of them. For
// any new change seen, will run a sync against desired state and running state. If
// no changes are seen to the configuration, will synchronize the last known desired
// state every sync-frequency seconds. Never returns.
func (kl *Kubelet) syncLoop(updates <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler){
    ...
    for {
        if !kl.syncLoopIteration(...) {
            break
        }        
    }
    ...
}

正如它的注释所表明的,syncLoop函数是Kubelet的主循环。它会对updates进行监听,获取吊舱的最新配置,并在当前状态(运行状态)和期望状态(所需状态)之间进行同步,使本节点的pod都按预期状态运行。事实上,syncLoop仅仅对对syncLoopIteration的封装,每一次具体的同步操作都将交由syncLoopIteration完成。

// kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go
func (kl *Kubelet) syncLoopIteration(configCh <-chan kubetypes.PodUpdate ......) bool {
    select {
    case u, open := <-configCh:
        switch u.Op {
        case kubetypes.ADD:
            handler.HandlePodAdditions(u.Pods)
        case kubetypes.UPDATE:
            handler.HandlePodUpdates(u.Pods)
        ...
        }
    case e := <-plegCh:
        ...
        handler.HandlePodSyncs([]*v1.Pod{pod})
        ...
    case <-syncCh:
        podsToSync := kl.getPodsToSync()
        if len(podsToSync) == 0 {
            break
        }
        handler.HandlePodSyncs(podsToSync)
    case update := <-kl.livenessManager.Updates():
        if update.Result == proberesults.Failure {
            ...
            handler.HandlePodSyncs([]*v1.Pod{pod})
        }
    case <-housekeepingCh:
         ...
        handler.HandlePodCleanups()
        ...
    }
}

syncLoopIteration函数的处理逻辑很简单,它会对多个渠道进行监听,一旦从某个渠道中获取到了某类事件,就调用相应的处理函数对其进行处理。下面,我们对各类事件做一个简单的叙述:

  1. configCh中荚电子杂志配置信息的改变,并根据改变的类型,调用对应的处理函数。例如有新的吊舱绑定到本节点上时,调用就会HandlePodAdditions在本。节点上新建这些吊舱。如果某些荚的配置发生了改变,则会调用HandlePodUpdates对这些pod进行更新。

  2. 若荚中有容器的状态发生了变化,例如有新的容器创建并运行,则会向plegCh这个通道发送PodlifecycleEvent这样一个事件,其中包含了事件类型ContainerStarted,该容器的ID,以及它所属Pod的ID,接着syncLoopIteration会调用HandlePodSyncs对该pod进行同步。

  3. syncCh其实是一个定时器,Kubelet默认每隔一秒它就会触发一次,对当前节点上所有需要同步的pod进行同步。

  4. Kubelet在初始化过程中会创建livenessManager,它会对进行了相关配置的吊舱进行健康检查。一旦检测到吊舱的运行状态出错,同样会调用HandlePodSyncs对相应的吊舱进行同步。关于这部分的内容,我们将在下文中详细描述。

  5. houseKeepingCh同样是一个定时器,Kubelet默认每隔两秒它就会触发一次并调用处理函数HandlePodCleanups。简单地说,这就是一个定时清理的机制,每隔一段时间对那些已经结束运行的pod的相关资源进行回收。

深入理解Kubelet核心执行框架
如上图所示,大多数处理函数的执行路径是非常类似的。

不管是HandlePodAdditionsHandlePodUpdates还是HandlePodSyncs都会在完成自己特有的一些操作之后调用dispatchWork函数。而dispatchWork函数如果确认了要同步的吊舱处于不Terminated状态,调用就会podWokersUpdate方法对荚果进行更新。事实上,不管是新建荚,还是对荚的更新,同步,我们都可以将其统一为从当前状态(运行状态)到目标状态(所需状态)过渡的过程。这样的解释对于pod的更新和同步是很直观的。而对于新建pod,则可以认为它的当前状态为空,那么我们也能将其纳入这个框架中。因此,无论我们是要创建,更新还是同步荚,我们名单最终调用只要统一的Update函数,就能让指定的吊舱从当前状态转换到目标状态。

podWorkers会在Kubelet初始化的过程中被创建,如下所示:

// kubernetes/pkg/kubelet/pod_workers.go
type podWorkers struct {
    ...
    podUpdates map[types.UID]chan UpdatePodOptions

    isWorking map[types.UID]bool

    lastUndeliveredWorkUpdate map[types.UID]UpdatePodOptions

    workQueue queue.WorkQueue

    syncPodFn syncPodFnType

    podCache kubecontainer.Cache
    ...
}

当Kubelet每创建一个新的吊舱,都会为其配置一个专有的荚工人。每个荚工人其实就是一个够程,它会创建一个缓存大小为1,类型为UpdatePodOptions(一个UpdatePodOptions就是一个荚更新事件)的信道,并不断对其监听来获取pod的更新事件并调用podWorkerssyncPodFn字段指定的同步函数进行具体的同步工作。

同时,pod worker会将该通道注册到podWorkers中的podUpdates这个地图中,从而可以让外部将指定的更新事件发送到对应的pod worker,让它进行处理。

如果pod worker正在处理某个更新,这时候又来了另外一个更新事件怎么办?podWorkers会将其中最新的一个缓存到lastUndeliveredWorkUpdate并在pod worker处理完当前更新事件之后马上对其进行处理。

最后,pod worker每处理完一次更新,都会将pod加入podWorkersworkQueue队列,而且会附加一个时延,只有时延消耗完了,才能将pod从队列中再次取出,进行下一次的同步。在上文中我们提到,每过1秒就会触发一次syncCh,收集本节点上需要进行同步的豆荚调用再HandlePodSyncs进行同步。事实上,那些荚从正是workQueue中的电子杂志,在当前时间节点,时延到期的吊舱。由此,整个pod的同步过程,如下所示,形成了一个闭环。

深入理解Kubelet核心执行框架

Kubelet在创建podWorkers对象的时候,会用自己的syncPod方法syncPodFn初始化。不过该方法所做的工作也仅仅是真正进行同步前的一些准备工作。例如将pod的最新状态上传给Apiserver,创建pod的专属目录,获取荚的拉动秘密等等。最终,Kubelet调用会所属其的containerRuntimeSyncPod方法进行同步工作。containerRuntime是Kubelet对底层容器运行时的一种抽象,定义了各种容器运行时需要满足的接口SyncPod方法就是这些接口中的一个。

Kubelet并不会进行任何具体的容器相关的操作,所谓pod的同步,本质上还是对相关容器状态的改变,而要做到这一点,最终必然只能调用例如PouchContainer这样的底层容器运行时来完成。

下面,将我们展示进入containerRuntimeSyncPod方法,展示真正的同步工作:

// kubernetes/pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_manager.go
func (m *kubeGenericRuntimeManager) SyncPod(pod *v1.Pod, _ v1.PodStatus, podStatus *kubecontainer.PodStatus, pullSecrets []v1.Secret, backOff *flowcontrol.Backoff) (result kubecontainer.PodSyncResult)

该函数首先会调用computePodActions(pod, podStatus),对pod的当前状态podStatus和pod的目标状态pod进行比较,从而计算出我们要进行哪些具体的同步工作。计算结束之后,返回一个PodActions对象如下所示:

// kubernetes/pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_manager.go
type podActions struct {
    KillPod bool

    CreateSandbox bool

    SandboxID string

    Attempt uint32

    ContainersToKill map[kubecontainer.ContainerID]containerToKillInfo

    NextInitContainerToStart *v1.Container

    ContainersToStart []int
}

事实上,PodActions就是一个操作列表:

  1. KillPodCreateSandbox的值一般情况下是一致的,表示是否杀死当前Pod的Sandbox(若创建一个新Pod,则该操作为空)而创建一个新的

  2. SandboxID用于对pod的创建操作进行标识,若它的值为空,表示第一次创建pod,否则表示杀死原有的sandbox而创建一个新的

  3. Attempt表示pod重新创建sandbox的次数,第一次创建pod时,该值为0,作用和SandboxID是类似的

  4. ContainersToKill指定了我们需要杀死的pod中的一些容器,之所以要删除它们,可能是因为容器的配置已经发生了变化,或者对它的健康检查失败了

  5. 如果pod的init容器还没有全部运行完成或者在运行过程中出现了问题,NextInitContainerToStart表示下一个要创建的init container,创建并启动它,此次同步结束

  6. 若荚的沙箱已经创建完成,init container也都运行完毕,则根据ContainersToStart启动pod中还未正常运行的普通容器

有了这样一份操作列表之后,SyncPod剩下的操作就异常简单了,无非是根据配置,按部就班地调用底层容器运行时的相应接口,进行具体的容器增删工作,完成同步。

总的来说,对于pod的同步可以简单归结为:当荚的目标状态发生改变,或者每隔一个同步周期,都会触发对相应pod的同步,而同步的具体内容就是将容器的目标状态和当前状态进行比对计算,生成一张容器的启停清单,根据该清单调用底层的容器运行时接口完成相应容器的启停工作。

总结

如果简单地将容器类比为一个进程的话,那么Kubelet本质上就是一个面向容器的进程监视器。它的任务就是不断地促成本节点pod的运行状态向目标状态转换。转换的方式也非常简单粗暴,如果有不符合要求的容器就直接删除,再根据新的配置重建一个,并不存在对一个已有容器反复修改启停的情况。到此为止,Kubelet核心的处理逻辑阐述完毕。

注:

  1. 文中源码对应的Kubernetes版本为v1.9.4,commit:bee2d1505c4fe820744d26d41ecd3fdd4a3d6546

  2. Kubernetes详细的源码注释参加我的github

参考文献

  • Kubernetes源码

    https://github.com/YaoZengzeng/kubernetes

  • 什么甚至是一个kubelet?

    http://kamalmarhubi.com/blog/2015/08/27/what-even-is-a-kubelet/

深入理解Kubelet核心执行框架

深入理解Kubelet核心执行框架


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