作者：shengdong
不知道大家有沒有意識到一個現實，就是大部分時候，我們已經不像以前一樣，通過命令行，或者可視窗口來使用一個系統了。現在我們上微博、或者網購，操作的其實不是眼前這臺設備，而是一個又一個集群。
通常，這樣的集群擁有成百上千個節點，每個節點是一臺物理機或虛擬機。集群一般遠離用戶，坐落在數據中心。為了讓這些節點互相協作，對外提供一致且高效的服務，集群需要操作系統。Kubernetes就是這樣的操作系統。
比較Kubernetes和單機操作系統，Kubernetes相當於內核，它負責集群軟硬件資源管理，並對外提供統一的入口，用戶可以通過這個入口來使用集群，和集群溝通。
而運行在集群之上的程序，與普通程序有很大的不同。這樣的程序，是“關在籠子裡”的程序。它們從被製作，到被部署，再到被使用，都不尋常。我們只有深挖根源，才能理解其本質。
“關在籠子裡”的程序
代碼
我們使用go語言寫了一個簡單的web服務器程序app.go，這個程序監聽在2580這個端口。通過http協議訪問這個服務的根路徑，服務會返回“This is a small app for kubernetes...”字符串。
package main
import (
"github.com/gorilla/mux"
"log"
"net/http"
)
func about(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
w.Write([]byte("This is a small app for kubernetes...\n"))
}
func main() {
r := mux.NewRouter()
r.HandleFunc("/", about)
log.Fatal(http.ListenAndServe("0.0.0.0:2580", r))
}使用go build命令編譯這個程序，產生app可執行文件。這是一個普通的可執行文件，它在操作系統裡運行，會依賴系統裡的庫文件。
# ldd app
linux-vdso.so.1 => (0x00007ffd1f7a3000)
libpthread.so.0 => /lib64/libpthread.so.0 (0x00007f554fd4a000)
libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f554f97d000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f554ff66000)
“籠子”
為了讓這個程序不依賴於操作系統自身的庫文件，我們需要製作容器鏡像，即隔離的運行環境。Dockerfile是製作容器鏡像的“菜譜”。我們的菜譜就只有兩個步驟，下載一個centos的基礎鏡像，把app這個可執行文件放到鏡像中/usr/local/bin目錄中去。
FROM centos
ADD app /usr/local/bin地址
製作好的鏡像存再本地，我們需要把這個鏡像上傳到鏡像倉庫裡去。這裡的鏡像倉庫，相當於應用商店。我們使用阿里雲的鏡像倉庫，上傳之後鏡像地址是:
registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/kube-easy/app:latest
鏡像地址可以拆分成四個部分：倉庫地址/命名空間/鏡像名稱:鏡像版本。顯然，鏡像上邊的鏡像，在阿里雲杭州鏡像倉庫，使用的命名空間是kube-easy，鏡像名:版本是app:latest。至此，我們有了一個可以在Kubernetes集群上運行的，“關在籠子裡”的小程序。
得其門而入
入口
Kubernetes作為操作系統，和普通的操作系統一樣，有API的概念。有了API，集群就有了入口；有了API，我們使用集群，才能得其門而入。Kubernetes的API被實現為運行在集群節點上的組件API Server。這個組件是典型的web服務器程序，通過對外暴露http(s)接口來提供服務。
這裡我們創建一個阿里雲Kubernetes集群。登錄集群管理頁面，我們可以看到API Server的公網入口。
API Server 內網連接端點： https://xx.xxx.xxx.xxx:6443雙向數字證書驗證
阿里雲Kubernetes集群API Server組件，使用基於CA簽名的雙向數字證書認證來保證客戶端與api server之間的安全通信。這句話很繞口，對於初學者不太好理解，我們來深入解釋一下。
從概念上來講，數字證書是用來驗證網絡通信參與者的一個文件。這和學校頒發給學生的畢業證書類似。在學校和學生之間，學校是可信第三方CA，而學生是通信參與者。如果社會普遍信任一個學校的聲譽的話，那麼這個學校頒發的畢業證書，也會得到社會認可。參與者證書和CA證書可以類比畢業證和學校的辦學許可證。
這裡我們有兩類參與者，CA和普通參與者；與此對應，我們有兩種證書，CA證書和參與者證書；另外我們還有兩種關係，證書籤發關係，以及信任關係。這兩種關係至關重要。
我們先看簽發關係。如下圖，我們有兩張CA證書，三個參與者證書。其中最上邊的CA證書，簽發了兩張證書，一張是中間的CA證書，另一張是右邊的參與者證書；中間的CA證書，簽發了下邊兩張參與者證書。這六張證書以簽發關係為聯繫，形成了樹狀的證書籤發關係圖。
然而，證書以及簽發關係本身，並不能保證可信的通信可以在參與者之間進行。以上圖為例，假設最右邊的參與者是一個網站，最左邊的參與者是一個瀏覽器，瀏覽器相信網站的數據，不是因為網站有證書，也不是因為網站的證書是CA簽發的，而是因為瀏覽器相信最上邊的CA，也就是信任關係。
理解了CA（證書），參與者（證書），簽發關係，以及信任關係之後，我們回過頭來看“基於CA簽名的雙向數字證書認證”。客戶端和API Server作為通信的普通參與者，各有一張證書。而這兩張證書，都是由CA簽發，我們簡單稱它們為集群CA和客戶端CA。客戶端信任集群CA，所以它信任擁有集群CA簽發證書的API Server；反過來API Server需要信任客戶端CA，它才願意與客戶端通信。
阿里雲Kubernetes集群，集群CA證書，和客戶端CA證書，實現上其實是一張證書，所以我們有這樣的關係圖。
KubeConfig文件
登錄集群管理控制檯，我們可以拿到KubeConfig文件。這個文件包括了客戶端證書，集群CA證書，以及其他。證書使用base64編碼，所以我們可以使用base64工具解碼證書，並使用openssl查看證書文本。
- 首先，客戶端證書的簽發者CN是集群id c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72，而證書本身的CN是子賬號252771643302762862。
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 787224 (0xc0318)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72
Validity
Not Before: Nov 29 06:03:00 2018 GMT
Not After : Nov 28 06:08:39 2021 GMT
Subject: O=system:users, OU=, CN=252771643302762862
- 其次，只有在API Server信任客戶端CA證書的情況下，上邊的客戶端證書才能通過API Server的驗證。kube-apiserver進程通過client-ca-file這個參數指定其信任的客戶端CA證書，其指定的證書是/etc/kubernetes/pki/apiserver-ca.crt。這個文件實際上包含了兩張客戶端CA證書，其中一張和集群管控有關係，這裡不做解釋，另外一張如下，它的CN與客戶端證書的簽發者CN一致。
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 787224 (0xc0318)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72
Validity
Not Before: Nov 29 06:03:00 2018 GMT
Not After : Nov 28 06:08:39 2021 GMT
Subject: O=system:users, OU=, CN=252771643302762862
- 再次，API Server使用的證書，由kube-apiserver的參數tls-cert-file決定，這個參數指向證書/etc/kubernetes/pki/apiserver.crt。這個證書的CN是kube-apiserver，簽發者是c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72，即集群CA證書。
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 2184578451551960857 (0x1e512e86fcba3f19)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72
Validity
Not Before: Nov 29 03:59:00 2018 GMT
Not After : Nov 29 04:14:23 2019 GMT
Subject: CN=kube-apiserver- 最後，客戶端需要驗證上邊這張API Server的證書，因而KubeConfig文件裡包含了其簽發者，即集群CA證書。對比集群CA證書和客戶端CA證書，發現兩張證書完全一樣，這符合我們的預期。
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 786974 (0xc021e)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: C=CN, ST=ZheJiang, L=HangZhou, O=Alibaba, OU=ACS, CN=root
Validity
Not Before: Nov 29 03:59:00 2018 GMT
Not After : Nov 24 04:04:00 2038 GMT
Subject: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72
訪問
理解了原理之後，我們可以做一個簡單的測試。我們以證書作為參數，使用curl訪問api server，並得到預期結果。
# curl --cert ./client.crt --cacert ./ca.crt --key ./client.key https://xx.xx.xx.xxx:6443/api/
{
"kind": "APIVersions",
"versions": [
"v1"
],
"serverAddressByClientCIDRs": [
{
"clientCIDR": "0.0.0.0/0",
"serverAddress": "192.168.0.222:6443"
}
]
}
擇優而居
兩種節點，一種任務
如開始所講，Kubernetes是管理集群多個節點的操作系統。這些節點在集群中的角色，卻不必完全一樣。Kubernetes集群有兩種節點，master節點和worker節點。
這種角色的區分，實際上就是一種分工：master負責整個集群的管理，其上運行的以集群管理組件為主，這些組件包括實現集群入口的api server；而worker節點主要負責承載普通任務。
在Kubernetes集群中，任務被定義為pod這個概念。pod是集群可承載任務的原子單元。pod被翻譯成容器組，其實是意譯，因為一個pod實際上封裝了多個容器化的應用。原則上來講，被封裝在一個pod裡邊的容器，應該是存在相當程度的耦合關係。
擇優而居
調度算法需要解決的問題，是替pod選擇一個舒適的“居所”，讓pod所定義的任務可以在這個節點上順利地完成。
為了實現“擇優而居”的目標，Kubernetes集群調度算法採用了兩步走的策略：第一步，從所有節點中排除不滿足條件的節點，即預選；第二步，給剩餘的節點打分，最後得分高者勝出，即優選。
下邊，我們使用文章開始的時候製作的鏡像，創建一個pod，並通過日誌來具體分析一下，這個pod怎麼樣被調度到某一個集群節點。
Pod配置
首先，我們創建pod的配置文件，配置文件格式是json。這個配置文件有三個地方比較關鍵，分別是鏡像地址，命令以及容器的端口。
{
"apiVersion": "v1",
"kind": "Pod",
"metadata": {
"name": "app"
},
"spec": {
"containers": [
{
"name": "app",
"image": "registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/kube-easy/app:latest",
"command": [
"app"
],
"ports": [
{
"containerPort": 2580
}
]
}
]
}
}
日誌級別
集群調度算法被實現為運行在master節點上的系統組件，這一點和api server類似。其對應的進程名是kube-scheduler。kube-scheduler支持多個級別的日誌輸出，但社區並沒有提供詳細的日誌級別說明文檔。查看調度算法對節點進行篩選、打分的過程，我們需要把日誌級別提高到10，即加入參數--v=10。
kube-scheduler --address=127.0.0.1 --kubeconfig=/etc/kubernetes/scheduler.conf --leader-elect=true --v=10創建Pod
使用curl，以證書和pod配置文件等作為參數，通過POST請求訪問api server的接口，我們可以在集群裡創建對應的pod。
# curl -X POST -H 'Content-Type: application/json;charset=utf-8' --cert ./client.crt --cacert ./ca.crt --key ./client.key https://47.110.197.238:6443/api/v1/namespaces/default/pods [email protected]
預選
預選是Kubernetes調度的第一步，這一步要做的事情，是根據預先定義的規則，把不符合條件的節點過濾掉。不同版本的Kubernetes所實現的預選規則有很大的不同，但基本的趨勢，是預選規則會越來越豐富。
比較常見的兩個預選規則是PodFitsResourcesPred和PodFitsHostPortsPred。前一個規則用來判斷，一個節點上的剩餘資源，是不是能夠滿足pod的需求；而後一個規則，檢查一個節點上某一個端口是不是已經被其他pod所使用了。
下圖是調度算法在處理測試pod的時候，輸出的預選規則的日誌。這段日誌記錄了預選規則CheckVolumeBindingPred 的執行情況。某些類型的存儲卷（PV），只能掛載到一個節點上，這個規則可以過濾掉不滿足pod對PV需求的節點。
從app的編排文件裡可以看到，pod對存儲卷並沒有什麼需求，所以這個條件並沒有過濾掉節點。
優選
調度算法的第二個階段是優選階段。這個階段，kube-scheduler會根據節點可用資源及其他一些規則，給剩餘節點打分。
目前，CPU和內存是調度算法考量的兩種主要資源，但考量的方式並不是簡單的，剩餘CPU、內存資源越多，得分就越高。
日誌記錄了兩種計算方式：LeastResourceAllocation和BalancedResourceAllocation。前一種方式計算pod調度到節點之後，節點剩餘CPU和內存佔總CPU和內存的比例，比例越高得分就越高；第二種方式計算節點上CPU和內存使用比例之差的絕對值，絕對值越大，得分越少。
這兩種方式，一種傾向於選出資源使用率較低的節點，第二種希望選出兩種資源使用比例接近的節點。這兩種方式有一些矛盾，最終依靠一定的權重來平衡這兩個因素。
除了資源之外，優選算法會考慮其他一些因素，比如pod與節點的親和性，或者如果一個服務有多個相同pod組成的情況下，多個pod在不同節點上的分散程度，這是保證高可用的一種策略。
得分
最後，調度算法會給所有的得分項乘以它們的權重，然後求和得到每個節點最終的得分。因為測試集群使用的是默認調度算法，而默認調度算法把日誌中出現的得分項所對應的權重，都設置成了1，所以如果按日誌裡有記錄得分項來計算，最終三個節點的得分應該是29,28和29。
之所以會出現日誌輸出的得分和我們自己計算的得分不符的情況，是因為日誌並沒有輸出所有的得分項，猜測漏掉的策略應該是NodePreferAvoidPodsPriority，這個策略的權重是10000，每個節點得分10，所以才得出最終日誌輸出的結果。
結束語
在這篇文章中，我們以一個簡單的容器化web程序為例，著重分析了客戶端怎麼樣通過Kubernetes集群API Server認證，以及容器應用怎麼樣被分派到合適節點這兩件事情。
在分析過程中，我們棄用了一些便利的工具，比如kubectl，或者控制檯。我們用了一些更接近底層的小實驗，比如拆解KubeConfig文件，再比如分析調度器日誌來分析認證和調度算法的運作原理。希望這些對大家進一步理解Kubernetes集群有所幫助。