中国东信基于 Kubernetes 的容器云 PaaS 平台

发布于:2020 年 4 月 15 日 23:04

中国东信基于Kubernetes的容器云PaaS平台

“中国 - 东盟信息港”是按照国家“一带一路”倡议总体布局要求、建设更为紧密的中国—东盟命运共同体、21 世纪海上丝绸之路的一个信息平台: http://www.caih.com 。东信基于 Rancher Kubernetes 架构和建设了他们的容器云 PaaS 平台,在云原生、容器化、微服务、CICD、DevOps 等方面的都有了相关实践和应用。

6 月 28 日,负责中国东信容器云 PaaS 平台的研发和建设、中国 - 东盟信息港的研发总监王志雄出席了 Rancher Labs 举办的 Container Day 2018 容器技术大会,并做了题为 《中国东信基于 Kubernetes 的容器云 PaaS 平台》 的主题演讲, 本文根据演讲内容整理而成

王志雄,中国 - 东盟信息港研发总监,负责中国东信公司容器云的研发和管理工作。硕士,曾就职于 IBM、华为等公司,在 IBM 时任研发部门经理、技术专家。10 年以上的云计算 IaaS、PaaS、容器云、SDN/NFV、微服务、DevOps 等研发经验。

各位来宾,各位朋友,大家上午好,我是来自中国 - 东盟信息港的王志雄,在中国东信负责容器云 PaaS 平台的研发和建设。今天我从技术角度、就如下四个方面,给大家分享 中国东信基于 Kubernetes 建设容器云 PaaS 平台的经验

中国东信基于Kubernetes的容器云PaaS平台

第一个是 PaaS 平台,PaaS 平台在云计算刚出现的时候就已经和 IaaS、SaaS 已经共存了,但是刚开始只是不温不火,为什么到这几年 PaaS 平台才这么火了呢?如何来建设一个 PaaS 台?PaaS 平台需要哪些技术内容来承载?我会在这里做一个分享。

第二个是微服务,微服务我们说有两条路线,第一条是 SpringCloud,第二条是 Kubernetes,我们来看一看怎么使用 Kubernetes 来构建一个微服务的平台。

第三个是 CICD ,第四个是 DevOps。我们会看到有些场合说的 CICD,有的场合说的 DevOps,这二者有什么关系,有什么区别,如何来构建 CICD 和 DevOps,我会在这里做一个揭晓。

Kubernetes 与容器云 PaaS 平台

我们首先来看一下 Kubernetes 与容器云平台。Kubernetes 这个 PaaS 平台要解决三个方面的 IT 架构方面的问题。 第一,耦合,我们做研发的知道,除了应用程序之外,不管 Java,还是 Go,还是 Python,都需要大量的应用配置,这些配置和我们的系统环境——Windows 也好,Linux 也好——都是耦合的,所以会经常出现我们在交付产品的时候,明明在研发的环境可用的,到了测试不可用,到了最后的生产发布也不可用,从而出现这样的神秘的 BUG、神秘的配置。之前有人提出一个比较好的方法是写一个很好的文档以供参考,但是文档通常还是会遗漏,而且这还要依赖于我们人员写文档的能力,以及理解的能力。 第二个,繁杂,现在不论是技术、工具还是语言都非常繁杂,例如语言有 java、有 Go、有 python、有 php。 第三个,不灵活 ,我们现在互联网时代是需要从按周发布,提升为按天发布,甚至一天几次、十几次甚至上百次发布,这在以前的物理机或者虚拟机时代是不可能的。

中国东信基于Kubernetes的容器云PaaS平台

所以如何来解决这些问题?Cloud Native 是这个答案。Cloud Native 能做到什么呢?第一是容器化,把应用以及它的配置打包,保证开发、测试和运维的环境一致,从而避免神秘的配置、神秘的错误、神秘的文档、还有可能是神秘的人。第二是面向微服务,把以前的一体的区域式服务给分解为微服务,从而更灵活,并可以独立更新。第三方面是动态编排管理,如果容器很多,则需要大量的配置文件,需要部署很多容器则必然要用到编排管理,也就是我们在此选择的 Kubernetes。

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下图是中国东信基于 Kubernetes、Docker 研发的四大场景。第一是企业应用平台,企业应用平台可以将应用在平台上做到一键部署,利用 pod auto-scaling 进行弹性自动伸缩,如果出现故障则可以通过 health check 实现故障自愈,另外还有强大的灰度发布功能。之前的互联网公司可能需要一个非常大的团队来做灰度发布,如今使用 Kubernetes,Kubernetes 已经自带灰度发布功能了。第二个是我们的微服务,用 Kubernetes 来构建我们的微服务平台,构建之后我们就可以组件化、松耦合、去中心,而且是灵活独立的。第三个我们做了这样一套 CICD 的系统,CICD 的系统从我们的开发、从代码提交、从编译到构建到自动化测试、到容器化发布。第四个是 DevOps ,DevOps 是可以做到开发运维的协同。

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这是我们中国东信的 PaaS 平台,我们从最底层看起,最底层是容器云的 Infra,我们说 Infra 不是 IaaS 产品吗?其实不管是 IaaS 还是 PaaS 都需要 Infrastructure,当然它们是有区别的。我们不管做 Iass 做 PaaS ,其中的难点归到最后其实都是 存储和网络 ,我在后面会分享存储网络我们是怎么做的。再上来是容器资源管理,以及容器集群编排与调度,需要把这个 Pod 调度到众多集群节点中的哪一个?根据什么策略来调度?根据 CPU 调度还是根据内存调度?根据亲和策略还是反亲和策略?再上来是我们容器云应用 Service,我们说 PaaS 平台是以应用为中心,所以肯定需要这样一个强大的应用 Service,PaaS 平台应用的 Service 有服务发现、配置中心、负载均衡、弹性伸缩、服务编排这样一些强大的功能,那么就用我们的 PaaS 平台,上面我们会提供中间件、数据库、负载均衡、文件存储等等。如果需要哪一个,比如需要一个 MySQL ,把一个 MySQL 容器拿过去用就可以了。再去用我们的中间件,PaaS 平台上面就承载我们庞大的、灵活的企业应用。

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如果研发过 Kubernetes 应该对这个图很熟悉,这是个典型的 Kubernetes 集群,我们分两个层面来看。第一个层面一个是我们自己内部的管理,部署 Service,Service 都是通过 Master 进行来管理,通过 API Server 来和各个组件进行交互,用 Controller Mananger 来控制我们各个组件获得的调度,Scheduler 是具体的应用策略,etcd 是一个数据库。那么会调度到我们的 Node 上,Node 上存在我们的 Pod ,一个 Pod 里可以有可以有多个 Container,这是我们的内部的管理提供 Service。第二个层面是我们从外部的访问,外部的访问一般就是通过 Internet 经过防火墙来访问我们对外提供一个 ingress ,ingress 是 Kubernetes 提供的一个非常强大的功能,有了 ingress 之后,我们可以对外提供一个统一的域名系统,外部只要访问我们的统一域名,就可以访问我们内部的不同的应用,通过此域名就可以进行智能的分发。

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上面我们说的叫物理架构,而下面我会讲讲逻辑架构,这两个的关注面不一样。逻辑架构从我们研发内部看,最底层是容器基础设施层,包括我们的 Runtime、Volume Plugin、Network Plugin;再上来是核心层,核心层对外提供 API,对内提供 Plugin 环境;第三层是应用层,可以进行部署,可以进行 ingress 智能路由;再上来是管理层,可以进行智能化以及 Network policy;接口层是对外提供我们的命令行管理工具;Ecosystem 是我们的生态。

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刚才说 PaaS 的基础架构的终极难题是网络和存储。我们先来看一下中国东信是怎么解决网络问题的。网络的方案非常多,我们看到有单组区域的,开始是单组区域有 bridge、host、container、NAT,也有原生的 iptables;再上来有主机集群,有 OVS,有 IPSec;现在最主流的就是最上面一行,一个是 Flannel,一个是 calico,还有将这两个折在一起的 Canal。这里我可以提一下我们的 SDN(软件定义网络)。SDN 起源于 Openflow,什么是 Openflow?Openflow 是有强大的报文解析能力,可以对报文进行任意的更改,这个强大的能力刚问世时取得了瞩目的关注,并且在当年被评为未来 10 大创新技术的排名第二位,第一位是云计算,第二位是 SDN。但最初 Openflow 在问世后的广大的应用中碰到了一些问题,因为它和以前传统的不兼容,所以实际上最后被应用最多的是 VXLAN。VXLAN 是一个 overlay 的技术。SDN 在应用最多的是什么?是 VXLAN overlay。第三个是 BGP,BGP 在网络中应该有二三十年的历史,经过不断地打磨、沉淀、优化,实际上 BGP 已经开始统一我们的 SDN 领域了,现在 BGP 已经可以取代我们的软件定义网络,虚拟化的网络。

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SDN 网络通用的两个方向,第一个是 Flannel,Flannel 其实本质上是一个 Overlay 的方案,所以在主机的容器内是自动分布的 IP,只是在主机之外,做了一个 Overlay 叠加的封装,但这个 Overlay 和我们传统的 IaaS 的 overlay 相比其实是不一样的,传统的 IaaS 的 VXLAN 除了 Overlay 的功能,还有多租户的功能,但是这里因为它只在出口做了个封装,所以没有多租户的功能。所以 Flannel 有什么缺点?它没有安全隔离的功能。第二个它封包解包必然带来开销,所以这个是我们要解决的问题。Flannel 官方也表示如果用户想对数据中心做更好的网络安全隔离,推荐用 Calico。

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Calico 的核心是基于 BGP,如果是小网络可以用 BGP 的 client 进行 IP 路由的自动分发以及路由互联。Calico 的好处是什么?简单!若是使用 Overlay 网络出现故障,用户难以排查故障是来自 overlay 还是 underlay;但用 BGP,用户直接定位路由就好了。此外,Calico 还带了一个很好的特性就是和 network policy 结合在一起,可以提供网络的微分段,若一个主机上有多个容器、有多个应用,可以提供很好的安全隔离。Calico 的不足是什么?它需要取决于数据中心对于 BGP 的支持力度,可能现在还不是所有数据中心都是 BGP。但我还是推荐 BGP 的,从最初的的 Facebook 到现在国内的大公司,很多都已经开使用 BGP 来取代所有的内部的路由协议,包括二层协议。这是一个很好的方案,可以简化运维工作,数据中心只有一种路由协议多好。

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谈完网络,另一个难题就是存储。Kubernetes 和 Docker 相比除了普通的 volume 之外,还提供了 persistent volume 和 storage class,通过 PV 和 PVC 来抽象存储细节。这有什么好处?可以做到管理控制与转化分离。管理员关注 PV 的存储细节,用户只要关注 PVC 使用存储就好了。通用的存储 ceph、NFS、Gluster 都没问题。

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容器云微服务

下面我们来看一下怎样用 Kubernetes 来构建一个微服务。下图是我们很熟悉的微服务架构的特性,把一个单体的应用来分解拆分为多个灵活的微服务。微服务的特性是服务的组件化。怎样拆分一个微服务?不是按代码的行数,不是按函数,而是按功能、按产品模式来拆分。有了微服务就可以去中心化的管理。

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构建微服务,必然要有如下这些功能:有这么多的服务,怎样发现这个服务?所以要服务发现。多个服务如何做到负载均衡?多个应用 service 怎么样进行智能的路由分发?怎样管理成千上万个服务的配置?怎样弹性伸缩?怎样容错?怎样自动升级?访问控制怎么做?

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下图就是我们使用 Kubernetes 来构建的微服务。怎样来构建?把上述问题的答案汇聚在一起就是最终答案了。第一个服务发现,使用我们的 service,包括我们 Kubernetes 内置的 DNS 就可以来做这样一个服务发现。第二个负载均衡,有 node 上的 kube-proxy 加上我们的 service 分发是负载均衡。第三个智能路由,通过 ingress 可以智能地将不同的应用通过统一的入口分发到后端的服务。配置中心通过我们的 Kubernetes 的 config-map,可以在一个统一的服务器上进行远端多个微服务的配置的统一管理、统一更新。明文用 config-map,如果重要的机密的配置可以 secret。

再接下来是我们的服务编排,deployment 是实际使用过程中用户非常欢迎的一个特性。因为 deployment 把这个 yaml 文件写好之后,大家去自动部署了,需要几个副本,它会自动的去扩容以及缩容 deployment。如果需要开发一个应用商店,可以去 helm 开发。

再下来是我们的弹性伸缩,通过 RS 写好副本数,再通过 auto-scaling 指定需要自动伸缩的条件,比如说可以基于 CPU 伸缩,可以基于我们的内存访问伸缩。再下来是我们的容错,使用我们的 liveness 来监控我们的容器以及应用的健康状况,如果容器挂掉了,可以把它重启,如果这个节点挂掉了,那就把容器调度到另一个节点。熔断怎么做?可以用我们的 readiness,readiness 不但可以监控我们的容器的存活,还可以监控我们的 service 是否是健康的。

限流,限流可以通过我们的 quota 限额,可以通过我们的 namespace 限额,也可以对我们的 pod 限额,也可以对容器限额。

升级,rolling updates 是自动升级,有问题可以一键回滚。那 RBAC 是可以提供基于角色的安全访问。Network policy 在 BGP Calico 基础上提供微分段,可以很好的安全隔离,包括日志监控 EFK 和 Prometheus。

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容器云 CI/CD

如何来做容器云的 CI/CD,自然使用我们的容器云三剑客,Jenkins+Docker+Kubernetes。其实在容器云出现之前,其实已经有 CI/CD 了,那时 CI/CD 用 Jenkins 做,Jenkins 可以提供编译、构件、测试、任务调度的流水线;那 Docker 有什么作用?可以让我们的环境标准化,可以隔离;Kubernetes 可以提供一个大的平台,可以让资源共享、弹性伸缩。

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CI/CD 也就是需要把开发、测试流水线做一个自动化,从开发、编译、构件、测试、打包到部署,所以在我们的测试报告出来之后,如果是通过了就把镜像上传到镜像仓库,然后再发布到 Kubernetes 的发布平台。

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DevOps

谈完 CI/CD 我们来看一下很火的 DevOps。通过这张图我们其实就可以看出 CI/CD 和 DevOps 有什么区别,有什么联系,什么场合该用 CI/CD,什么场合该用 DevOps。CI/CD 在左边,CI/CD 最关注的是开发和测试,关注的具体的序数是什么?是 Jenkins 来做个流水线,是 Git 来做一个源代码的仓库、源代码的拉取,Maven 来做构建,SonarQube 来做静态的代码分析,Robotframework 来做自动化的测试。SonarQube 这样一个代码分析工具对我们的编译通过之外的一个保证把它良好的代码是有非常好的好处。因为我记得还是在十年前,当时在一个国内特大公司入职培训的时候,一般的导师对每位员工都会培训一个案例:代码规范。好的代码并不是通过编译就行了,而且需要好的编程规范,避免通过了编译但却其实会出现神秘的故障,而且很难定位。

看完 CI/CD,我们来看看 DevOps 关注什么。DevOps 的关注的是我们发布的环境要自动伸缩,要 A/B Test,要灰度发布,要自动的升级,或者要滚动升级,滚动升级就是指不是一次性升级完所有的 pod,还是可以选择性的升级一部分,比如升级 20%,或者升级 50%。有什么好处?可以使我们的应用服务不中断。它们两者的共同点,当然都需要基于 Docker 和 Kubernetes 来做这样的一个容器化封装和自动化。右边的这个 DevOps 其实是 DevOps 刚出现的时候,我们叫标准的 DevOps。它和 CI/CD 有区别,但是其实有很大的联系,CI/CD 和这样的标准 DevOps 组合起来就叫做我们的大 DevOps,所以这两者是可以结合起来,CI/CD 解决我们开发、测试、自动化、标准化的问题,标准 DevOps 解决我们的开发运维,主要是运维方面的问题,只有这两者结合起来就可以一键式解决我们的开发、测试、运维问题,并且可以形成一个闭环。

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下图就是滚动升级这一功能,可以通过逐个容器替代,升级其中的 25% 的容器,然后再确认一下,如果工作正常,我们再可以升级其中的下一批容器。

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下面是灰度发布。这在我们日新月异的频繁发布的互联网场景特别有用。因为我们有大量的互联网应用。所以有一个特别好的新功能,像看看它的这个功能,看看用户的反馈,用户的使用情况怎么样,我们的灰度发布。用 Kubernetes 的 pod 非常方便。开始可以给一个灰度版本 1,内部用户使用的没问题,再给一个版本 2,给我们的用户群,用户群 A,再逐渐的扩大到所有的用户,这是互联网非常好的应用。

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总结

这里来回顾一下中国东信基于 Kubernetes 开发的这样四大场景。第一个是 PaaS 企业应用平台。第二个是 Kubernetes 的微服务,SpringCloud 也是微服务,但 SpringCloud 微服务是主要关注在应用层面,而且它只是针对 Java 有效,对别的语言是没有的。Kubernetes 是语言无关的,而且是比 SpringCloud 使用面更广的,但最佳的实践是可以把我们的 SpringCloud 的每个微服务通过容器化的方式进行封装,再通过 Kubernetes 进行平台的集群资源调度和自动伸缩。第三个就是我们 CICD,第四个是我们的 DevOps。

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