简介：当我们尝试去理解Kubernetes集群工作原理的时候，控制器肯定是一个难点。这是因为控制器有很多，具体实现大相径庭；且控制器的实现用到了一些较为晦涩的机制，不易理解。但是，我们又不能绕过控制器，因为它是集群的“大脑”。

当我们尝试去理解Kubernetes集群工作原理的时候，控制器肯定是一个难点。这是因为控制器有很多，具体实现大相径庭；且控制器的实现用到了一些较为晦涩的机制，不易理解。但是，我们又不能绕过控制器，因为它是集群的“大脑”。今天这篇文章，我们通过分析一个简易冰箱的设计过程，来深入理解集群控制器的产生，功能以及实现方法。

大图

下图是Kubernetes集群的核心组件，包括数据库etcd，调度器scheduler，集群入口API Server，控制器Controller，服务代理kube-proxy以及直接管理具体业务容器的kubelet。这些组件逻辑上可以被分为三个部分：核心组件etc数据库，对etcd进行直接操作的入口组件API Server，以及其他组件。这里的“其他组件”之所以可以被划分为一类，是因为它们都可以被看做是集群的控制器。

今天我们要讲的就是集群控制器原理。

控制器原理

虽然控制器是Kubernetes集群中比较复杂的组件，但控制器本身对我们来说并不陌生的。我们每天使用的洗衣机、冰箱、空调等，都是依靠控制器才能正常工作。在控制器原理这一节，我们通过思考一个简易冰箱的设计过程，来理解Kubernetes集群控制器的原理。

简易的冰箱

这个冰箱包括五个组件：箱体、制冷系统、照明系统、温控器以及门。冰箱只有两个功能：当有人打开冰箱门的时候，冰箱内的灯会自动开启；当有人按下温控器的时候，制冷系统会根据温度设置，调节冰箱内温度。

统一入口

对于上边的冰箱，我们可以简单抽象成两个部分：统一的操作入口和冰箱的所有组件。在这里，用户只有通过入口，才能操作冰箱。这个入口提供给用户两个接口：开关门和调节温控器。用户执行这两个接口的时候，入口会分别调整冰箱门和温控器的状态。

控制器

控制器就是为了解决上边的问题产生的。控制器就是用户的操作，和冰箱各个组件的正确状态之间的一座桥梁：当用户打开门的时候，控制器观察到了门的变化，它替用户打开冰箱内的灯；当用户按下温控器的时候，控制器观察到了用户设置的温度，它替用户管理制冷系统，调节冰箱内温度。

控制器管理器

冰箱有照明系统和制冷系统，显然相比一个控制器管理着两个组件，我们替每个组件分别实现一个控制器是更为合理的选择。同时我们实现一个控制器管理器来统一维护所有这些控制器，来保证这些控制器在正常工作。

SharedInformer

上边的控制器和控制器管理器，看起来已经相当不错了。但是当冰箱功能增加，势必有很多新的控制器加进来。这些控制器都需要通过冰箱入口，时刻监控自己关心的组件的状态变化。比如照明系统控制器就需要时刻监控冰箱门的状态。当大量控制器不断的和入口通信的时候，就会增加入口的压力。

这个时候，我们把监控冰箱组件状态变化这件事情，交给一个新的模块SharedInformer来实现。SharedInformer作为控制器的代理，替控制器监控冰箱组件的状态变化，并根据控制器的喜好，把不同组件状态的变化，通知给对应的控制器。通过优化，这样的SharedInformer可以极大的缓解冰箱入口的压力。

ListWatcher

假设SharedInformer和冰箱入口通过http协议通信的话，那么http分块编码（chunked transfer encoding）就是实现ListWatcher的一个好的选择。控制器通过ListWatcher给冰箱入口发送一个查询然后等待，当冰箱组件有变化的时候，入口通过分块的http响应通知控制器。控制器看到chunked响应，会认为响应数据还没有发送完成，所以会持续等待。

举例

以上我们从一个简易冰箱的进化过程中，了解了控制器产生的意义，扮演的角色，以及实现的方式。现在我们回到Kubernetes集群。Kubernetes集群实现了大量的控制器，而且在可以预见的未来，新的功能的控制器会不断出现，而一些旧的控制器也会被逐渐淘汰。

目前来说，我们比较常用的控制器，如pod控制器、deployment控制器、service控制器、replicaset控制器等。这些控制器一部分是由kube controller manager这个管理器实现和管理，而像route控制器和service控制器，则由cloud controller manager实现。

之所以会出现cloud controller manager，是因为在不同的云环境中，一部分控制器的实现，会因为云厂商、云环境的不同，出现很大的差别。这类控制器被划分出来，由云厂商各自基于cloud controller manager分别实现。

这里我们以阿里云Kubernetes集群cloud controller manager实现的route控制器和service控制器为例，简单说明Kubernetes控制器的工作原理。

服务控制器

首先，用户请求API Server创建一个LoadBalancer类型的服务，API Server收到请求并把这个服务的详细信息写入etcd数据库。而这个变化，被服务控制器观察到了。服务控制器理解LoadBalancer类型的服务，除了包括存放在etcd内部的服务记录之外，还需要一个SLB作为服务入口，以及若干endpoints作为服务后端。所以服务控制器分别请求SLB的云openapi和API Server，来创建云上SLB资源，和集群内endpoints资源。

路由控制器

在集群网络一章中，我们提到过，当一个节点加入一个Kubernetes集群的时候，集群需要在VPC路由表里增加一条路由，来搭建这个新加入节点到pod网络的主干道。而这件事情，就是路由控制器来做的。路由控制器完成这件事情的流程，与上边服务控制器的处理流程非常类似，这里不再赘述。

结束语

基本上来说，Kubernetes集群的控制器，其实扮演着集群大脑的角色。有了控制器，Kubernetes集群才有机会摆脱机械和被动，变成一个自动、智能、有大用的系统。

作者简介

罗建龙（花名声东），阿里云技术专家。多年操作系统和图形显卡驱动调试和开发经验。目前专注云原生领域，容器集群和服务网格。

创作场景

深入浅出 Kubernetes 理论篇 （一）：理解控制器

深入浅出 Kubernetes 理论篇（一）：理解控制器