KubeNode：阿里巴巴云原生容器基础设施运维实践

简介： 目前 KubeNode 已经覆盖了阿里巴巴集团的所有的 ASI 集群，接下来，将随着阿里巴巴集团“统一资源池”的项目，推进 KubeNode 覆盖更大的范围、更多的场景，让云原生的容器基础设施运维架构发挥更大的价值。

在阿里巴巴的场景下，做节点运维面临的挑战主要来自于这几个方面：规模、复杂性、稳定性。

首先是规模大。从 18 年第一个集群的搭建，到现在线上共运行着数百个 ASI 集群、数十万个节点，其中单集群的节点数最多有超过1万台。在这之上，运行着阿里巴巴集团数万个不同的应用，比如，大家熟知的淘宝、天猫等，总容器实例数有数百万规模。ASI 是指 Alibaba Serverless Infrastructure，也就是阿里巴巴 Serverless 基础设施。ASI 的概念同时包含集群的管控面和节点两方面。每一个 ASI 集群都是调用 Aliyun 标准的 OpenAPI 创建的 ACK 托管版集群，然后在此之上，我们自研了调度器、开发部署了很多的 addon，进行功能增强、性能优化，并对接集团的各个系统，并做到节点全托管，不需要应用开发运维人员关心底层的容器基础设施。

其次是环境非常复杂。目前 IaaS 层运行着很多种异构的机型，有x86服务器，也有 ARM 国产化机型，同时为了服务新计算、AI 的业务，也有 GPU、FPGA 的机型。线上的内核版本也非常多，4.19 是去年开始规模上线的内核版本，同时 3.10 / 4.9 内核版本上的节点问题也需要继续支撑，不同的内核版本演进也需要具备规模化轮转的运维能力。目前上万个在线应用包含了像淘宝、天猫、菜鸟、高德、饿了么、考拉、盒马 等各种不同的业务，同时跟在线应用一起运行着混部、安全容器的业务，像大数据、离线计算、实时计算、搜索等这些业务类型也都跟在线业务运行在同一个主机环境中。

最后是对稳定性的高要求。在线业务的特点是对延迟和抖动非常敏感，单节点的抖动、夯机、宕机等故障都可能会影响某个用户在淘宝的下单付款，引发用户的吐槽和投诉，所以整体对稳定性的要求非常高，要求对单节点故障的处理有很高的及时性和有效性。

KubeNode，是阿里巴巴自主研发的基于云原生方式管理和运维节点的底座项目。与传统的过程式运维手段不同，KubeNode通过K8s扩展CRD以及对应的一组Operator，能够提供完整的节点生命周期和节点组件生命周期管理。通过申明式、面向终态的方式，KubeNode将节点及节点组件的管理变得像管理K8s中的一个应用一样简单，同时实现了节点的高度一致性和自愈修复能力。

上图右侧是 KubeNode 一个简化的架构，整体是由这几个部分组成的：

中心端有 Machine Operator 负责节点和节点组件管理，Remedy Operator 负责节点的故障自愈修复。节点侧有 Kube Node Agent，这个单机 agent 组件负责 watch 中心 Machine Operator、Remedy Operator 生成的 CRD 对象实例，并执行相应的操作，像节点组件的安装、故障自愈任务的执行等。

配合着 KubeNode，阿里巴巴还使用 NPD 进行单机的故障检测，以及对接 Kube Defender (阿里自研组件) 进行统一风控。当然社区版本的 NPD 提供的故障检测项是比较有限的，阿里巴巴在社区的基础上进行了扩展，结合阿里巴巴多年节点、容器运维的实践，加入了很多节点的故障检测项，大大丰富了单机故障检测的能力。

1. KubeNode 和社区项目关系

• github.com / kube-node：不相关，该项目 2018 年初已停止。
• ClusterAPI：KubeNode 可以作为 ClusterAPI 节点终态的补充。

功能对比：

这里解释下阿里巴巴自研的 KubeNode 项目跟社区项目的关系。大家看到 kube-node 这个名字的时候，可能会觉得有点似曾相识，在 github 上是有一个同名的项目 github.com/kube-node，但其实这个项目早在 2018 年初的时候就已经停止了，所以只是名字相同，两者并没有关系。

另外社区的 ClusterAPI 是一个创建并管理 K8s 集群和节点的项目，这里对比了两个项目的关系：

• 集群创建：ClusterAPI 负责集群的创建，KubeNode 不提供此功能。
• 节点创建：ClusterAPI 和 KubeNode 都可以创建节点。
• 节点组件管理和终态维持：ClusterAPI 没有提供相应的功能，KubeNode 可以管理节点组件并保持终态。
• 节点故障自愈：ClusterAPI 主要提供基于节点健康状态重建节点的自愈能力；KubeNode 提供了更丰富的节点组件自愈功能，能对节点上的各种软硬件故障进行自愈修复。

总的来说，KubeNode 可以和 ClusterAPI 一起配合工作，是对 ClusterAPI 的一个很好补充。

这里提到的节点组件，是指运行在节点上的 kubelet，Docker 的软件，阿里内部使用 Pouch 作为我们的容器运行时。除了 kubelet，Pouch 这些调度必须的组件外，还有用于分布式容器存储、监控采集、安全容器、故障检测等总共十多个组件。

通常安装升级 kubelet，Docker 是通过类似 Ansible 等面向过程的一次性动作来完成的。在长时间运行过程中，软件版本被意外修改或是碰到 bug 不能工作的问题是很常见的，同时这些组件在阿里巴巴的迭代速度非常快，往往一两周就需要发布推平一个版本。为了满足组件快速迭代又能安全升级、版本一致的需求，阿里巴巴自研了 KubeNode，通过将节点以及节点组件通过 K8s CRD 的方式进行描述，并进行面向终态的管理，从而确保版本一致性，配置一致性以及运行态正确性。

2. KubeNode - Machine Operator

上图是 Machine Operator 的架构，一个标准的 Operator 设计：扩展的一组 CRD 再加上中心的控制器。
CRD 定义包括：跟节点相关的 Machine、MachineSet，以及跟节点组件相关的 MachineComponent、MachineComponentSet。

中心端的控制器包括：Machine Controller、MachineSet Controller、MachineComponentSet Controller，分别用来控制节点的创建、导入，节点组件的安装、升级。

Infra Provider 具有可扩展性，可以对接不同的云厂商，目前只对接了阿里云，但是也可通过实现相应的 Provider 实现对接 AWS、Azure 等不同的云厂商。

单机上的 KubeNode 负责 watch CRD 资源，当发现有新的对象实例时，则进行节点组件的安装升级，定期检查各个组件是否运行正常，并上报组件的运行状态。

1）Use Case：节点导入

下面分享基于 KubeNode 对已有节点的导入过程。

首先用户会在我们的多集群管理系统中提交一个已有节点的导入操作，接下来系统先下发证书，并安装 KubeNode Agent，等 agent 正常运行并启动之后，第3步会提交 Machine CRD，接下来 Machine Controller 会修改状态为导入 phase，并等 Node ready 之后从 Machine 上同步 label / taint 到 Node。第 5 步是 MachineComponentSet， 根据 Machine 的信息确定要安装的节点组件，并同步到 Machine 上。最后 Kube Node Agent 会 watch 到 Machine、MachineComponent 的信息，完成节点组件的安装，并等所有组件运行正常后，节点导入操作完成。整个过程跟用户提交一个 Deployment 并最终启动一个业务 Pod 是类似的。

节点组件的终态一致主要包含了软件版本、软件配置和运行状态的正确、一致。

2）Use Case：组件升级

这里介绍下组件的升级过程，主要依赖的是 MachineComponentSet Controller 提供的分批次升级的能力。

首先用户在多集群管理系统上面提交一个组件升级操作，然后就进入一个逐批次循环升级的过程：先更新 MachineComponentSet 一个批次升级的机器数量是多少，之后 MachineComponentSet Controller 会计算并更新相应数量的节点上组件的版本信息。接下来 Kube Node Agent watch 到组件的变化，执行新版本的安装，并检查状态正常后上报组件状态正常。当这个批次所有的组件都升级成功后，再开始下一个批次的升级操作。

上面描述的单集群单个组件的升级流程是比较简单的，但对于线上十多个组件、上百个集群，要在所有的集群都完成版本推平工作就不那么简单了，我们通过 ASIOps 集群统一运维平台进行操作。在 ASIOps 系统中，将上百个集群配置到了有限的几个发布流水线，每条发布流水线都按照：测试 -> 预发 -> 正式 的顺序编排。一次正常的发布流程，就是选定一条发布流水线，按其预先设定好的集群顺序进行发布，在每个集群内部，又按照 1/5/10/50/100/... 的顺序进行自动发布，每一个批次发布完成，会触发健康巡检，如果有问题则暂停自动发布，没问题的话等观察期结束，则自动开始下一个批次的发布。通过这样的方式，做到了既安全又高效的完成一个组件新版本发布上线的过程。

3. KubeNode - Remedy Operator

接下来分享 KubeNode 里面的 Remedy Operator，也是一个标准的 Operator，用来做故障自愈修复。

Remedy Operator同样由一组CRD及对应的控制器构成。CRD定义涵盖了：NodeRemedier和RemedyOperationJob，而控制器包括：Remedy Controller、RemedyJob Controller，此外还有故障自愈规则的注册中心，在单机侧则有NPD和Kube Node Agent。

Host Doctor 是在中心侧的一个独立的故障诊断系统，对接云厂商获取主动运维事件并转换为节点上的故障 Condition。在阿里云公有云上，ECS 所在的物理机发生的硬件类的故障或是计划中的运维操作，都会通过标准 OpenAPI 的形式获取，对接后就可以提前感知节点的问题，并提前自动迁移节点上的业务来避免故障。

这里以夯机自愈的案例来介绍一个典型的自愈流程。

首先我们会在多集群管理系统 ASI Captain 上配置下发 CRD 描述的自愈规则，并且这些规则是可以灵活动态增加的，针对每一种 Node Condition 都可以配置一条对应的修复操作。

接下来节点上的 NPD 会周期性的检查是否有发生各种类型的故障，当发现内核日志中有出现 "task xxx blocked for more than 120 seconds" 的异常日志之后，判定节点夯机，并给 Node 上报故障 Condition，Remedy Controller watch 到变化后，就触发自愈修复流程：首先会调用 Kube Defender 风控中心接口判断当前自愈操作是否允许执行，通过后就生成 RemedyOperationJob 自愈任务，Kube Node Agent watch 到 job 后执行自愈操作。

可以看到整个自愈流程不依赖于外部第三方系统，通过 NPD 做故障检测，Remedy Operator 执行自愈修复，以云原生的方式完成了整个的自愈修复流程，最快可以做到分钟级的故障发现并修复。同时，通过对 NPD 检测规则的增强，处理的故障范围覆盖了从硬件故障、OS 内核故障、到组件故障的全链路修复。值得强调的是，所有的自愈操作都会对接 Kube Defender 统一风控中心，进行分钟级、小时级、天级别的自愈修复流控，防止当出现 Region / Zone 级别断网、大规模 io hang、或是其他大面积软件 bug 的情况下，触发对整个 Region 所有节点的故障自愈，引发更严重的二次故障。

KubeNode 数据体系建设的好坏对整体度量并提升 SLO 起着非常重要的作用。

在节点侧，NPD 会检测故障并上报事件中心，同时 walle 是单机侧的指标采集组件，会采集节点以及容器的各种指标项信息，包括像 CPU / Memory / IO / Network 等常见的指标，以及很多其他的像内核、安全容器等的指标项。中心侧 Promethes (阿里云公有云上的 ARMS 产品) 会采集所有节点的指标并进行存储，同时也采集扩展过的 Kube State Metrics 的数据，获取 Machine Operator 和 Remedy Operator 的关键指标信息。在获取到这些数据的基础之上，再在上层面向用户，配置监控大盘、故障报警、以及全链路诊断的能力。

通过数据体系的建设，我们就可以用来做资源利用率的分析统计，可以提供实时的监控报警，进行故障分析统计，也可以分析整体 KubeNode 中的节点以及节点组件的覆盖率、一致率、节点自愈的效率，并提供针对节点的全链路诊断功能，当排查节点问题时，可以查看该节点上历史发生过的所有的事件，从而帮助用户快速定位原因。

目前 KubeNode 已经覆盖了阿里巴巴集团的所有的 ASI 集群，接下来，将随着阿里巴巴集团“统一资源池”的项目，推进 KubeNode 覆盖更大的范围、更多的场景，让云原生的容器基础设施运维架构发挥更大的价值。

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