腾讯开源的 Kubernetes 多集群管理和跨集群编排工具 Clusternet

作者 |阳明
来源 | k8s技术圈（ID：kube100）

Clusternet（Cluster Internet） 是一个腾讯开源的 Kubernetes 多集群管理云原生项目，可帮助你像访问 Internet 一样轻松管理数以百万计的 Kubernetes 集群。无论集群运行在公共云、私有云、混合云还是边缘，Clusternet 都可以让你管理/访问它们，就像它们在本地运行一样。这也有助于消除为每个集群处理不同管理工具的需要。Clusternet 还可以帮助你从托管集群中的一组 API 将应用程序部署和协调到多个集群。当你的集群在 VPC 网络、边缘或防火墙后面运行时，Clusternet 可以通过可配置的方式设置网络隧道。

Clusternet 还提供了一个 Kubernetes 风格的 API，你可以继续使用 Kubernetes 的方式，比如 KubeConfig，来访问某个管理的 Kubernetes 集群，或者一个 Kubernetes 服务。

以 Clusternet 项目为基础实现多云多集群管理平台，为用户提供跨云、跨集群、跨 region/zone 的分布式容器服务，将更好的满足多种场景需求。

1、架构
下图是 Clusternet 的一个简单的架构图：Clusternet 主要由 clusternet-agent 和 clusternet-hub 两个组件组成，非常轻量级。

其中 clusternet-agent 组件需要部署在各个子集群中，主要负责：

• 将当前集群作为子集群自动注册到父集群，也称为子集群 ManagedCluster
• 上报当前集群元信息，包括 Kubernetes 版本、运行平台、healthz/readyz/livez 健康状态、节点状态等
• 与父集群建立一个 TCP 全双工的 websocket 安全隧道连接
  clusternet-hub 组件部署和运行在父集群中，通过 AA（Aggregated APIServer） 的方式进行工作，主要负责：
• 批准各个子集群注册请求，并为子集群创建专用资源，例如 namespace、ServiceAccount 和 RBAC 规则等
• 作为聚合的 apiserver (AA)，用作 websocket 服务器，维护来自子集群的多个 websocket 连接
• 提供 Kubernstes 风格的 REST API 来重定向/代理/升级请求到每个子集群 （ 从一组 API 协调应用程序并将其部署到多个集群；

  📌 📌 注意：由于 clusternet-hub 作为 AA 运行，所以需要确保父级 apiserver 可以访问该 clusternet-hub 服务。

  2、概念
  对于每个想要被管理的 Kubernetes 集群，我们称之为子集群，子集群注册到的集群，我们称之为父集群。组件 clusternet-agent 在子集群中运行，clusternet-hub 在父集群中运行。Clusternet 支持向不同集群分发和管理各种应用资源，包括原生 Kubernetes 各类资源（Deployment/StatefulSet/ConfigMap/Secret 等）、各类 CRD 资源，以及 HelmChart 应用等等。

下图是 Clusternet 的多集群应用分发模型，其中绿色的模块是需要用户去创建的，紫色的模块是 Clusternet 内部做流转的资源对象，此外 Clusternet 还提供了 kubectl 插件，可以通过 kubectl clusternet apply 命令来创建资源。

• ClusterRegistrationRequest 是 clusternet-agent 在父集群中为子集群注册创建的对象
• ManagedCluster 是 clusternet-hub 在批准 ClusterRegistrationRequest 后在父集群中创建的一个对象
• HelmChart 是一个 helm chart 配置的对象
• Subscription 定义了订阅者想要安装到集群中的资源，对于每个匹配的集群，将在其专用命名空间中创建一个相应的 Base 对象
• Localization 和 Globalization 将以优先级来定义 Override，数字越小则优先级越低，Localization是命名空间范围的资源，而 Globalization 是集群范围的。
• Base 对象将被渲染为应用了 Globalization 和 Localization 设置 Description 对象，Descritpion 是最终要部署到目标子群中的资源
  3、部署
  从上面的架构可以看出我们需要在子集群和父集群中分别部署 clusternet-agent 和 clusternet-hub 组件。

首先在集群中 Clone 项目代码：

$ git clone https://github.com/clusternet/clusternet.git

在父集群中部署 clusternet-hub 组件：

$ kubectl apply -f deploy/hub

然后为 clusternet-agent 创建一个 bootstrap token:

$ # 下面命令将创建一个 bootstrap token：07401b.f395accd246ae52d
$ kubectl apply -f manifests/samples/cluster_bootstrap_token.yaml

然后在子集群中部署 clusternet-agent，帮助子集群注册到父集群，clusternet-agent 可以配置以下三种同步模式（通过标志 --cluster-sync-mode 配置）：

• Push（推） 模式是指父集群的所有资源变化将由 clusternet-hub 自动同步、推送并应用到子集群
• Pull（拉） 模式表示 clusternet-agent 将自动 watch、同步和应用所有从父集群到子集群的资源变化
• Dual 推拉结合模式，这种模式强烈推荐，通常与特性 AppPusher 一起使用
  特性 AppPusher 在 agent 端工作，这主要是出于以下两个原因：
• 不建议在注册后改变同步模式，这可能会带来不一致的配置和行为，这就是为什么强烈推荐双模式。当双模式被设置后，AppPusher 提供了一种方法来帮助将 Push 模式切换到 Pull 模式，而无需真正更改标志 --cluster-sync-mode，反之亦然。
• 出于安全考虑，如子集群的安全风险等。
• 当一个子集群禁用 AppPusher 时，父集群不会向其部署任何应用程序，即使设置为 Push 或 Dual 模式，这个时候，这个子集群的工作方式就像 Pull 模式。
• 要部署的资源被表示为 Description 对象，你也可以运行你自己的控制器来 watch 该对象的变化，然后来分发和部署资源。
  部署 clusternet-agent 后，首先要创建一个包含集群注册用的 Token 的 Secret：

$ # create namespace clusternet-system if not created
$ kubectl create ns clusternet-system
$ # here we use the token created above
$ PARENTURL=https://192.168.10.10 REGTOKEN=07401b.f395accd246ae52d envsubst < ./deploy/templates/clusternet_agent_secret.yaml | kubectl apply -f -

上面的 PARENTURL 是你想注册的父集群的 apiserver 地址，必须指定 https 方案，它是目前唯一支持的方案。如果 apiserver 不是在标准的 https 端口（:443）上监听，请在 URL 中指定端口号，以确保代理连接到正确的端点，例如 https://192.168.10.10:6443。

$ # 部署之前，根据自己的需求更新同步模式
$ kubectl apply -f deploy/agent

部署完成后检查集群注册情况：

$ # clsrr 是 ClusterRegistrationRequest 对象的别名
$ kubectl get clsrr
NAME                                              CLUSTER ID                             STATUS     AGE
clusternet-dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118   dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118   Approved   3d6h
$ kubectl get clsrr clusternet-dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118 -o yaml
apiVersion: clusters.clusternet.io/v1beta1
kind: ClusterRegistrationRequest
metadata:
  labels:
    clusters.clusternet.io/cluster-id: dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
    clusters.clusternet.io/cluster-name: clusternet-cluster-dzqkw
    clusters.clusternet.io/registered-by: clusternet-agent
  name: clusternet-dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
spec:
  clusterId: dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
  clusterName: clusternet-cluster-dzqkw
  clusterType: EdgeClusterSelfProvisioned
status:
  caCertificate: REDACTED
  dedicatedNamespace: clusternet-dhxfs
  managedClusterName: clusternet-cluster-dzqkw
  result: Approved
  token: REDACTED

在 ClusterRegistrationRequest 被批准后，状态将被更新，如果需要的话，可以用相应的凭证来访问父集群。这些凭证已经用指定范围内的 RBAC 规则设置了，可以查看下面的两个规则。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  annotations:
    clusternet.io/autoupdate: "true"
  labels:
    clusters.clusternet.io/bootstrapping: rbac-defaults
    clusters.clusternet.io/cluster-id: dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
    clusternet.io/created-by: clusternet-hub
  name: clusternet-dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
rules:
  - apiGroups:
      - clusters.clusternet.io
    resources:
      - clusterregistrationrequests
    verbs:
      - create
      - get
  - apiGroups:
      - proxies.clusternet.io
    resourceNames:
      - dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
    resources:
      - sockets
    verbs:
      - '*'
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  annotations:
    clusternet.io/autoupdate: "true"
  labels:
    clusters.clusternet.io/bootstrapping: rbac-defaults
    clusternet.io/created-by: clusternet-hub
  name: clusternet-managedcluster-role
  namespace: clusternet-dhxfs
rules:
  - apiGroups:
      - '*'
    resources:
      - '*'
    verbs:
      - '*'

然后检查被管理集群的状态：

$ # mcls 是 ManagedCluster 对象的别名
$ # kubectl get mcls -A
$ # or append "-o wide" to display extra columns
$ kubectl get mcls -A -o wide
NAMESPACE          NAME                       CLUSTER ID                             CLUSTER TYPE                 SYNC MODE   KUBERNETES   READYZ   AGE
clusternet-dhxfs   clusternet-cluster-dzqkw   dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118   EdgeClusterSelfProvisioned   Dual        v1.19.10     true     7d23h
$ kubectl get mcls -n clusternet-dhxfs   clusternet-cluster-dzqkw -o yaml
apiVersion: clusters.clusternet.io/v1beta1
kind: ManagedCluster
metadata:
  labels:
    clusters.clusternet.io/cluster-id: dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
    clusters.clusternet.io/cluster-name: clusternet-cluster-dzqkw
    clusternet.io/created-by: clusternet-agent
  name: clusternet-cluster-dzqkw
  namespace: clusternet-dhxfs
spec:
  clusterId: dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118
  clusterType: EdgeClusterSelfProvisioned
  syncMode: Dual
status:
  apiserverURL: http://10.0.0.10:8080
  appPusher: true
  healthz: true
  k8sVersion: v1.19.10
  lastObservedTime: "2021-06-30T08:55:14Z"
  livez: true
  platform: linux/amd64
  readyz: true

默认情况下，clusternet-agent 每3分钟更新一次 ManagedCluster 的状态，这可以通过标志 --cluster-status-update-frequency 来进行配置。

然后我们可以通过 krew 来安装 Clusternet 的 kubectl 插件：

$ kubectl krew install clusternet

安装完成后就可以使用 kubectl clusternet 命令了：

$ kubectl clusternet -h
Usage:
  clusternet [flags]
  clusternet [command]
Available Commands:
  apply       Apply a configuration to a resource by filename or stdin
  create      Create a resource from a file or from stdin.
  delete      Delete resources by filenames, stdin, resources and names, or by resources and label selector
  edit        Edit a resource on the server
  get         Display one or many resources
  help        Help about any command
  scale       Set a new size for a Deployment, ReplicaSet or Replication Controller
  version     Print the plugin version information

4、示例
当 Clusternet 部署完成后，接下来我们就可以来尝试将应用部署到多个集群了。Clusternet 支持从一个托管集群的一组 API 中向多个集群部署应用程序。

📌 📌 注意：Deployer 特性需要由 clusternet-hub 开启。

首先，让我们看一个示例应用。下面名为 "app-demo" 的 Subscription 定义了要分发的目标子集群，以及要部署的资源。

# examples/applications/subscription.yaml
apiVersion: apps.clusternet.io/v1alpha1
kind: Subscription
metadata:
  name: app-demo
  namespace: default
spec:
  subscribers: # defines the clusters to be distributed to
    - clusterAffinity:
        matchLabels:
          clusters.clusternet.io/cluster-id: dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118 # PLEASE UPDATE THIS CLUSTER-ID TO YOURS!!!
  feeds: # defines all the resources to be deployed with
    - apiVersion: apps.clusternet.io/v1alpha1
      kind: HelmChart
      name: mysql
      namespace: default
    - apiVersion: v1
      kind: Namespace
      name: foo
    - apiVersion: apps/v1
      kind: Service
      name: my-nginx-svc
      namespace: foo
    - apiVersion: apps/v1
      kind: Deployment
      name: my-nginx
      namespace: foo

在应用这个 Subscription 对象之前，请用你的集群 ID 更新 examples/applications/subscription.yaml。

在安装了 kubectl 插件 kubectl-clusternet 之后，你可以运行下面的命令将这个应用程序分发到子集群：

$ kubectl clusternet apply -f examples/applications/
helmchart.apps.clusternet.io/mysql created
namespace/foo created
deployment.apps/my-nginx created
service/my-nginx-svc created
subscription.apps.clusternet.io/app-demo created

然后可以使用下面的命令查看刚刚创建的资源：

$ # list Subscription
$ kubectl clusternet get subs -A
NAMESPACE   NAME       AGE
default     app-demo   6m4s
$ kubectl clusternet get chart
NAME             CHART   VERSION   REPO                                 STATUS   AGE
mysql            mysql   8.6.2     https://charts.bitnami.com/bitnami   Found    71s
$ kubectl clusternet get ns
NAME   CREATED AT
foo    2021-08-07T08:50:55Z
$ kubectl clusternet get svc -n foo
NAME           CREATED AT
my-nginx-svc   2021-08-07T08:50:57Z
$ kubectl clusternet get deploy -n foo
NAME       CREATED AT
my-nginx   2021-08-07T08:50:56Z

Clusternet 将帮助部署和协调应用程序到多个集群，可以通过以下命令检查状态。

$ kubectl clusternet get mcls -A
NAMESPACE          NAME                       CLUSTER ID                             SYNC MODE   KUBERNETES   READYZ   AGE
clusternet-5l82l   clusternet-cluster-hx455   dc91021d-2361-4f6d-a404-7c33b9e01118   Dual        v1.21.0      true     5d22h
$ # list Descriptions
$ kubectl clusternet get desc -A
NAMESPACE          NAME               DEPLOYER   STATUS    AGE
clusternet-5l82l   app-demo-generic   Generic    Success   2m55s
clusternet-5l82l   app-demo-helm      Helm       Success   2m55s
$ kubectl describe desc -n clusternet-5l82l   app-demo-generic
...
Status:
  Phase:  Success
Events:
  Type    Reason                Age    From            Message
  ----    ------                ----   ----            -------
  Normal  SuccessfullyDeployed  2m55s  clusternet-hub  Description clusternet-5l82l/app-demo-generic is deployed successfully
$ # list Helm Release
$ # hr is an alias for HelmRelease
$ kubectl clusternet get hr -n clusternet-5l82l
NAME                  CHART       VERSION   REPO                                 STATUS     AGE
helm-demo-mysql       mysql       8.6.2     https://charts.bitnami.com/bitnami   deployed   2m55s

当然也可以在子集群中用 Helm 命令行工具来验证安装情况，比如：

$ helm ls -n abc
NAME                NAMESPACE REVISION UPDATED                              STATUS   CHART             APP VERSION
helm-demo-mysql     abc       1        2021-07-06 14:34:44.188938 +0800 CST deployed mysql-8.6.2       8.0.25

这样我们就成功将一个应用轻松分发到多个集群了。关于 Clusternet 的更多细节和使用方法请查看官方仓库：https://github.com/clusternet/clusternet 了解更多。