Yurt-Tunnel 详解|如何解决 K8s 在云边协同下的运维监控挑战?

本文主要是介绍Yurt-Tunnel 详解|如何解决 K8s 在云边协同下的运维监控挑战?,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

简介:伴随着 5G、IoT 等技术的快速发展,边缘计算被越来越广泛地应用于电信、媒体、运输、物流、农业、零售等行业和场景中,成为解决这些领域数据传输效率的关键方式。与此同时,边缘计算形态、规模、复杂度的日益增长,边缘计算领域的运维手段、运维能力对边缘业务创新速度的支撑日趋乏力。于是,Kubernetes 迅速成为边缘计算的关键要素,帮助企业在边缘更好地运行容器,最大化利用资源、缩短研发周期。

作者|何淋波(新胜)
封面图.jpg

背景

伴随着 5G、IoT 等技术的快速发展,边缘计算被越来越广泛地应用于电信、媒体、运输、物流、农业、零售等行业和场景中,成为解决这些领域数据传输效率的关键方式。与此同时,边缘计算形态、规模、复杂度的日益增长,边缘计算领域的运维手段、运维能力对边缘业务创新速度的支撑日趋乏力。于是,Kubernetes 迅速成为边缘计算的关键要素,帮助企业在边缘更好地运行容器,最大化利用资源、缩短研发周期。

但是,如果将原生 Kubernetes 直接应用到边缘计算场景下,仍然需要解决诸多问题,比如云与边一般位于不同网络平面,同时边缘节点普遍位于防火墙内部,采用云(中心)边协同架构,将导致原生 K8s 系统的运维监控能力面临如下挑战:

  • K8s 原生运维能力缺失(如 kubectl logs/exec 等无法执行)
  • 社区主流监控运维组件无法工作(如 Prometheus/metrics-server )

为了帮助企业解决原生 Kubernetes 在边缘场景下关于应用生命周期管理、云边网络连接、云边端运维协同、异构资源支持等方方面面的挑战,基于 K8s 实现的边缘计算云原生开源平台 OpenYurt 应运而生,其也是 CNCF 在边缘云原生版图中的重要组成部分。本文将详细介绍,作为 OpenYurt 核心组件之一的 Yurt-Tunnel 如何是扩展原生 K8s 系统在边缘场景下相关能力的。

Yurt-Tunnel 设计思路

由于边缘可以访问云端,因此可以考虑在云边构建可以反向穿透的隧道,从而保证云(中心)可以基于隧道主动访问边缘。当时我们也调查了很多开源的隧道方案,从能力以及生态兼容性等方面,最后我们选择基于 ANP设计并实现了 Yurt-Tunnel 整体解决方案,具备安全,非侵入、可扩展、传输高效等优点。

实现方式

在 K8s 云边一体化架构中构建一个安全、非侵入、可扩展的反向通道解决方案,方案中至少需要包括如下能力。

  • 云边隧道构建
  • 隧道两端证书的自管理
  • 云端组件请求被无缝倒流到隧道

Yurt-tunnel 的架构模块如下图:


3.1 云边隧道构建

  • 当边缘的 yurt-tunnel-agent 启动时,会根据访问地址与 yurt-tunnel-server 建立连接并注册,并周期性检测连接的健康状态以及重建连接等。

# https://github.com/openyurtio/apiserver-network-proxy/blob/master/pkg/agent/client.go#L189
# yurt-tunnel-agent的注册信息:
"agentID": {nodeName}
"agentIdentifiers": ipv4={nodeIP}&host={nodeName}"
  • 当 yurt-tunnel-server 收到云端组件的请求时,需要把请求转发给对应的 yurt-tunnel-agent 。因为除了转发初始请求之外,该请求 session 后续还有数据返回或者数据的持续转发(如 kubectl exec )。因此需要双向转发数据。同时需要支持并发转发云端组件的请求,意味需要为每个请求生命周期建立一个独立的标识。所以设计上一般会有两种方案。

方案 1: 初始云边连接仅通知转发请求,tunnel-agent 会和云端建立新连接来处理这个请求。通过新连接可以很好的解决请求独立标识的问题,同时并发也可以很好的解决。但是为每个请求都需要建立一个连接,将消耗大量的资源。

方案 2: 仅利用初始云边连接来转发请求,大量请求为了复用同一条连接,所以需要为每个请求进行封装,并增加独立标识,从而解决并发转发的诉求。同时由于需要复用一条连接,所以需要解耦连接管理和请求生命周期管理,即需要对请求转发的状态迁移进行独立管理。该方案涉及到封包解包,请求处理状态机等,方案会复杂一些。

  • OpenYurt 选择的 ANP 组件,采用的是上述方案2,这个和我们的设计初衷也是一致的。

# https://github.com/openyurtio/apiserver-network-proxy/blob/master/konnectivity-client/proto/client/client.pb.go#L98
# 云边通信的数据格式以及数据类型
type Packet struct {Type PacketType `protobuf:"varint,1,opt,name=type,proto3,enum=PacketType" json:"type,omitempty"`// Types that are valid to be assigned to Payload://  *Packet_DialRequest//  *Packet_DialResponse//  *Packet_Data//  *Packet_CloseRequest//  *Packet_CloseResponsePayload              isPacket_Payload `protobuf_oneof:"payload"`
}

  • 请求转发链路构建封装在 Packet_DialRequest 和 Packet_DialResponse 中,其中 Packet_DialResponse.ConnectID 用于标识 request ,相当于 tunnel 中的 requestID。请求以及关联数据封装在 Packet_Data 中。Packet_CloseRequest 和 Packet_CloseResponse 用于转发链路资源回收。具体可以参照下列时序图:


  • RequestInterceptor 模块的作用

从上述分析可以看出,yurt-tunnel-server 转发请求之前,需要请求端先发起一个Http Connect 请求来构建转发链路。但是为 Prometheus、metrics-server 等开源组件增加相应处理会比较困难,因此在 Yurt-tunnel-server 中增加请求劫持模块 Interceptor ,用来发起 Http Connect 请求。相关代码如下:

# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/server/interceptor.go#L58-82proxyConn, err := net.Dial("unix", udsSockFile)if err != nil {return nil, fmt.Errorf("dialing proxy %q failed: %v", udsSockFile, err)}var connectHeaders stringfor _, h := range supportedHeaders {if v := header.Get(h); len(v) != 0 {connectHeaders = fmt.Sprintf("%s\r\n%s: %s", connectHeaders, h, v)}}fmt.Fprintf(proxyConn, "CONNECT %s HTTP/1.1\r\nHost: %s%s\r\n\r\n", addr, "127.0.0.1", connectHeaders)br := bufio.NewReader(proxyConn)res, err := http.ReadResponse(br, nil)if err != nil {proxyConn.Close()return nil, fmt.Errorf("reading HTTP response from CONNECT to %s via proxy %s failed: %v", addr, udsSockFile, err)}if res.StatusCode != 200 {proxyConn.Close()return nil, fmt.Errorf("proxy error from %s while dialing %s, code %d: %v", udsSockFile, addr, res.StatusCode, res.Status)}

3.2 证书管理

为了保证云边通道的长期安全通信,同时也为了支持 https 请求转发,yurt-tunnel 需要自行生成证书并且保持证书的自动轮替。具体实现如下:


# 1. yurt-tunnel-server证书:
# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/pki/certmanager/certmanager.go#L45-90
- 证书存储位置: /var/lib/yurt-tunnel-server/pki
- CommonName: "kube-apiserver-kubelet-client"  // 用于kubelet server的webhook校验
- Organization: {"system:masters", "openyurt:yurttunnel"} // 用于kubelet server的webhook校验和yurt-tunnel-server证书的auto approve
- Subject Alternate Name values: {x-tunnel-server-svc, x-tunnel-server-internal-svc的ips和dns names}
- KeyUsage: "any"# 2. yurt-tunnel-agent证书:
# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/pki/certmanager/certmanager.go#L94-112
- 证书存储位置: /var/lib/yurt-tunnel-agent/pki
- CommonName: "yurttunnel-agent"
- Organization: {"openyurt:yurttunnel"} // 用于yurt-tunnel-agent证书的auto approve
- Subject Alternate Name values: {nodeName, nodeIP}
- KeyUsage: "any"# 3. yurt-tunnel证书申请(CSR)均由yurt-tunnel-server来approve
# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/pki/certmanager/csrapprover.go#L115
- 监听csr资源
- 过滤非yurt-tunnel的csr(Organization中没有"openyurt:yurttunnel")
- approve还未Approved的csr# 4. 证书自动轮替处理
# https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/staging/src/k8s.io/client-go/util/certificate/certificate_manager.go#L224

3.3 无缝导流云端组件请求到隧道

因为需要无缝把云端组件的请求转发到 yurt-tunnel-server ,也意味不需要对云端组件进行任何修改。因此需要对云端组件的请求进行分析,目前组件的运维请求主要有以下两种类型:

  • 类型1: 直接使用 IP 地址访问,如: http://{nodeIP}:{port}/{path}
  • 类型2: 使用域名访问, 如: http://{nodeName}:{port}/{path}

针对不同类型请求的导流,需要采用不同方案。

  • 方案1: 使用 iptables dnat rules 来保证类型1的请求无缝转发到 yurt-tunnel-server
# 相关iptables rules维护代码: https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/iptables/iptables.go
# yurt-tunnel-server维护的iptables dnat rules如下:
[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L OUTPUT
TUNNEL-PORT  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* edge tunnel server port */[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT
TUNNEL-PORT-10255  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:10255 /* jump to port 10255 */
TUNNEL-PORT-10250  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:10250 /* jump to port 10250 */[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT-10255
RETURN     tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            127.0.0.1            /* return request to access node directly */ tcp dpt:10255
RETURN     tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            172.16.6.156         /* return request to access node directly */ tcp dpt:10255
DNAT       tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* dnat to tunnel for access node */ tcp dpt:10255 to:172.16.6.156:10264

  • 方案2: 使用 dns 域名解析 nodeName 为 yurt-tunnel-server 的访问地址,从而使类型 2 请求无缝转发到 yurt-tunnel

# x-tunnel-server-svc和x-tunnel-server-internal-svc的不同用途:- x-tunnel-server-svc: 主要expose 10262/10263端口,用于从公网访问yurt-tunnel-server。如yurt-tunnel-agent- x-tunnel-server-internal-svc: 主要用于云端组件从内部网络访问,如prometheus,metrics-server等# dns域名解析原理:
1. yurt-tunnel-server向kube-apiserver创建或更新yurt-tunnel-nodes configmap, 其中tunnel-nodes字段格式为: {x-tunnel-server-internal-svc clusterIP}  {nodeName},确保记录了所有nodeName和yurt-tunnel-server的service的映射关系
2. coredns pod中挂载yurt-tunnel-nodes configmap,同时使用host插件使用configmap的dns records
3. 同时在x-tunnel-server-internal-svc中配置端口映射,10250映射到10263,10255映射到10264
4. 通过上述的配置,可以实现http://{nodeName}:{port}/{path}请求无缝转发到yurt-tunnel-servers

  • 云端请求扩展:

如果用户需要访问边缘的其他端口(10250 和 10255 之外),那么需要在 iptables 中增加相应的 dnat rules 或者 x-tunnel-server-internal-svc 中增加相应的端口映射,如下所示:


# 例如需要访问边缘的9051端口
# 新增iptables dnat rule:
[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT
TUNNEL-PORT-9051  tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:9051 /* jump to port 9051 */[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT-9051
RETURN     tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            127.0.0.1            /* return request to access node directly */ tcp dpt:9051
RETURN     tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            172.16.6.156         /* return request to access node directly */ tcp dpt:9051
DNAT       tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            /* dnat to tunnel for access node */ tcp dpt:9051 to:172.16.6.156:10264# x-tunnel-server-internal-svc中新增端口映射
spec:ports:- name: httpsport: 10250protocol: TCPtargetPort: 10263- name: httpport: 10255protocol: TCPtargetPort: 10264- name: dnat-9051 # 新增映射port: 9051protocol: TCPtargetPort: 10264

当然上述的 iptables dnat rules 和 service 端口映射,都是由 yurt-tunnel-server 自动更新。用户只需要在 yurt-tunnel-server-cfg configmap 中增加端口配置即可。具体如下:

# 注意:由于证书不可控因素,目前新增端口只支持从yurt-tunnel-server的10264转发
apiVersion: v1
data:dnat-ports-pair: 9051=10264 # 新增端口=10264(非10264转发不支持)
kind: ConfigMap
metadata:name: yurt-tunnel-server-cfgnamespace: kube-system

 近期规划

  • 支持 kube-apiserver 的 EgressSelector 功能
  • 验证 yurt-tunnel-server 多实例部署验证
  • 支持 yurt-tunnel-agent 配置多个 yurt-tunnel-server 地址
  • 支持证书存储目录自定义
  • 支持证书 Usage 定义更精细化,保证证书使用范围可控
  • 支持 yurt-tunnel-server 访问地址变化后,yurt-tunnel-server 证书可自动更新
  • 支持 yurt-tunnel-agent 对 yurt-tunnel-server 访问地址的自动刷新
  • 支持非 NodeIP/NodeName 类型的请求转发(如非主机网络 Pod 的云访问边)
  • 支持通过 Tunnel 由边缘 Pod 访问云端 Pod
  • 支持 yurt-tunnel 的独立部署(非绑定 k8s )
  • 支持更多协议转发,如 gRPC, websocket, ssh 等

欢迎加入 OpenYurt 社区

作为阿里云边缘容器服务 ACK@Edge 的内核,OpenYurt 已经在 CDN、音视频直播、物联网、物流、工业大脑、城市大脑等数十个行业中得到商业化实践、服务规模达数百万 CPU 核。我们可喜地看到,现在有越来越多的开发者、开源社区、企业和学信机构认可 OpenYurt 的理念,并且正在加入到共同建设 OpenYurt 的队伍中,比如 VMware、Intel、深信服、招商局、浙大、EdgeX Foundry 社区、eKuiper 社区等。我们也欢迎更多的朋友共建 OpenYurt 社区,繁荣云原生边缘计算生态,让真正意义上的云原生在更多边缘场景中创造价值。

点击https://openyurt.io/en-us/,直通 OpenYurt 官网!

原文链接:https://developer.aliyun.com/article/785233?

版权声明:本文内容由阿里云实名注册用户自发贡献,版权归原作者所有,阿里云开发者社区不拥有其著作权,亦不承担相应法律责任。具体规则请查看《阿里云开发者社区用户服务协议》和《阿里云开发者社区知识产权保护指引》。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,填写侵权投诉表单进行举报,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。

这篇关于Yurt-Tunnel 详解|如何解决 K8s 在云边协同下的运维监控挑战?的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/185092

相关文章

springboot security快速使用示例详解

《springbootsecurity快速使用示例详解》:本文主要介绍springbootsecurity快速使用示例,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝... 目录创www.chinasem.cn建spring boot项目生成脚手架配置依赖接口示例代码项目结构启用s

Python+PyQt5实现多屏幕协同播放功能

《Python+PyQt5实现多屏幕协同播放功能》在现代会议展示、数字广告、展览展示等场景中,多屏幕协同播放已成为刚需,下面我们就来看看如何利用Python和PyQt5开发一套功能强大的跨屏播控系统吧... 目录一、项目概述:突破传统播放限制二、核心技术解析2.1 多屏管理机制2.2 播放引擎设计2.3 专

Python中随机休眠技术原理与应用详解

《Python中随机休眠技术原理与应用详解》在编程中,让程序暂停执行特定时间是常见需求,当需要引入不确定性时,随机休眠就成为关键技巧,下面我们就来看看Python中随机休眠技术的具体实现与应用吧... 目录引言一、实现原理与基础方法1.1 核心函数解析1.2 基础实现模板1.3 整数版实现二、典型应用场景2

一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化

《一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化》SpringBoot的响应压缩功能基于智能协商机制,需同时满足很多条件,本文主要为大家详细介绍了SpringBoot响应压缩功能的配置与优化,需... 目录一、核心工作机制1.1 自动协商触发条件1.2 压缩处理流程二、配置方案详解2.1 基础YAML

Python实现无痛修改第三方库源码的方法详解

《Python实现无痛修改第三方库源码的方法详解》很多时候,我们下载的第三方库是不会有需求不满足的情况,但也有极少的情况,第三方库没有兼顾到需求,本文将介绍几个修改源码的操作,大家可以根据需求进行选择... 目录需求不符合模拟示例 1. 修改源文件2. 继承修改3. 猴子补丁4. 追踪局部变量需求不符合很

java中反射(Reflection)机制举例详解

《java中反射(Reflection)机制举例详解》Java中的反射机制是指Java程序在运行期间可以获取到一个对象的全部信息,:本文主要介绍java中反射(Reflection)机制的相关资料... 目录一、什么是反射?二、反射的用途三、获取Class对象四、Class类型的对象使用场景1五、Class

Spring事务中@Transactional注解不生效的原因分析与解决

《Spring事务中@Transactional注解不生效的原因分析与解决》在Spring框架中,@Transactional注解是管理数据库事务的核心方式,本文将深入分析事务自调用的底层原理,解释为... 目录1. 引言2. 事务自调用问题重现2.1 示例代码2.2 问题现象3. 为什么事务自调用会失效3

golang 日志log与logrus示例详解

《golang日志log与logrus示例详解》log是Go语言标准库中一个简单的日志库,本文给大家介绍golang日志log与logrus示例详解,感兴趣的朋友一起看看吧... 目录一、Go 标准库 log 详解1. 功能特点2. 常用函数3. 示例代码4. 优势和局限二、第三方库 logrus 详解1.

mysql出现ERROR 2003 (HY000): Can‘t connect to MySQL server on ‘localhost‘ (10061)的解决方法

《mysql出现ERROR2003(HY000):Can‘tconnecttoMySQLserveron‘localhost‘(10061)的解决方法》本文主要介绍了mysql出现... 目录前言:第一步:第二步:第三步:总结:前言:当你想通过命令窗口想打开mysql时候发现提http://www.cpp

一文详解如何从零构建Spring Boot Starter并实现整合

《一文详解如何从零构建SpringBootStarter并实现整合》SpringBoot是一个开源的Java基础框架,用于创建独立、生产级的基于Spring框架的应用程序,:本文主要介绍如何从... 目录一、Spring Boot Starter的核心价值二、Starter项目创建全流程2.1 项目初始化(