浅析 Kubernetes 多集群的几种方案

随着 Kubernetes 在企业中应用的越来越广泛和普及，越来越多的公司在生产环境中运维多个集群。本文主要讲述一些关于多集群 Kubernetes 的思考，包括为什么选择多集群，多集群的好处以及多集群的落地方案。

VMware2020 年 Kubernetes 使用报告中指出，在采用 kubernetes 组织中 20%的组织运行 40+数目的集群。

为什么企业需要多集群？

单集群 Kubernetes 承载能力有限

首先看看官方文档中关于单集群承载能力的描述：

在 v1.12，Kubernetes 支持最多具有 5000 个节点的集群。更具体地说，我们支持满足以下所有条件的配置：

• 不超过 5000 个节点
• Pod 总数不超过 150000
• 总共不超过 300000 个容器
• 每个节点不超过 100 个 Pod

虽然现在 Kubernetes 已经发展到 v1.20，但是关于单集群承载能力一直没有变化。可见提高单集群负载能力并不是社区的发展方向。

如果我们的业务规模超过了 5000 台，那么企业不得不考虑多个集群。

混合云或是多云架构决定了需要多个集群

到目前，其实多云或是混合云的架构很普遍了。

比如企业是一个全球化的公司，提供 Global 服务。

或像新浪微博一样，自建数据中心 + 阿里云，阿里云用于服务弹性流量。

另外公有云并没有想象中的海量资源。比如公有云的头部客户搞大促需要很大数量机器的时候，都是需要提前和公有云申请，然后公有云提前准备的。

为了避免被单家供应商锁定，或是出于成本等考虑，企业选择了多云架构，也决定了我们需要多个集群。

不把鸡蛋放到一个篮子里

即使前面两条都未满足，那么我们是否要把所有的工作负载部署到一个集群呢？

如果集群控制面出现故障，那么所有的服务都会受到影响。

也许大家认为 Kubernetes 的控制面本身就是高可用的（三个 api-server），不会有整个控制层不可用的可能。

其实则不然，我们在生产环境中，已经处理很多次类似故障了。如果一个应用（一般指需要调用 api-server 接口）在大量地调用 api-server，会导致 api-server 接连挂掉，最终不可用。直到找到故障应用，并把故障应用删除。

所以在生产环境中，一是需要严格控制访问 api-server 的权限，二是需要做好测试，三是可以考虑业务应用和基础设施分开部署。其实单集群和多集群的选择和”选择一台超算 or 多台普通机器“的问题类似。后来分布式计算的发展说明大家选择了多个普通机器。

多集群的好处

多集群在以下三个方面，有着更好的表现：

• 可用性
• 隔离性
• 扩展性

多集群应用程序架构

实际上，可以通过两种模型来构建多集群应用程序架构

• 副本 ：将应用程序复制到多个可用性区域或数据中心，每个集群都运行应用程序的完整副本。我们可以依靠 Smart DNS（在 GCP，有 Global 负载均衡器的概念） 将流量路由到距离用户最近的集群，以实现最小的网络延迟。如果我们一个集群发生故障，我们可以将流量路由到其他健康集群，实现故障转移。

• 按服务划分：按照业务相关程度，将应用部署在不同的集群。这种模型，提供了非常好的隔离性，但是服务划分却比较复杂。

社区多集群落地方案

实际上，社区一直在探索多集群 Kubernetes 的最佳实践，目前来看主要有以下两种。

以 Kubernetes 为中心

着力于支持和扩展用于多集群用例的核心 Kubernetes 原语，从而为多个集群提供集中式管理平面。Kubernetes 集群联邦项目采用了这种方法。

理解集群联邦的最好方法是可视化跨多个 Kubernetes 集群的元集群。想象一下一个逻辑控制平面，该逻辑控制平面编排多个 Kubernetes 主节点，类似于每个主节点如何控制其自身集群中的节点。

其实集群联邦本质上做了两件事情：

• 跨集群分发资源：通过抽象 Templates ，Placement，Overrides 三个概念，可以实现将资源（比如 Deployment）部署到不同的集群，并且实现多集群扩缩。

• 多集群服务发现：支持多集群 Service 和 Ingress。截止到目前，联邦项目尚处于 alpha 状态，当我们选择落地的时候，需要一定量的开发工作。

以网络为中心

以网络为中心的方法专注于在集群之间创建网络连接，以便集群内的应用程序可以相互通信。

Istio 的多集群支持，Linkerd 服务镜像和 Consul 的 Mesh 网关是通过 Service mesh 解决方案来实现网络连通。

而另外一种是 Cilium 关于多集群网络的方案。Cilium 本身是一种 CNI 网络，该方案少了服务治理的功能。

Cilium Cluster Mesh 解决方案通过隧道或直接路由，解决跨多个 Kubernetes 集群的 Pod IP 路由，而无需任何网关或代理。当然我们需要规划好每个集群的 POD CIDR。

• 每个 Kubernetes 集群都维护自己的 etcd 集群，其中包含该集群的状态。来自多个集群的状态永远不会混入 etcd 中。
• 每个集群通过一组 etcd 代理公开其自己的 etcd。在其他集群中运行的 Cilium 代理连接到 etcd 代理以监视更改，并将多集群相关状态复制到自己的集群中。使用 etcd 代理可确保 etcd 观察程序的可伸缩性。访问受 TLS 证书保护。
• 从一个集群到另一个集群的访问始终是只读的。这样可以确保故障域保持不变，即一个集群中的故障永远不会传播到其他集群中。
• 通过简单的 Kubernetes secret 资源进行配置，该资源包含远程 etcd 代理的寻址信息以及集群名称和访问 etcd 代理所需的证书。
  
  
  

思考

上面我们讲到了两种落地多集群 Kubernetes 的方案，其实并不是非 A 即 B。

比如，当我们在落地大集群的过程中，很多公司只是用 Kubernetes 解决部署的问题。服务发现选择 consul，zk 等注册中心，配置文件管理使用配置中心，负载均衡也没有使用 kubernetes 中 Service。

此时结合两种方案是最佳实践。

集群联邦解决部署和发布的问题。Service mesh 解决多集群流量访问的问题。不过此时，工作负载集群中的 Pod，Service mesh 的控制面以及网关都需要对接外部的注册中心。具体架构如下：