欢迎来到深入学习 Kubernetes API Server 的系列文章的第二部分。在上一部分中我们对 APIserver 总体，相关术语及 request 请求流进行探讨说明。在本部分文章中，我们主要聚焦于探究如何对 Kubernetes 对象的状态以一种可靠，持久的方式进行管理。之前的文章中提到过 API Server 自身是无状态的，并且它是唯一能够与分布式存储 etcd 直接通信的组件。

etcd 的简要说明

在 *nix 操作系统中，我们一般使用 /etc 来存储相关配置数据。实际上 etcd 的名字就是由此发展而来，在 etc 后面加上个 ”d” 表示 ”distributed” 分布式。任何分布式系统都需要有像 etcd 这样能够存储系统数据的东西，使其能够以一致和可靠的方式检索相关数据。为了能实现分布式的数据访问， etcd 使用 Raft 协议。从概念上讲， etcd 支持的数据模型是键值（ key-value ）存储。在 etcd2 中，各个 key 是以层次结构存在，而在 etcd3 中这个就变成了遍布模型，但同时也保持了层次结构方式的兼容性。

使用容器化版本的 etcd ，我们可以创建上面的树，然后按如下方式检索它：

$ docker run --rm -d -p 2379:2379 \

--name test-etcd3 quay.io/coreos/etcd:v3.1.0 /usr/local/bin/etcd \

--advertise-client-urls http://0.0.0.0:2379 --listen-client-urls http://0.0.0.0:2379

$ curl localhost:2379/v2/keys/foo -XPUT -d value="some value"

$ curl localhost:2379/v2/keys/bar/this -XPUT -d value=42

$ curl localhost:2379/v2/keys/bar/that -XPUT -d value=take

$ http localhost:2379/v2/keys/?recursive=true

HTTP/1.1 200 OK

Content-Length: 327

Content-Type: application/json

Date: Tue, 06 Jun 2017 12:28:28 GMT

X-Etcd-Cluster-Id: 10e5e39849dab251

X-Etcd-Index: 6

X-Raft-Index: 7

X-Raft-Term: 2

{

"action": "get",

"node": {

"dir": true,

"nodes": [

{

"createdIndex": 4,

"key": "/foo",

"modifiedIndex": 4,

"value": "some value"

},

{

"createdIndex": 5,

"dir": true,

"key": "/bar",

"modifiedIndex": 5,

"nodes": [

{

"createdIndex": 5,

"key": "/bar/this",

"modifiedIndex": 5,

"value": "42"

},

{

"createdIndex": 6,

"key": "/bar/that",

"modifiedIndex": 6,

"value": "take"

}

]

}

]

}

现在我们已经大致了解了 etcd 是如何工作的，接下去我们继续讨论 etcd 在 Kubernetes 是如何被使用的。

集群中的 etcd

在 Kubernetes 中， etcd 是控制平面中的一耳光独立组成部分。在 Kubernetes1.5.2 版本之前，我们使用的是 etcd2 版本，而在 Kubernetes1.5.2 版本之后我们就转向使用 etcd3 版本了。值得注意的是在 Kubernetes1.5.x 版本中 etcd 依旧使用的是 v2 的 API 模型，之后这将开始变为 v3 的 API 模型，包括使用的数据模型。站在开发者角度而言这个似乎没什么直接影响，因为 API Server 与存储之前是抽象交互，而并不关心后端存储的实现是 etcd v2 还是 v3 。但是如果是站在集群管理员的角度来看，还是需要知道 etcd 使用的是哪个版本，因为集群管理员需要日常对数据进行一些备份，恢复的维护操作。

你可以 API Server 的相关启动项中配置使用 etcd 的方式， API Server 的 etcd 相关启动项参数如下所示：

$ kube-apiserver -h

...

--etcd-cafile string SSL Certificate Authority file used to secure etcd communication.

--etcd-certfile string SSL certification file used to secure etcd communication.

--etcd-keyfile string SSL key file used to secure etcd communication.

...

--etcd-quorum-read If true, enable quorum read.

--etcd-servers List of etcd servers to connect with (scheme://ip:port) …

...

Kubernetes 存储在 etcd 中的数据，是以 JSON 字符串或 Protocol Buffers 格式存储。下面我们来看一个具体的例子：在 apiserver-sandbox 的命名空间中创建一个 webserver 的 pod 。然后我们使用 etcdctl 工具来查看相关 etcd （在本环节中 etcd 版本为 3.1.0 ）数据。

$ cat pod.yaml

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

name: webserver

spec:

containers:

- name: nginx

image: tomaskral/nonroot-nginx

ports:

- containerPort: 80

$ kubectl create -f pod.yaml

$ etcdctl ls /

/kubernetes.io

/openshift.io

$ etcdctl get /kubernetes.io/pods/apiserver-sandbox/webserver

{

"kind": "Pod",

"apiVersion": "v1",

"metadata": {

"name": "webserver",

...

下面我们来看一下这个 pod 对象是如何最终存储到 etcd 中，通过 kubectl create -f pod.yaml 的方式。下图描绘了这个总体流程：

1. 客户端（比如 kubectl ）提供一个理想状态的对象，比如以 YAML 格式， v1 版本提供。

2. Kubectl 将 YAML 转换为 JSON 格式，并发送。

3. 对应同类型对象的不同版本， API Server 执行无损耗转换。对于老版本中不存在的字段则存储在 annotations 中。

4. API Server 将接受到的对象转换为规范存储版本，这个版本由 API Server 指定，一般是最新的稳定版本，比如 v1 。

5. 最后将对象通过 JSON 或 protobuf 方式解析为一个 value ，通过一个特定的 key 存入 etcd 当中。

我们可以通过配置 kube-apiserver 的启动参数 --storage-media-type 来决定想要序列化数据存入 etcd 的格式，默认情况下为 application/vnd.kubernetes.protobuf 格式。我们也可以通过配置 --storage-versions 启动参数，来确定存入 etcd 的每个群组 Group 对象的默认版本号。

现在让我们来看看无损转换是如何进行的，我们将使用 Kubernetes 对象 Horizontal Pod Autoscaling (HPA) 来列举说明。 HPA 顾名思义是指通过监控资源的使用情况结合 ReplicationController 控制 Pod 的伸缩。

首先我们期待一个 API 代理（以便于我们能够在本地直接访问它），并启动 ReplicationController ，以及 HPA 。

$ kubectl proxy --port=8080 &

$ kubectl create -f https://raw.githubusercontent.com/mhausenblas/kbe/master/specs/rcs/rc.yaml

kubectl autoscale rc rcex --min=2 --max=5 --cpu-percent=80

kubectl get hpa/rcex -o yaml

现在，你能够使用 httpie —— 当然你也能够使用 curl 的方式——向 API server 请求获取 HPA 对象使用当前的稳定版本（ autoscaling/v1 ），或者使用之前的版本（ extensions/v1beta1 ），获取的两个版本的区别如下所示：

$ http localhost:8080/apis/extensions/v1beta1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex > hpa-v1beta1.json

$ http localhost:8080/apis/autoscaling/v1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex > hpa-v1.json

$ diff -u hpa-v1beta1.json hpa-v1.json

{

"kind": "HorizontalPodAutoscaler",

- "apiVersion": "extensions/v1beta1",

+ "apiVersion": "autoscaling/v1",

"metadata": {

"name": "rcex",

"namespace": "api-server-deepdive",

- "selfLink": "/apis/extensions/v1beta1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex",

+ "selfLink": "/apis/autoscaling/v1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex",

"uid": "ad7efe42-50ed-11e7-9882-5254009543f6",

"resourceVersion": "267762",

"creationTimestamp": "2017-06-14T10:39:00Z"

},

"spec": {

- "scaleRef": {

+ "scaleTargetRef": {

"kind": "ReplicationController",

"name": "rcex",

- "apiVersion": "v1",

- "subresource": "scale"

+ "apiVersion": "v1"

},

"minReplicas": 2,

"maxReplicas": 5,

- "cpuUtilization": {

- "targetPercentage": 80

- }

+ "targetCPUUtilizationPercentage": 80

我们能够看到 HorizontalPodAutoscale 的版本从 v1beta1 变为了 v1 。 API server 能够在不同的版本之前无损耗转换，不论在 etcd 中实际存的是哪个版本。

在了解整个存储流程之后，我们下面来探究一下 API server 如何将数据进行编码，解码存入 etcd 中以 JSON 或 protobuf 的方式，同时也考虑到 etcd 的版本。

API Server 将所有已知的 Kubernetes 对象类型保存在名为 Scheme 的 Go 类型注册表（ registry ）中。在此注册表中，定义每种了 Kubernetes 对象的类型以及如何转换它们，如何创建新对象，以及如何将对象编码和解码为 JSON 或 protobuf 。

当 API Server 从客户端接收到一个对象时，比如 kubectl ，通过 HTTP 路径，能够知道这个对象的具体版本号。首先会为这个对象使用对应的版本 Scheme 创建一个空对象，然后通过 JSON 或 protobuf 将 HTTP 传过来的对象内容进行解码转换。解码完成后创建对象，存入 etcd 中。

在 API 中可能会有很多版本，如果要支持每个版本之间的直接转换，这样往往处理起来比较麻烦。比如某个 API 下面有三个版本，那么它就要支持一个版本到另两个版本的直接转换（比如 v1 ⇔ v1alpha1, v1 ⇔ v1beta1, v1beta1 ⇔ v1alpha1 ）。为了避免这个问题，在 API server 中有一个特别的 “internal” 版本。当两个版本之间需要转换时，先转换为 internal 版本，再转换为相应转换的版本。这样的话，每个版本只要支持能够转换为 internal 版本，那么就能够与其它任何版本进行间接的转换。所以一个对象先转换为 internal 版本，然后在转换为稳定的 v1 版本，然后在存入 etcd 中。

v1beta1 ⇒ internal ⇒ v1

在转换的第一步中，如果某些字段用户没有赋值指定，那么这些会被赋为一个默认值。比如在 v1beta1 中肯定没有在 v1 版本新增的一个字段。在这种情况下，用户肯定无法在 v1beta1 版本为这个字段赋值。这时候，在转换的第一步中，我们会为这个字段赋一个默认值以生成一个有效的 internal 。

校验及准入

在转换过程中有两个重要的步骤，如下图所示：

v1beta1 ⇒ internal ⇒ | ⇒ | ⇒ v1 ⇒ json/yaml ⇒ etcd

admission validation

准入和校验是创建和更新对象存入 etcd 之前必须通过的步骤。它们的一些规则如下所示：

1. 准入（ Admission ）：查看集群中的一些约束条件是否允许创建或更新此对象，并根据此集群的相关配置为对象设置一些默认值。在 Kubernetes 有很多这种约束条件，下面列举一些例子：

NamespaceLifecycle ：如果命名空间不存在，则拒绝该命名空间下的所有传入请求。

LimitRanger ：强制限制命名空间中资源的使用率。

ServiceAccount ：为 pod 创建 service account 。

DefaultStorageClass ：如果用户没有为 PersistentVolumeClaims 赋值，那么将它设置为一个默认值。

ResourceQuota ：对群集上的当前用户强制执行配额约束，如果配额不足，可能会拒绝请求。

2. 校验（ Validation ）：检查传入对象（在创建和更新期间）是否格式是否合法以及相关值是否有效。比如：

1. 检查必填字段是否已填。

2. 检查字符串格式是否正确（比如只允许小写形式）。

3. 是否有些字段存在冲突（比如，有两个容器的名字一样）。

校验（ Validation ）并不关心其它类型的对象实例，换言之，它只关心每个对象的静态检查，无关集群配置。

准入（ Admission ）可以用 flag --admission-control=<plugins> 来启动或禁用。它们中的大多数可以有集群管理配置。此外，在 Kubernetes 1.7 中可以用 webhook 机制来扩展准入机制，使用控制器来实现对对象的传统的校验。

迁移存储对象

关于存储对象迁移的最后说明：当 Kubernetes 需要升级到新的版本时，根据每个版本的相关文档步骤备份相关集群的数据是至关重要的。这一方面是由于 etcd2 到 etcd3 的转变，另一方面是由于 Kubernetes 对象的 Kind 及 version 的不断发展。

在 etcd 中，每个对象是首选存储版本（ preferred storage version ）存在的。但是，随着时间的推移， etcd 存储中的对象可能以一个非常老的版本存在。如果在将来某个时间这个对象版本被废弃了，那么将无法再解码它的 protobuf 或 JSON 。因此，在集群升级之前需要重写，迁移这些数据。下面这些资料能够对 version 切换提供一些帮助：

请参阅集群管理文档升级 API 版本部分。 Upgrading to a different API version

下一次，在深入学习 Kubernetes APIServer 的第三部分中，我们将讨论如何使用 Custom Resource Definitions 扩展和自定义 API 资源。https://www.huaweicloud.com/product/cce.html

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深度剖析Kubernetes API Server三部曲 - part 2

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