导读
此文章分享了蚂蚁金服如何自动化运维大规模 Kubernetes 集群的实践干货。
"大规模 Kubernetes 集群"主要体现在几十个 Kubernetes 集群，十万级别的 Kubernetes Worker 节点。
蚂蚁金服使用 Operator 的模式去运维 Kubernetes 集群，能便捷、自动化的管理 Kubernetes 集群生命周期，做到 " Kubernetes as a Service " 。
此文适合 Kubernetes 爱好者，Kubernetes 架构师，以及 PE/SRE 阅读。
前序知识
Kubernetes 架构介绍
此章节简单介绍 Kubernetes 集群的架构。主要是为了面向刚学习 Kubernetes 的同学，对于熟悉 Kubernetes 的同学，此章节可以跳过。
如上图，一个 Kubernetes 集群由 Master 节点和 Worker 节点组成。
在一个高可用 Kubernetes 集群下面，Master 节点一般为3台，在它们上面需要运行Kubernetes Master 组件。Kubernetes Master 组件包括 etcd, Apsierver, Scheduler 和 Controller-Manager。每个 Master 组件一般都是 3 个实例，以保证它们的高可用。Master 节点使用 Static Pod 方式启动 Master 组件，即将每个组件的 Pod 描述文件放入 Master 节点的指定目录，Kubelet 会在启动时将他们读取，并以 Static Pod 方式启动。
Kubernetes Worker 节点为 Kubernetes 集群提供调度资源和应用运行环境。即所有的 Pod(可以理解为应用的一个个最小化部署单元)都运行在 Worker 节点上。一个Worker 节点需要将 Pod 运行上去，需要一些 on-host 软件，这些软件包括: kubelet, Runtime Service(docker, pouch 等实现方案), CNI 插件等。
Operator 介绍
我们在这里将花很少的篇幅向刚学习 Kubernetes 的同学介绍 Operator。如果期望获得更详细的解读请参考 coreos 上关于 Operator 的介绍。
一个 Operator 实际上是为了解决某个复杂应用在 Kubernetes 的自动化部署、恢复。有了Operator，用户只需要向Kubernetes Apiserver提交一个CRD Resource(yaml或者JSON，一个CRD Resource其实就是对应一个应用实例，CRD Resource用于描述这个应用实例的配置)，Operator 就会根据用户的需求去完成这个应用实例的初始化，在应用某个模块发生故障时，Operator 也会做出自动恢复功能。Operator 是用代码运维应用最好的实践之一。
比如我们有一个etcd-operator，我们只需要用户根据需求向 Kubernetes Apiserer 提交如下的 CRD Resource，etcd-operator 就能初始化完成一个 etcd 集群:
apiVersion: etcd.database.coreos.com/v1beta2
kind: EtcdCluster
metadata:
name: xxx-etcd-cluster
spec:
size: 5 其中，上面的Spec.Size=5 代表了我们需要一个由 5 个 etcd 节点组成的 etcd 集群。etcd-operator 会根据上面的配置，初始化完成 etcd 集群。相应的，如果你又需要另一个 3 节点的etcd 集群，你只需要提交新的一个Spec.Size=3的 CRD Resource 即可。
背景
在蚂蚁金服，我们面临着需要运维几十个 Kubernetes 集群，以及十万级别以上的Kubernetes Worker 节点的难题。
我们将运维 Kubernetes 的工作拆分两部分，一部分是运维 Kubernetes 集群的 Master 组件(etcd, Apiserver, controller-manager, scheduler等)，一部分是运维 Kubernetes Worker 节点。我们总结了这两部分运维的难点。
难点1：运维 Kubernetes 集群 Master 角色
如何快速新建、下线一个 Kubernetes 集群 (初始化、删除 Master 角色)。由于蚂蚁业务的快速增长，我们随时面临着需要在新机房新建、下线一个 Kubernetes集群；CI 和测试也有快速新建、删除一个 Kubernetes 集群的需求。
如何管理几十个 Kubernetes 集群 Master 组件版本。比如我们需要升级某几个Kubernetes 集群的 Apiserver，Scheduler 等组件。
如何自动化处理几十个 Kubernetes 集群 Master 组件发生的故障。
如何能获取几十个 Kubernetes 集群 Master 组件的统一视图。我们希望有一个统一的接口，一下就能获取每个 Kubernetes 集群 Master 角色的版本、状态等信息。
难点2：运维 Kubernetes Worker 节点
如何快速上线、下线 Kubernetes Worker 节点。上线时，我们需要保证 Kubernetes Worker 节点所需要的on-host软件版本、配置正确。
如何升级十万级别的 Kubernetes Worker 节点上的 on-host 软件。如我们需要将所有Work节点的 docker、cni 版本升级到某个版本。
如何优雅的执行灰度发布 Kubernetes Worker 节点上的软件包。在 on-host 软件新版本上线前，我们需要对它做小范围的灰度发布，即挑选 N 台 Worker 节点发布新版本软件包，执行验证，最后根据验证结果决定是否全规模的发布新版本，或者回滚这个灰度发布。
如果自动化处理十万级别的 Kubernetes Worker 节点可能出现的 on-host 软件故障。比如 dockerkubelet 发生 panic，我们是否能自动化得处理。
实现方案
在蚂蚁，我们使用 Kube-on-Kube-Operator 和 Node-Operator 组合使用解决上述的难题。
首先，我们需要借助工具，使用Kubernetes官方提供的方案( Static Pod 方式)部署“ Kubernetes 元集群”(后面简称元集群)到 “元集群”的 Master 节点上。
然后，我们将 Kube-on-Kube-Operator 部署到 “ Kubernetes 元集群”。我们将一个 Kubernetes 集群所需的一系列 Master 组件当成一个复杂的应用。当我们需要一个“ Kubernetes 业务集群”(后面简称业务集群)，我们只需要向元集群 Apiserver 提交用于描述“ Kubernetes 业务集群”的 Cluster CRD Resource (下文会介绍我们如何设计 CRD 结构)，Kube-on-Kube-Operator 就为我们准备好了一个可以工作的“Kubernetes 业务集群”("业务集群" Master 组件都已经Ready，需要扩容 Worker 节点)。
之后我们在“ Kubernetes 业务集群”上，部署上 Node-Operator。Node-Operator 负责 Worker 节点的生命周期。当我们需要扩容一个 Worker 节点，我们只需要提交描述 Worker 节点的元数据( IP, Hostname, 机器运维登录方式等)的 Machine CRD Resource (下文会介绍我们如何设计 CRD 结构)，Node-Operator 就会将 Worker 节点初始化完成，并成功加入到 “ Kubernetes 业务集群” 中。
“元集群” 只用于管理所有“业务集群”所需的 Master 组件。“业务集群”是真正提供给业务方运行 Pod 的 Kubernetes 集群。也就说，在蚂蚁金服，我们只有一个 “元集群”， 在这个 “元集群”中，我们使用 Kube-on-Kube-Operator 自动化管理了蚂蚁金服所有的 “ Kubernetes 业务集群” 的 Master 组件。
当然，“元集群”也会部署 Node-Operator，用于“元集群” Worker 节点的上下线，“元集群”的 Worker 节点也是各个 “业务集群” 的 Master 节点。
Kube-on-Kube-Operator
Kube-on-Kube-Operator 用于 Watch Cluster CRD Resource的变更，将"Cluster"所描述表示的 Kubernetes 业务集群的所有 Master 组件 达到最终状态。如下图，是“元集群”和它所管理的两个“Kubernetes 业务集群”的最终状态：
Cluster CRD 的定义包含如下一些信息：
业务集群名。
业务集群部署模式： 分为标准生产和最小化。标准生产提供Master组件都是3副本的部署，最小化则都是1个副本的部署。
业务集群 Master 节点 NodeSelector，即表示如何在元集群内如何选择业务集群Master 节点。
业务集群各 Master 组件版本，自定义参数等
业务集群所使用的 etcd 启动配置，主要涉及 etcd data volume 的设置。有ClaimTemplate 和 VolumeSource 两种模式，即使用 ClaimTemplate 模式就使用PVC 来初始化 etcd volume，而使用 VolumeSource 模式，即使用 VolumeSource 所表示的 volume 来挂载 etcd volume。
业务集群 Master 组件证书过期时间： Master 组件所使用 kubeconfig 中的证书都有过期时间，以保证安全性。而 Kube-on-Kube-Operator 会在证书过期时自动完成滚动证书、Master 组件重新加载证书等操作。
业务集群额外用户 kubeconfig：即为 “额外用户”提供的用户名和组名，签出证书，并生成 kubeconfig 保存在元集群 Secret 中供读取。
业务集群状态： 这部分信息不需要用户提交，而是由 Kube-on-Kube-Operator 自动生成，用户反馈这个业务集群的状态，参考 Pod.Status 。
一个业务集群的 Master组件 部署 实际是元集群中的一系列 Resource 组成，即包括Deployment，Secret，Pod，PVC 等组合使用。各 Master 组件 所需要的部署 Resource 如下：
Apiserver: 一个 Deployment 即可，因为 Apiserver 是无状态应用，副本数和Cluster CRD 描述的一致即可。除此之外，需要为Apiserver创建两个 Service:
向同个业务集群的其它 Master 组件提供服务的 Service： 建议使用元集群内的 Headless Service。
向 Kubelet、外部组件提供服务的 Service： 建议使用机房 DNS RR Service (需要自己实现 Service Controller )。
etcd: 每个 etcd 实例(标准化部署是 3 个实例，最小化是 1 个实例)都建议单独使用 Pod + PV + PVC + Headless Service 部署。每个etcd 实例的 peer id 为对应的Headless Service 域名。当某个 etcd 实例发生故障时，需要手动删除掉故障对应实例的 Pod，Kube-on-Kube-Operator watch 到 etcd Pod 的减少，会重新建立 Pod，并执行 Remove old member (被删除的 Pod )， Add new member(新建的Pod)操作，但是他们的peer id还是保持一致的。
Controller-Manager: 一个 Deployment 即可，因为 Controller-Manager 是无状态应用。副本数和 Cluster CRD 描述的一致即可。
Scheduler: 一个 Deployment 即可，因为 Scheduler 是无状态应用。副本数和Cluster CRD 描述的一致即可。
Kube-on-Kube-Operator 除了能够部署上述的 Master 组件之外，还能维护任何扩展组件，如 kube-proxy，kube-dns 等。只需要用户提供 扩展组件部署模板 和 扩展插件版本，Kube-on-Kube-Operator 能渲染出部署 Resource，并保持这些部署 Resource 到最终态。由于篇幅原因，我们这里不再赘述。
Node-Operator
Node-Operator 用于 Watch Machine CRD Resource 的变更，将"Machine"所描述表示的 Worker 节点上的 on-host 软件(docker, kubelet, cni)达到最终态，最终能让 "Machine"所对应的"Node" 在 Kubernetes 集群中达到"Ready"状态。架构图如下:
Machine CRD 的定义包含如下一些信息：
机器元数据: IP, Hostname, IDC 等
机器运维 ssh 登录方式和登录秘钥: 如最常见的 SSH Key；如果 Machine 是阿里云的 ECS, 那么登录方式和登录秘钥是阿里云提供的 SSH 接口和对应的鉴权信息等。
各个on-host 软件版本和自定义参数
Machine 状态: 这部分信息不需要用户提交，而是由 Node-Operator 生成，表示这个机器的当前状态，参考 Pod.Status 。
Node-Operator 还用 Watch Machine 对应 Node 的状态，当发生一些能处理的 Condition(比如 kubelet 运行中进程消失了)时，Node-Operator 会做出恢复处理。
Node-Operator 还会 Watch ClusterPackageVersion CRD 的变更，这个 CRD 表示整个Kubernetes 集群 kubelet、docker 等组件的默认版本，Node-Operator 会根据 ClusterPackageVersion 描述的信息，控制各个节点的 kubelet、docker 等组件的版本。
Node-Operator 还支持控制某些组件灰度发布到某些节点中。用户只要提交描述这个灰度发布的 CRD 到 Apiserver，Node-Operator 会有序的执行灰度发布，并将发布状态反馈到 CRD 中。由于篇幅原因，我们不再赘述。