作者 | 聲東 阿裡雲售後技術專家
導讀：不知道大家有沒有意識到一個現實：大部分時候，我們已經不像以前一樣，通過指令行，或者可視視窗來使用一個系統了。
前言
現在我們上微網誌、或者網購，操作的其實不是眼前這台裝置，而是一個又一個叢集。通常，這樣的叢集擁有成百上千個節點，每個節點是一台實體機或虛拟機。叢集一般遠離使用者，坐落在資料中心。為了讓這些節點互相協作，對外提供一緻且高效的服務，叢集需要作業系統。Kubernetes 就是這樣的作業系統。
比較 Kubernetes 和單機作業系統，Kubernetes 相當于核心，它負責叢集軟硬體資源管理，并對外提供統一的入口，使用者可以通過這個入口來使用叢集，和叢集溝通。
而運作在叢集之上的程式，與普通程式有很大的不同。這樣的程式，是“關在籠子裡”的程式。它們從被制作，到被部署，再到被使用，都不尋常。我們隻有深挖根源，才能了解其本質。
“關在籠子裡”的程式
代碼
我們使用 go 語言寫了一個簡單的 web 伺服器程式 app.go，這個程式監聽在 2580 這個端口。通過 http 協定通路這個服務的根路徑，服務會傳回 "This is a small app for kubernetes..." 字元串。
package main
import (
"github.com/gorilla/mux"
"log"
"net/http"
)
func about(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
w.Write([]byte("This is a small app for kubernetes...\n"))
}
func main() {
r := mux.NewRouter()
r.HandleFunc("/", about)
log.Fatal(http.ListenAndServe("0.0.0.0:2580", r))
} 使用 go build 指令編譯這個程式，産生 app 可執行檔案。這是一個普通的可執行檔案，它在作業系統裡運作，會依賴系統裡的庫檔案。
# ldd app
linux-vdso.so.1 => (0x00007ffd1f7a3000)
libpthread.so.0 => /lib64/libpthread.so.0 (0x00007f554fd4a000)
libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f554f97d000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f554ff66000) “籠子”
為了讓這個程式不依賴于作業系統自身的庫檔案，我們需要制作容器鏡像，即隔離的運作環境。Dockerfile 是制作容器鏡像的“菜單”。我們的菜單就隻有兩個步驟，下載下傳一個 centos 的基礎鏡像，把 app 這個可執行檔案放到鏡像中 /usr/local/bin 目錄中去。
FROM centos
ADD app /usr/local/bin 位址
制作好的鏡像存再本地，我們需要把這個鏡像上傳到鏡像倉庫裡去。這裡的鏡像倉庫，相當于應用商店。我們使用阿裡雲的鏡像倉庫，上傳之後鏡像位址是:
registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/kube-easy/app:latest 鏡像位址可以拆分成四個部分：倉庫位址/命名空間/鏡像名稱:鏡像版本。顯然，鏡像上邊的鏡像，在阿裡雲杭州鏡像倉庫，使用的命名空間是 kube-easy，鏡像名:版本是 app:latest。至此，我們有了一個可以在 Kubernetes 叢集上運作的、“關在籠子裡”的小程式。
得其門而入
入口
Kubernetes 作為作業系統，和普通的作業系統一樣，有 API 的概念。有了 API，叢集就有了入口；有了 API，我們使用叢集，才能得其門而入。Kubernetes 的 API 被實作為運作在叢集節點上的元件 API Server。這個元件是典型的 web 伺服器程式，通過對外暴露 http(s) 接口來提供服務。
這裡我們建立一個阿裡雲 Kubernetes 叢集。登入叢集管理頁面，我們可以看到 API Server 的公網入口。
API Server 内網連接配接端點： https://xx.xxx.xxx.xxx:6443 雙向數字證書驗證
阿裡雲 Kubernetes 叢集 API Server 元件，使用基于 CA 簽名的雙向數字證書認證來保證用戶端與 api server 之間的安全通信。這句話很繞口，對于初學者不太好了解，我們來深入解釋一下。
從概念上來講，數字證書是用來驗證網絡通信參與者的一個檔案。這和學校頒發給學生的畢業證書類似。在學校和學生之間，學校是可信第三方 CA，而學生是通信參與者。如果社會普遍信任一個學校的聲譽的話，那麼這個學校頒發的畢業證書，也會得到社會認可。參與者證書和 CA 證書可以類比畢業證和學校的辦學許可證。
這裡我們有兩類參與者，CA 和普通參與者；與此對應，我們有兩種證書，CA 證書和參與者證書；另外我們還有兩種關系，證書簽發關系以及信任關系。這兩種關系至關重要。
我們先看簽發關系。如下圖，我們有兩張 CA 證書，三個參與者證書。
其中最上邊的 CA 證書，簽發了兩張證書，一張是中間的 CA 證書，另一張是右邊的參與者證書；中間的 CA 證書，簽發了下邊兩張參與者證書。這六張證書以簽發關系為聯系，形成了樹狀的證書簽發關系圖。
然而，證書以及簽發關系本身，并不能保證可信的通信可以在參與者之間進行。以上圖為例，假設最右邊的參與者是一個網站，最左邊的參與者是一個浏覽器，浏覽器相信網站的資料，不是因為網站有證書，也不是因為網站的證書是 CA 簽發的，而是因為浏覽器相信最上邊的 CA，也就是信任關系。
了解了 CA（證書），參與者（證書），簽發關系，以及信任關系之後，我們回過頭來看“基于 CA 簽名的雙向數字證書認證”。用戶端和 API Server 作為通信的普通參與者，各有一張證書。而這兩張證書，都是由 CA 簽發，我們簡單稱它們為叢集 CA 和用戶端 CA。用戶端信任叢集 CA，是以它信任擁有叢集 CA 簽發證書的 API Server；反過來 API Server 需要信任用戶端 CA，它才願意與用戶端通信。
阿裡雲 Kubernetes 叢集，叢集 CA 證書，和用戶端 CA 證書，實作上其實是一張證書，是以我們有這樣的關系圖。
KubeConfig 檔案
登入叢集管理控制台，我們可以拿到 KubeConfig 檔案。這個檔案包括了用戶端證書，叢集 CA 證書，以及其他。證書使用 base64 編碼，是以我們可以使用 base64 工具解碼證書，并使用 openssl 檢視證書文本。
- 首先，用戶端證書的簽發者 CN 是叢集 id c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72，而證書本身的 CN 是子賬号 252771643302762862；
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 787224 (0xc0318)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72
Validity
Not Before: Nov 29 06:03:00 2018 GMT
Not After : Nov 28 06:08:39 2021 GMT
Subject: O=system:users, OU=, CN=252771643302762862 - 其次，隻有在 API Server 信任用戶端 CA 證書的情況下，上邊的用戶端證書才能通過 API Server 的驗證。kube-apiserver 程序通過 client-ca-file 這個參數指定其信任的用戶端 CA 證書，其指定的證書是 /etc/kubernetes/pki/apiserver-ca.crt。這個檔案實際上包含了兩張用戶端 CA 證書，其中一張和叢集管控有關系，這裡不做解釋，另外一張如下，它的 CN 與用戶端證書的簽發者 CN 一緻；
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 787224 (0xc0318)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72
Validity
Not Before: Nov 29 06:03:00 2018 GMT
Not After : Nov 28 06:08:39 2021 GMT
Subject: O=system:users, OU=, CN=252771643302762862 - 再次，API Server 使用的證書，由 kube-apiserver 的參數 tls-cert-file 決定，這個參數指向證書 /etc/kubernetes/pki/apiserver.crt。這個證書的 CN 是 kube-apiserver，簽發者是 c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72，即叢集 CA 證書；
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 2184578451551960857 (0x1e512e86fcba3f19)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72
Validity
Not Before: Nov 29 03:59:00 2018 GMT
Not After : Nov 29 04:14:23 2019 GMT
Subject: CN=kube-apiserver - 最後，用戶端需要驗證上邊這張 API Server 的證書，因而 KubeConfig 檔案裡包含了其簽發者，即叢集 CA 證書。對比叢集 CA 證書和用戶端 CA 證書，發現兩張證書完全一樣，這符合我們的預期。
Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number: 786974 (0xc021e)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: C=CN, ST=ZheJiang, L=HangZhou, O=Alibaba, OU=ACS, CN=root
Validity
Not Before: Nov 29 03:59:00 2018 GMT
Not After : Nov 24 04:04:00 2038 GMT
Subject: O=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72, OU=default, CN=c0256a3b8e4b948bb9c21e66b0e1d9a72 通路
了解了原理之後，我們可以做一個簡單的測試：以證書作為參數，使用 curl 通路 api server，并得到預期結果。
# curl --cert ./client.crt --cacert ./ca.crt --key ./client.key https://xx.xx.xx.xxx:6443/api/
{
"kind": "APIVersions",
"versions": [
"v1"
],
"serverAddressByClientCIDRs": [
{
"clientCIDR": "0.0.0.0/0",
"serverAddress": "192.168.0.222:6443"
}
]
} 擇優而居
兩種節點，一種任務
如開始所講，Kubernetes 是管理叢集多個節點的作業系統。這些節點在叢集中的角色，卻不必完全一樣。Kubernetes 叢集有兩種節點：master 節點和 worker 節點。
這種角色的區分，實際上就是一種分工：master 負責整個叢集的管理，其上運作的以叢集管理元件為主，這些元件包括實作叢集入口的 api server；而 worker 節點主要負責承載普通任務。
在 Kubernetes 叢集中，任務被定義為 pod 這個概念。pod 是叢集可承載任務的原子單元，pod 被翻譯成容器組，其實是意譯，因為一個 pod 實際上封裝了多個容器化的應用。原則上來講，被封裝在一個 pod 裡邊的容器，應該是存在相當程度的耦合關系。
排程算法需要解決的問題，是替 pod 選擇一個舒适的“居所”，讓 pod 所定義的任務可以在這個節點上順利地完成。
為了實作“擇優而居”的目标，Kubernetes 叢集排程算法采用了兩步走的政策：
- 第一步，從所有節點中排除不滿足條件的節點，即預選；
- 第二步，給剩餘的節點打分，最後得分高者勝出，即優選。
下面我們使用文章開始的時候制作的鏡像，建立一個 pod，并通過日志來具體分析一下，這個 pod 怎麼樣被排程到某一個叢集節點。
Pod 配置
首先，我們建立 pod 的配置檔案，配置檔案格式是 json。這個配置檔案有三個地方比較關鍵，分别是鏡像位址，指令以及容器的端口。
{
"apiVersion": "v1",
"kind": "Pod",
"metadata": {
"name": "app"
},
"spec": {
"containers": [
{
"name": "app",
"image": "registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/kube-easy/app:latest",
"command": [
"app"
],
"ports": [
{
"containerPort": 2580
}
]
}
]
}
} 日志級别
叢集排程算法被實作為運作在 master 節點上的系統元件，這一點和 api server 類似。其對應的程序名是 kube-scheduler。kube-scheduler 支援多個級别的日志輸出，但社群并沒有提供詳細的日志級别說明文檔。檢視排程算法對節點進行篩選、打分的過程，我們需要把日志級别提高到 10，即加入參數 --v=10。
kube-scheduler --address=127.0.0.1 --kubeconfig=/etc/kubernetes/scheduler.conf --leader-elect=true --v=10 建立 Pod
使用 curl，以證書和 pod 配置檔案等作為參數，通過 POST 請求通路 api server 的接口，我們可以在叢集裡建立對應的 pod。
# curl -X POST -H 'Content-Type: application/json;charset=utf-8' --cert ./client.crt --cacert ./ca.crt --key ./client.key https://47.110.197.238:6443/api/v1/namespaces/default/pods [email protected] 預選
預選是 Kubernetes 排程的第一步，這一步要做的事情，是根據預先定義的規則，把不符合條件的節點過濾掉。不同版本的 Kubernetes 所實作的預選規則有很大的不同，但基本的趨勢，是預選規則會越來越豐富。
比較常見的兩個預選規則是 PodFitsResourcesPred 和 PodFitsHostPortsPred。前一個規則用來判斷，一個節點上的剩餘資源，是不是能夠滿足 pod 的需求；而後一個規則，檢查一個節點上某一個端口是不是已經被其他 pod 所使用了。
下圖是排程算法在處理測試 pod 的時候，輸出的預選規則的日志。這段日志記錄了預選規則 CheckVolumeBindingPred 的執行情況。某些類型的存儲卷（PV），隻能挂載到一個節點上，這個規則可以過濾掉不滿足 pod 對 PV 需求的節點。
從 app 的編排檔案裡可以看到，pod 對存儲卷并沒有什麼需求，是以這個條件并沒有過濾掉節點。
優選
排程算法的第二個階段是優選階段。這個階段，kube-scheduler 會根據節點可用資源及其他一些規則，給剩餘節點打分。
目前，CPU 和記憶體是排程算法考量的兩種主要資源，但考量的方式并不是簡單的，剩餘 CPU、記憶體資源越多，得分就越高。
日志記錄了兩種計算方式：LeastResourceAllocation 和 BalancedResourceAllocation。
- 前一種方式計算 pod 排程到節點之後，節點剩餘 CPU 和記憶體占總 CPU 和記憶體的比例，比例越高得分就越高；
- 第二種方式計算節點上 CPU 和記憶體使用比例之差的絕對值，絕對值越大，得分越少。
這兩種方式，一種傾向于選出資源使用率較低的節點，第二種希望選出兩種資源使用比例接近的節點。這兩種方式有一些沖突，最終依靠一定的權重來平衡這兩個因素。
除了資源之外，優選算法會考慮其他一些因素，比如 pod 與節點的親和性，或者如果一個服務有多個相同 pod 組成的情況下，多個 pod 在不同節點上的分散程度，這是保證高可用的一種政策。
得分
最後，排程算法會給所有的得分項乘以它們的權重，然後求和得到每個節點最終的得分。因為測試叢集使用的是預設排程算法，而預設排程算法把日志中出現的得分項所對應的權重，都設定成了 1，是以如果按日志裡有記錄得分項來計算，最終三個節點的得分應該是 29，28 和 29。
之是以會出現日志輸出的得分和我們自己計算的得分不符的情況，是因為日志并沒有輸出所有的得分項，猜測漏掉的政策應該是 NodePreferAvoidPodsPriority，這個政策的權重是 10000，每個節點得分 10，是以才得出最終日志輸出的結果。
結束語
在本文中，我們以一個簡單的容器化 web 程式為例，着重分析了用戶端怎麼樣通過 Kubernetes 叢集 API Server 認證，以及容器應用怎麼樣被分派到合适節點這兩件事情。
在分析過程中，我們棄用了一些便利的工具，比如 kubectl，或者控制台。我們用了一些更接近底層的小實驗，比如拆解 KubeConfig 檔案，再比如分析排程器日志來分析認證和排程算法的運作原理。希望這些對大家進一步了解 Kubernetes 叢集有所幫助。
架構師成長系列直播
“ 阿裡巴巴雲原生 關注微服務、Serverless、容器、Service Mesh 等技術領域、聚焦雲原生流行技術趨勢、雲原生大規模的落地實踐，做最懂雲原生開發者的技術圈。”