CN112104486A - 一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，属于软件应用的运行控制技术，包括以下内容：Kubernetes集群中controller manager组件中配置一EndpointSlice Controller，该EndpointSlice Controller启动时通过API Server对Service、Pod资源进行监听；EndpointSlice Controller监听到Service或Pod发生新增、修改或删除事件，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作；Kube‑Proxy组件监听到EndpointSlices发生新增、修改或删除改变，同步对应更新Service功能的规则，实现或禁止Service功能。本发明通过新增网络端点资源EndpointSlice，当监听到EndpointSlices发生改变会同步更新iptables或IPVS规则，实现或禁止Service的实际功能，能够大幅减少大型集群的流量负载情况，提高集群的性能。
Description
技术领域
本发明涉及软件应用的运行控制技术领域，特别是一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法。
背景技术
Kubernetes现有的网络端点(Endpoints)资源的某个对象包含了某个服务(Service)的所有网络端点，单个网络端点一般由容器组(Pod)的ip加上声明出来的端口组成。每当一个服务中的单个pod被添加/更新/删除时，整个Endpoints对象(即使其他端点没有变化)都会被重新计算，写入存储(etcd)，并发送给所有的监视者(例如kube-proxy)。但是，这造成了两个主要问题：
1.由于没有采用分页和单体监听/存储设计，存储较大的端点信息会给系统的多个组件带来压力。由于K8s存储层etcd单个对象的大小有一个硬性限制(默认为1.5MB)，这就意味着一个网络端点的数量是有限的，当试图写入一个大于限制的对象将被拒绝。此外，Kubernetes apiserver中的监听路径上也有类似的限制。对于K8s服务来说，如果其Endpoints对象过大，端点更新将不会传播到kube-proxy(s)，因此iptables/ipvs将不会被重新编程。
2.在大型kubernetes集群中，造成性能下降。不能高效地读取/更新单个端点的变化，例如在服务滚动升级期间，如果考虑到每个节点都会有一个kube-proxy对端点进行监听，流量情况会变得更加严峻，因为滚动更新期间大量的endpoint修改操作都会触发监听事件的流量传输。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，通过新增一种叫做端点切片(EndpointSlice)的新型网络端点资源，一个是为了解决现有技术上述的两个问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，包括以下内容：
S1、Kubernetes集群中controller manager组件中配置一EndpointSliceController，该EndpointSlice Controller启动时通过API Server对Service、Pod资源进行监听；
S2、EndpointSlice Controller监听到Service或Pod发生新增、修改或删除事件，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作；
S3、Kube-Proxy组件监听到EndpointSlices发生新增、修改或删除改变，同步对应更新Service功能的规则，实现或禁止Service功能。
作为一选项，步骤S1的具体内容为：controller manager组件中配置一EndpointSlice Controller组件，EndpointSlice Controller启动时向API Server发送Service、Pod资源的监听请求，对Service、Pod资源的新增、修改或删除事件进行监听。
作为一选项，步骤S2的具体内容如下：
S21、EndpointSlice Controller监听到Pod资源、Service的新增、修改或删除变化，将相应的Service传入队列；当Pod资源有变化时，查出关联的Service，并将此Service传入队列；当Service有变化时,直接将此Service传入队列；
S22、EndpointSlice Controller启动的worker定时从队列中取Service，查询到该Service关联的EndpointSlice资源和与该Service关联并已创建成功的Pod资源信息，将这些信息传入调谐器进行调谐；
S23、调谐器根据从worker获取的信息，创建出待新建的EndpointSlice、待修改的EndpointSlice或待删除的EndpointSlice数组，再向API Server发送新建、修改或删除的请求，完成一个该Service相关联的EndpointSlice的调谐工作，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作。
作为一选项，步骤S2中，在EndpointSlices资源的标签中添加管理者字段endpointslice-controller，表明该EndpointSlices仅由EndpointSlice Controller管理。
作为一选项，步骤S3中，Kube-Proxy组件通过API Server监听EndpointSlices；Kube-Proxy为Kubernetes集群内所有节点都存在的组件，提供service功能的具体实现，有iptables或IPVS两种实现方法。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过新增网络端点资源EndpointSlice，当监听到EndpointSlices发生改变会同步更新iptables或IPVS规则，实现或禁止Service的实际功能；采用端点切片资源替代现有的端点资源，能够大幅减少大型集群的流量负载情况，提高集群的性能。
2.支持在拥有数千台节点的kubernetes集群，使用拥有上万个后端网络端点的服务。将大规模服务滚动更新产生的控制平面流量减少99％以上。
3.提升网络端点功能的扩展性。
附图说明
图1是本发明的方法的处理步骤图。
图2是本发明的方法的组件操作图。
图3是本发明的方法的组件连接图。
图4是本发明的方法的组件处理状态图。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
实施例1
如图1及图2所示，本实施例的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，Kubernetes集群加载并运行有若干个模块，新的端点切片(EndpointSlice)资源和其他资源的对应关系与一些限制为：
1.一个服务可以映射到N个端点切片。
2.一个端点切片默认最多包含100个网络端点(endpoints)，可以通过controllermanager中的配置修改最大数量。
3.端点切片资源的数量也受到命名空间的资源配额(resource quota)限制，可以保护Kubernetes控制平面，防止恶意用户通过创建选择所有容器组的服务，以此来攻击APIServer。
该网络端点切片的方法包括以下内容：
步骤S1、Kubernetes集群中controller manager组件中配置一EndpointSliceController，该EndpointSlice Controller启动时通过API Server对Service、Pod资源进行监听。在Kubernetes集群中controller manager组件中添加一个新的controller：EndpointSlice Controller，该controler通过API Server对Service、Pod资源进行监听。其中的“Service、Pod”为Kubernetes集群本身就存在的资源对象，存储在分布式数据库etcd中。具体如下：
在controller manager中的EndpointSlice Controller组件启动时会向APIServer发送Service、Pod资源的监听请求，对Service、Pod资源的新增、修改、删除等事件进行监听。当Service、Pod资源发生改变，首先是在etcd中的对象发生改变，EndpointSliceController会通过监听API Server发现该变化。
步骤S2、EndpointSlice Controller监听到Service或Pod发生新增、修改或删除事件，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作。当Service、Pod发生新增、修改、删除事件时，controler会对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改、删除操作。具体如下：
S21.EndpointSlice Controller监听Pod、Service的变化，当Pod有变化，查出关联的Service，并将此Service传入队列(queue)。当Service资源有变化时,直接将此Service传入队列(queue)。
S22.EndpointSlice Controller默认启动5个worker，每个worker每1秒钟从队列中取Service，并查询到该Service关联的EndpointSlice资源和与该Service关联并已创建成功的Pod资源信息，并将这些信息传入调谐器(reconciler)进行调谐。
S23.调谐器根据从worker获取到的信息，可以很容易的创建出3个EndpointSlice的数组，分别是待新建的EndpointSlice、待修改的EndpointSlice、待删除的EndpointSlice，将这3组EndpointSlice的信息分别向API Server发送新建、修改、删除的请求，到此就完成一个Service相关联的EndpointSlice的调谐工作。为了保证EndpointSlices资源的高度可扩展性，一般会在EndpointSlices资源的标签(label)中添加管理者字段，在这里为:endpointslice-controller，表明该EndpointSlices实例由EndpointSlice Controller管理，其它的controller无法修改与删除。
步骤S3、Kube-Proxy组件监听到EndpointSlices发生新增、修改或删除改变，同步对应更新Service功能的规则，实现或禁止Service功能。Kube-Proxy组件一般作为EndpointSlices资源的主要消费者，会通过API Server监听EndpointSlices，当监听到EndpointSlices发生改变会同步将iptables或IPVS规则进行修改。其中的“Kube-Proxy”为Kubernetes集群内所有节点都存在的组件，主要提供service功能的具体实现，一般有iptables或IPVS两种实现方法。
如上述，该方法通过新增网络端点资源EndpointSlice，当监听到EndpointSlices发生改变会同步更新iptables或IPVS规则，实现或禁止Service的实际功能；采用端点切片资源替代现有的端点资源，能够大幅减少大型集群的流量负载情况，提高集群的性能。
下述将具体举例说明。
如图3、图4所示，本实例采用3个Master Node作为控制节点，控制节点不负责运行工作负载，只有一些kubernetes的组件以容器的形式运行在上面，包括应用程序接口服务器(API Server)，控制器管理控制中心(Controller Manager)，调度器(Scheduler)。
本实例采用5000个Worker Node作为工作节点，每个工作节点上都运行Kube-Proxy组件和4个Pod的作为工作负载。每个Master Node上的API Server都会与分布式数据库etcd连接，用于集群内各种资源配置和状态存储。
如图4所示，本发明实现的EndpointSlices资源和EndpointSlice Controller中,EndpointSlices对象由controller manager组件中的EndpointSlice Controller进行维护，对象实体保存在etcd中。其中，API Server是kubernetes集群附带的组件，能够接收EndpointSlices新增、修改、删除、监听的请求，并将修改反映到etcd中。
基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法的验证实例的步骤如下：
执行步骤1，在该实施例中，新建一个Service资源，并将其与5000个Worker Node上的总计20000个Pod关联，EndpointSlice Controller监听到新的Service创建，创建200个EndpointSlices资源，每个EndpointSlices拥有100个IP地址。结合图4，该步骤具体为：
11.新建一个Service资源，选择关联Worker Node上的Pod，并暴露端口，向APIServer发送请求，API Server将该Service实例存储到etcd中。
12.EndpointSlice Controller在启动时就通过API Server对Service资源进行了监听，当监听到有新的Service创建时，查询该Service关联的20000个Pod的信息，根据这些Pod的IP和端口信息创建EndpointSlices。
13.由于每个EndpointSlices默认可以容纳100个网络端点信息，所以会以“service名字-随即字段”为名字创建200个EndpointSlices，并通过API Server将它们存储至etcd。
执行步骤2，5000个Worker Node上的Kube-Proxy组件对EndpointSlices资源事件进行监听，当新增200个EndpointSlices后，Kube-Proxy对200个EndpointSlices进行查询，根据获取到的EndpointSlices信息对本节点上的iptables规则进行更新，实现Service的实际功能。结合图4，该步骤具体为：
21.每个Worker Node上的Kube-Proxy组件在启动时都会通过API Server对EndpointSlices资源事件进行监听，当监听到200个新的EndpointSlices创建事件时，会通过API Server查询到这些EndpointSlices具体信息。
22.Kube-Proxy在获取到新增的EndpointSlices信息后，会根据每个网络端点的ip、端口、协议等信息，对本机上的iptables规则进行新增，使得Service的功能能够使用。
执行步骤3，删除某个Pod后，EndpointSlice Controller监听到该Pod的删除事件，反向查询到该Pod连接到的Service，再查询到连接该Service的EndpointSlices，将这个Pod对应的网络端点信息所在的EndpointSlices信息修改，并存储到etcd中。
执行步骤4，5000个Worker Node上的Kube-Proxy组件对EndpointSlices资源事件进行监听，当监听到1个EndpointSlices发生修改，Kube-Proxy对这个EndpointSlices进行查询，根据获取到的EndpointSlices信息对本节点上的iptables规则进行更新，禁止流量进入已被删除的Pod中。
实施例2
基于上述实施例1，下述将说明本实施例的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的系统，详细说明以及其它实例请参见上述实施例1的说明。
本实施例的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的系统，包括以下内容：
配置模块：用于Kubernetes集群中controller manager组件中配置一EndpointSlice Controller，该EndpointSlice Controller启动时通过API Server对Service、Pod资源进行监听；
监听操作模块：用于EndpointSlice Controller监听到Service或Pod发生新增、修改或删除事件，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作；
更新规则模块：用于Kube-Proxy组件监听到EndpointSlices发生新增、修改或删除改变，同步对应更新Service功能的规则，实现或禁止Service功能。
作为一选项，配置模块的具体内容为：controller manager组件中配置一EndpointSlice Controller组件，EndpointSlice Controller启动时向API Server发送Service、Pod资源的监听请求，对Service、Pod资源的新增、修改或删除事件进行监听。
作为一选项，监听操作模块的处理流程如下：
EndpointSlice Controller监听到Pod资源、Service的新增、修改或删除变化，将相应的Service传入队列；当Pod资源有变化时，查出关联的Service，并将此Service传入队列；当Service有变化时,直接将此Service传入队列；
EndpointSlice Controller启动的worker定时从队列中取Service，查询到该Service关联的EndpointSlice资源和与该Service关联并已创建成功的Pod资源信息，将这些信息传入调谐器进行调谐；
调谐器根据从worker获取的信息，创建出待新建的EndpointSlice、待修改的EndpointSlice或待删除的EndpointSlice数组，再向API Server发送新建、修改或删除的请求，完成一个该Service相关联的EndpointSlice的调谐工作，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作。
作为一选项，监听操作模块中，在EndpointSlices资源的标签中添加管理者字段endpointslice-controller，表明该EndpointSlices仅由EndpointSlice Controller管理。
作为一选项，更新规则模块中，Kube-Proxy组件通过API Server监听EndpointSlices；Kube-Proxy为Kubernetes集群内所有节点都存在的组件，提供service功能的具体实现，有iptables或IPVS两种实现方法。
如上述，该系统通过新增网络端点资源EndpointSlice，当监听到EndpointSlices发生改变会同步更新iptables或IPVS规则，实现或禁止Service的实际功能；采用端点切片资源替代现有的端点资源，能够大幅减少大型集群的流量负载情况，提高集群的性能。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明和例证，但这些描述并非用以限定本发明所要求保护范围，凡本发明所提示的技术教导下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利保护范围。
Claims (10)
1.一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，其特征在于，包括以下内容：
S1、Kubernetes集群中controller manager组件中配置一EndpointSliceController，该EndpointSlice Controller启动时通过API Server对Service、Pod资源进行监听；
S2、EndpointSlice Controller监听到Service或Pod发生新增、修改或删除事件，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作；
S3、Kube-Proxy组件监听到EndpointSlices发生新增、修改或删除改变，同步对应更新Service功能的规则，实现或禁止Service功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，其特征在于：所述步骤S1的具体内容为：controller manager组件中配置一EndpointSliceController组件，EndpointSlice Controller启动时向API Server发送Service、Pod资源的监听请求，对Service、Pod资源的新增、修改或删除事件进行监听。
3.根据权利要求1所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，其特征在于：所述步骤S2的具体内容如下：
S21、EndpointSlice Controller监听到Pod资源、Service的新增、修改或删除变化，将相应的Service传入队列；当Pod资源有变化时，查出关联的Service，并将此Service传入队列；当Service有变化时,直接将此Service传入队列；
S22、EndpointSlice Controller启动的worker定时从队列中取Service，查询到该Service关联的EndpointSlice资源和与该Service关联并已创建成功的Pod资源信息，将这些信息传入调谐器进行调谐；
S23、调谐器根据从worker获取的信息，创建出待新建的EndpointSlice、待修改的EndpointSlice或待删除的EndpointSlice数组，再向API Server发送新建、修改或删除的请求，完成一个该Service相关联的EndpointSlice的调谐工作，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，其特征在于，所述步骤S2中，在EndpointSlices资源的标签中添加管理者字段endpointslice-controller，表明该EndpointSlices仅由EndpointSlice Controller管理。
5.根据权利要求1所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的方法，其特征在于，所述步骤S3中，Kube-Proxy组件通过API Server监听EndpointSlices；Kube-Proxy为Kubernetes集群内所有节点都存在的组件，提供service功能的具体实现，有iptables或IPVS两种实现方法。
6.一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的系统，其特征在于：包括以下内容：
配置模块：用于Kubernetes集群中controller manager组件中配置一EndpointSliceController，该EndpointSlice Controller启动时通过API Server对Service、Pod资源进行监听；
监听操作模块：用于EndpointSlice Controller监听到Service或Pod发生新增、修改或删除事件，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作；
更新规则模块：用于Kube-Proxy组件监听到EndpointSlices发生新增、修改或删除改变，同步对应更新Service功能的规则，实现或禁止Service功能。
7.根据权利要求6所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的系统，其特征在于：所述配置模块的具体内容为：controller manager组件中配置一EndpointSliceController组件，EndpointSlice Controller启动时向API Server发送Service、Pod资源的监听请求，对Service、Pod资源的新增、修改或删除事件进行监听。
8.根据权利要求6所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的系统，其特征在于：所述监听操作模块的处理流程如下：
EndpointSlice Controller监听到Pod资源、Service的新增、修改或删除变化，将相应的Service传入队列；当Pod资源有变化时，查出关联的Service，并将此Service传入队列；当Service有变化时,直接将此Service传入队列；
EndpointSlice Controller启动的worker定时从队列中取Service，查询到该Service关联的EndpointSlice资源和与该Service关联并已创建成功的Pod资源信息，将这些信息传入调谐器进行调谐；
调谐器根据从worker获取的信息，创建出待新建的EndpointSlice、待修改的EndpointSlice或待删除的EndpointSlice数组，再向API Server发送新建、修改或删除的请求，完成一个该Service相关联的EndpointSlice的调谐工作，对EndpointSlice资源进行相应的新增、修改或删除操作。
9.根据权利要求6所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的系统，其特征在于：所述监听操作模块中，在EndpointSlices资源的标签中添加管理者字段endpointslice-controller，表明该EndpointSlices仅由EndpointSlice Controller管理。
10.根据权利要求6所述的一种基于Kubernetes容器的网络端点切片的系统，其特征在于：所述更新规则模块中，Kube-Proxy组件通过API Server监听EndpointSlices；Kube-Proxy为Kubernetes集群内所有节点都存在的组件，提供service功能的具体实现，有iptables或IPVS两种实现方法。
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