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硬核干货丨借助多容器Pod，轻松扩展K8S中的应用

2021-04-12 08:14 72 查看

Kubernetes提供了巨大的灵活性和运行各种应用的能力。如果你的应用是云原生微服务或12要素（12-factor）应用，那么在Kubernetes中运行它们有可能会相对简单。

但是，运行那些没有明确设计为在容器化环境中运行的应用程序呢？Kubernetes也可以处理这些问题，但是设置起来可能会比较麻烦。

Kubernetes提供的最强大的工具之一是多容器pod（尽管多容器pod在各种情况下对云原生应用也很有用）。为什么要在一个 pod 中运行多个容器？因为多容器pod可以让你在不改变其代码的情况下更改应用程序的行为。

这在各种情况下都很有用，特别是对于那些最初没有被设计成在容器中运行的应用程序来说，这很方便。我们来看看一个例子。

确保HTTP服务的安全

Elasticsearch是在容器流行之前诞生的（当然现在在Kubernetes中运行也十分简单），它可以看成在虚拟机中运行的传统Java应用的替代。

我们将Elasticsearch作为示例应用程序，然后使用多容器pods来增强它。

以下是十分基本的（非生产环境就绪）Elasticsearch Deployment和服务：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: elasticsearch
spec:
selector:
matchLabels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
template:
metadata:
labels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
spec:
containers:
- name: elasticsearch
image: elasticsearch:7.9.3
env:
- name: discovery.type
value: single-node
ports:
- name: http
containerPort: 9200
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: elasticsearch
spec:
selector:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
ports:
- port: 9200
targetPort: 9200

discovery.type环境变量是让它以单个副本运行的必要条件。

Elasticsearch默认通过HTTP端口9200进行监听。你可以通过在集群中运行另一个Pod并curl到elasticsearch服务来确认pod工作。

kubectl run -it --rm --image=curlimages/curl curl \
-- curl http://elasticsearch:9200
{
"name" : "elasticsearch-77d857c8cf-mk2dv",
"cluster_name" : "docker-cluster",
"cluster_uuid" : "z98oL-w-SLKJBhh5KVG4kg",
"version" : {
"number" : "7.9.3",
"build_flavor" : "default",
"build_type" : "docker",
"build_hash" : "c4138e51121ef06a6404866cddc601906fe5c868",
"build_date" : "2020-10-16T10:36:16.141335Z",
"build_snapshot" : false,
"lucene_version" : "8.6.2",
"minimum_wire_compatibility_version" : "6.8.0",
"minimum_index_compatibility_version" : "6.0.0-beta1"
},
"tagline" : "You Know, for Search"
}

现在，假设你正在向零信任安全模式发展，你需要对网络上的所有流量进行加密。如果应用程序没有原生的TLS支持，你会如何去做？

近期版本的Elasticsearch支持TLS，但它在之前很长一段时间内是一个付费功能。

我们首先想到的可能是用nginx ingress做TLS终止，因为ingress是集群中路由外部流量的组件。但这并不能满足要求，因为ingress pod和Elasticsearch pod之间的流量可能会在未加密的情况下通过网络。

外部流量被路由到Ingress，然后路由到Pod

如果你在Ingress终止TLS，剩下的流量将不会加密。

一个能满足要求的解决方案是在pod上加一个nginx代理容器，通过TLS进行监听。从用户到Pod的一路流量都是加密的。

如果在pod中包含一个代理容器，你可以在Nginx pod中终止TLS。

当你比较当前的设置时，你可以注意到，在Elasticsearch容器之前，流量一直是加密的。

以下是部署的情况：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: elasticsearch
spec:
selector:
matchLabels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
template:
metadata:
labels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
spec:
containers:
- name: elasticsearch
image: elasticsearch:7.9.3
env:
- name: discovery.type
value: single-node
- name: network.host
value: 127.0.0.1
- name: http.port
value: '9201'
- name: nginx-proxy
image: nginx:1.19.5
volumeMounts:
- name: nginx-config
mountPath: /etc/nginx/conf.d
readOnly: true
- name: certs
mountPath: /certs
readOnly: true
ports:
- name: https
containerPort: 9200
volumes:
- name: nginx-config
configMap:
name: elasticsearch-nginx
- name: certs
secret:
secretName: elasticsearch-tls
---
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
name: elasticsearch-nginx
data:
elasticsearch.conf: |
server {
listen 9200 ssl;
server_name elasticsearch;
ssl_certificate /certs/tls.crt;
ssl_certificate_key /certs/tls.key;

location / {
proxy_pass http://localhost:9201;
}
}

让我们来解读一下：

Elasticsearch在端口9201上监听localhost，而不是默认的0.0.0.0:9200（那是network.host和http.port环境变量的作用）。
新的nginx-proxy容器通过HTTPS在9200端口监听，并在9201端口代理请求到Elasticsearch。(elasticsearch-tls
secret包含TLS证书和密钥，例如可以用cert-manager生成)。

所以来自pod外部的请求会通过HTTPS进入9200端口的Nginx，然后转发到9201端口的Elasticsearch。

你可以通过在集群内发出HTTPS请求来确认它是否可以正常工作。

kubectl run -it --rm --image=curlimages/curl curl \
-- curl -k https://elasticsearch:9200
{
"name" : "elasticsearch-5469857795-nddbn",
"cluster_name" : "docker-cluster",
"cluster_uuid" : "XPW9Z8XGTxa7snoUYzeqgg",
"version" : {
"number" : "7.9.3",
"build_flavor" : "default",
"build_type" : "docker",
"build_hash" : "c4138e51121ef06a6404866cddc601906fe5c868",
"build_date" : "2020-10-16T10:36:16.141335Z",
"build_snapshot" : false,
"lucene_version" : "8.6.2",
"minimum_wire_compatibility_version" : "6.8.0",
"minimum_index_compatibility_version" : "6.0.0-beta1"
},
"tagline" : "You Know, for Search"
}

对于自签名的TLS证书，-k版本是必要的。在生产环境中，你需要使用可信的证书。

快速查看日志，显示该请求通过了Nginx代理：

kubectl logs elasticsearch-5469857795-nddbn nginx-proxy | grep curl
10.88.4.127 - - [26/Nov/2020:02:37:07 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 559 "-" "curl/7.73.0-DEV" "-"

你也可以检查你是否无法通过未加密的连接连接到Elasticsearch：

kubectl run -it --rm --image=curlimages/curl curl \
-- curl http://elasticsearch:9200
<html>
<head><title>400 The plain HTTP request was sent to HTTPS port</title></head>
<body>
<center><h1>400 Bad Request</h1></center>
<center>The plain HTTP request was sent to HTTPS port</center>
<hr><center>nginx/1.19.5</center>
</body>
</html>

你已经强制执行了TLS，而无需接触Elasticsearch代码或容器镜像。

代理容器是一种常见的模式

在pod中添加代理容器的做法很常见，以至于它有一个名字：Ambassador模式。

这篇文章中的所有模式在谷歌的一篇优秀论文中都有详细描述。公众号后台回复【论文】，获取论文下载地址。

添加基本的TLS支持只是一个开始。这里有一些其他的事情你可以用Ambassador模式来做：

如果你想让集群中的所有流量都用TLS证书加密，你可能会在集群中的每个pod中安装一个nginx（或其他）代理。你甚至可以更进一步，使用相互TLS来确保所有的请求都是经过认证以及加密的。（这是Istio和Linkerd等服务网格使用的主要方法）。
你可以使用代理来确保集中的OAuth授权通过验证jwts来认证所有请求。例如，gcp-iap-auth，它可以验证请求是否被GCP
Identity-Aware Proxy认证。
你可以通过安全隧道连接到外部数据库。这对于那些没有内置TLS支持的数据库来说尤其方便（比如旧版本的Redis）。

多容器pod的工作原理

我们先来了解Kubernetes上pod和容器之间的区别，以便更好地了解其底层是如何工作的。

一个传统的容器（例如由docker run启动的容器）提供了几种形式的隔离：

资源隔离（如，内存限制）
进程隔离
Filesystem和挂载隔离
网络隔离

Docker还有其他一些设置，但这些是最主要的。

底层使用的工具是Linux命名空间和控制组（cgroups）。

控制组是一种用来限制资源的便捷方法，比如一个特定进程可以使用的CPU或内存。例如，你可以说你的进程应该只使用2GB的内存和4个CPU核心中的一个。

命名空间则负责隔离进程以及限制该进程能看到的东西。例如，进程只能看到与它直接相关的网络数据包，它无法看到流经网络适配器的所有网络数据包。或者你可以隔离filesystem，让进程相信它可以访问所有的filesystem。

从内核5.6版本开始，有八种命名空间，挂载命名空间是其中之一

有了挂载命名空间，你可以让进程认为它可以访问主机上的所有目录，而事实上它并没有

挂载命名空间被设计为隔离资源——在本例中是filesystem。

每个进程都可以看到同一个filesystem，同时还可以与其他进程隔离

如果你需要复习一下cgroups和namespaces，这里有一篇很好的博客文章，深入探讨了一些技术细节：

https://jvns.ca/blog/2016/10/10/what-even-is-a-container/

在Kubernetes上，容器提供了所有形式的隔离，除了网络隔离。网络隔离发生在pod层面。换句话说，一个pod中的每个容器都会有自己的filesystem、进程表等，但它们都会共享同一个网络命名空间。

让我们来看看一个简单pod容器，以更好地了解它是如何工作的。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: podtest
spec:
containers:
- name: c1
image: busybox
command: ['sleep', '5000']
volumeMounts:
- name: shared
mountPath: /shared
- name: c2
image: busybox
command: ['sleep', '5000']
volumeMounts:
- name: shared
mountPath: /shared
volumes:
- name: shared
emptyDir: {}

我们将上面的代码段拆解一下：

有两个容器，这两个容器都会沉睡一段时间。
有一个emptyDir卷，它本质上是一个临时的本地卷，在pod的生命周期内持续存在。
emptyDir卷安装在每个pod中的/shared目录下。

你可以使用kubectl exec看到卷被挂载在第一个容器上：

kubectl exec -it podtest --container c1 -- sh

该命令将终端会话连接到podtest pod中的容器c1。

kubectl exec的--container选项通常缩写为-c。

mount | grep shared
/dev/vda1 on /shared type ext4 (rw,relatime)

如你所见，一个卷挂载在/shared上——这就是我们之前创建的shared卷。现在我们来创建一些文件：

echo "foo" > /tmp/foo
echo "bar" > /shared/bar

我们从第二个容器中检查相同的文件。首先连接到它：

kubectl exec -it podtest --container c2 -- sh

cat /shared/bar
bar
cat /tmp/foo
cat: can't open '/tmp/foo': No such file or directory

如你所见，在shared目录中创建的文件在两个容器上都是可用的，但/tmp中的文件却不可用。这是因为除了卷之外，容器的filesysytem之间是完全隔离的。

现在我们来看看网络和进程隔离。一个很好的方法是使用命令ip link来查看网络是如何设置的，它可以显示Linux系统的网络设备。让我们在第一个容器中执行这个命令：

kubectl exec -it podtest -c c1 -- ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
178: eth0@if179: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1450 qdisc noqueue
link/ether 46:4c:58:6c:da:37 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

在另一个容器中执行同样的命令：

kubectl exec -it podtest -c c2 -- ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
178: eth0@if179: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1450 qdisc noqueue
link/ether 46:4c:58:6c:da:37 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

你可以看到两个容器都有：

相同的设备eth0
相同MAC地址：46:4c:58:6c:da:37

因为MAC地址应该是全局唯一的，因此相同的地址清楚地标明，这些Pod共享同一个设备。

现在让我们来看看网络共享的操作吧！我们先连接到第一个容器：

ubectl exec -it podtest -c c1 -- sh

借助nc启动一个简单的网络监听器：

nc -lk -p 5000 127.0.0.1 -e 'date'

该命令在端口5000的localhost上启动一个监听器，并向任何连接的TCP客户端输入date命令。

那么第二个容器可以连接到它吗？

使用以下命令在第二个容器中打开终端：

kubectl exec -it podtest -c c2 -- sh

现在你可以验证第二个容器可以连接到该网络监听器，但不能看到nc进程：

telnet localhost 5000
Connected to localhost
Sun Nov 29 00:57:37 UTC 2020
Connection closed by foreign host

ps aux
PID   USER     TIME  COMMAND
1 root      0:00 sleep 5000
73 root      0:00 sh
81 root      0:00 ps aux

通过telnet连接，可以看到date的输出，证明nc监听器在工作，但是ps aux（显示容器上的所有进程）根本没有显示nc。这是因为pod内的容器有进程隔离，但没有网络隔离。这就解释了Ambassador模式的工作原理：

由于所有的容器都共享同一个网络命名空间，所以一个容器可以监听所有的连接——甚至是外部的连接。
其余的容器只接受来自localhost的连接——拒绝任何外部连接。

接收外部流量的容器就是Ambassador，因此该模式也被称为Ambassador模式。

不过有一点很关键，要记住：因为网络命名空间是共享的，所以一个pod中的多个容器不能在同一个端口监听。

让我们来看看多容器pod的一些其他用例。

使用标准接口暴露指标

假设你已经标准化地使用Prometheus来监控Kubernetes集群中的所有服务，但你使用的一些应用程序并没有原生导出Prometheus指标（如，Elasticsearch）。

你能在不改变你的应用程序代码的情况下，将Prometheus指标添加到你的pod中吗？事实上，你可以，使用Adapter模式。

对于Elasticsearch的例子，让我们在pod中添加一个 "exporter"容器，以Prometheus格式暴露各种Elasticsearch指标。

这并不困难，因为有一个Elasticsearch的开源exporter（你还需要将相关端口添加到服务中）：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: elasticsearch
spec:
selector:
matchLabels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
template:
metadata:
labels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
spec:
containers:
- name: elasticsearch
image: elasticsearch:7.9.3
env:
- name: discovery.type
value: single-node
ports:
- name: http
containerPort: 9200
- name: prometheus-exporter
image: justwatch/elasticsearch_exporter:1.1.0
args:
- '--es.uri=http://localhost:9200'
ports:
- name: http-prometheus
containerPort: 9114
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: elasticsearch
spec:
selector:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
ports:
- name: http
port: 9200
targetPort: http
- name: http-prometheus
port: 9114
targetPort: http-prometheus

一旦应用了这个功能，你就可以在9114端口找到暴露的指标：

kubectl run -it --rm --image=curlimages/curl curl \
-- curl -s elasticsearch:9114/metrics | head
# HELP elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes Estimated size in bytes of breaker
# TYPE elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes gauge
elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes{breaker="accounting",name="elasticsearch-ss86j"} 0
elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes{breaker="fielddata",name="elasticsearch-ss86j"} 0
elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes{breaker="in_flight_requests",name="elasticsearch-ss86j"} 0
elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes{breaker="model_inference",name="elasticsearch-ss86j"} 0
elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes{breaker="parent",name="elasticsearch-ss86j"} 1.61106136e+08
elasticsearch_breakers_estimated_size_bytes{breaker="request",name="elasticsearch-ss86j"} 16440
# HELP elasticsearch_breakers_limit_size_bytes Limit size in bytes for breaker
# TYPE elasticsearch_breakers_limit_size_bytes gauge

再次，你已经能够改变你的应用程序的行为，而无需实际改变你的代码或容器镜像。你已经暴露了标准化的Prometheus指标，这些指标可以被集群范围内的工具（如Prometheus Operator使用），从而实现了应用程序和底层基础设施之间的良好分离。

Tailing logs

接下来，我们来看看Sidecar模式，在这一模式下你可以将容器添加到Pod，该pod可以以某些方式增强应用程序。

Sidecar模式十分通用，可以应用到不同类型的用例中。我们接下来探索以下sidecar的经典用例：log tailing sidecar。

在容器化环境中，最佳实践是始终将日志记录到标准输出，这样可以集中收集和汇总日志。但许多旧的应用程序被设计成日志输出到文件，而改变这一方式并非易事。而添加一个log tailing sidecar意味着你不需要更改原有的方式也可以实现日志的集中收集和汇总。

我们继续以Elasticsearch为例，这可能会有点别扭，因为Elasticsearch容器默认是将日志记录到标准输出的（而且让它记录到文件也不是件容易的事）。

以下是部署情况：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: elasticsearch
labels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
spec:
selector:
matchLabels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
template:
metadata:
labels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
spec:
containers:
- name: elasticsearch
image: elasticsearch:7.9.3
env:
- name: discovery.type
value: single-node
- name: path.logs
value: /var/log/elasticsearch
volumeMounts:
- name: logs
mountPath: /var/log/elasticsearch
- name: logging-config
mountPath: /usr/share/elasticsearch/config/log4j2.properties
subPath: log4j2.properties
readOnly: true
ports:
- name: http
containerPort: 9200
- name: logs
image: alpine:3.12
command:
- tail
- -f
- /logs/docker-cluster_server.json
volumeMounts:
- name: logs
mountPath: /logs
readOnly: true
volumes:
- name: logging-config
configMap:
name: elasticsearch-logging
- name: logs
emptyDir: {}

日志配置文件是一个单独的ConfigMap，因为它太长了所以这里没有包括它。

两个容器共享相同的volume，名为logs。Elasticsearch容器将日志写入该卷，而日志容器只是从相应的文件中读取并输出到标准输出。你可以用kubectl logs指定相应的容器来检索日志流：

kubectl logs elasticsearch-6f88d74475-jxdhl logs | head
{
"type": "server",
"timestamp": "2020-11-29T23:01:42,849Z",
"level": "INFO",
"component": "o.e.n.Node",
"cluster.name": "docker-cluster",
"node.name": "elasticsearch-6f88d74475-jxdhl",
"message": "version[7.9.3], pid[7], OS[Linux/5.4.0-52-generic/amd64], JVM"
}
{
"type": "server",
"timestamp": "2020-11-29T23:01:42,855Z",
"level": "INFO",
"component": "o.e.n.Node",
"cluster.name": "docker-cluster",
"node.name": "elasticsearch-6f88d74475-jxdhl",
"message": "JVM home [/usr/share/elasticsearch/jdk]"
}
{
"type": "server",
"timestamp": "2020-11-29T23:01:42,856Z",
"level": "INFO",
"component": "o.e.n.Node",
"cluster.name": "docker-cluster",
"node.name": "elasticsearch-6f88d74475-jxdhl",
"message": "JVM arguments […]"
}

使用sidecar的好处是，流式传输到标准输出并不是唯一的选择。

如果你需要切换到一个自定义的日志聚合服务，你可以只改变sidecar容器，而无需改变你的应用程序中任何其他东西。

其他sidecar用例

Sidecar有许多用例，日志容器只是其中一个比较简单的用例。

以下是你在其他方面可能用到的一些其他用例：

实时重新加载ConfigMaps，而不需要重新启动pod
将 Hashicorp Vault 中的secret注入到应用程序中
将本地 Redis 实例添加到你的应用程序中，以实现低延迟的内存缓存

准备运行pod

到目前为止，本篇文章所介绍的所有多容器pod的例子都涉及到多个容器同时运行。Kubernetes还提供了运行Init Containers的能力，Init Containers是在 "常规 "容器启动之前运行完成的容器。

这允许你在你的pod正式启动之前运行一个初始化脚本。为什么你希望你的准备工作在一个单独的容器中运行，而不是在你的容器的entrypoint脚本中添加一些初始化？

让我们来看看Elasticsearch的一个实际例子。Elasticsearch文档推荐在生产就绪部署中设置vm.max_map_count的sysctl设置。这在容器化环境中是有问题的，因为没有容器级的sysctl隔离，任何更改都必须发生在节点级。

在不能自定义Kubernetes节点的情况下，如何处理这个问题？

一种方法是在特权容器中运行Elasticsearch，这将使Elasticsearch能够改变其主机节点上的系统设置，并改变entrypoint脚本以添加sysctls。但从安全角度来看，这将是非常危险的！如果Elasticsearch服务被***，***者将拥有对其主机节点的root权限。你可以使用init container来一定程度上降低这个风险：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: elasticsearch
spec:
selector:
matchLabels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
template:
metadata:
labels:
app.kubernetes.io/name: elasticsearch
spec:
initContainers:
- name: update-sysctl
image: alpine:3.12
command: ['/bin/sh']
args:
- -c
- |
sysctl -w vm.max_map_count=262144
securityContext:
privileged: true
containers:
- name: elasticsearch
image: elasticsearch:7.9.3
env:
- name: discovery.type
value: single-node
ports:
- name: http
containerPort: 9200

pod在特权init container中设置了sysctl，之后Elasticsearch容器按预期启动。

你仍然在使用一个特权容器，这并不是理想状态，但至少它持续时间很短，所以***面要低得多。

这是Elastic Cloud Operator推荐的方法：
https://www.elastic.co/guide/en/cloud-on-k8s/current/k8s-virtual-memory.html

使用特权init container为运行pod的节点做准备是一种相当常见的模式。例如，Istio使用init container来设置每次pod运行时的iptables规则。

使用init container的另一个原因是以某种方式准备 pod 的filesystem。一个常见的用例是secrets管理。

其他的init container用例

如果你使用类似HashicCorp Vault这样的工具来管理secrets，而不是Kubernetes secrets，你可以在一个init container中检索secrets，并将它们持久化到一个共享的emptyDir卷。

如下所示：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: myapp
labels:
app.kubernetes.io/name: myapp
spec:
selector:
matchLabels:
app.kubernetes.io/name: myapp
template:
metadata:
labels:
app.kubernetes.io/name: myapp
spec:
initContainers:
- name: get-secret
image: vault
volumeMounts:
- name: secrets
mountPath: /secrets
command: ['/bin/sh']
args:
- -c
- |
vault read secret/my-secret > /secrets/my-secret
containers:
- name: myapp
image: myapp
volumeMounts:
- name: secrets
mountPath: /secrets
volumes:
- name: secrets
emptyDir: {}

现在secret/my-secret secret将在myapp容器的filesystem中可用。

这就是Vault Agent Sidecar Injector等系统工作的基本思路。然而，它们在实践中相当复杂（结合mutating webhooks、init container和sidecars来隐藏大部分的复杂性）。

此外，还有一些其他你可能想要使用init container的原因：