Kubelet
作为 k8s 集群中 Node 上的关键组件,在每个 Node 上以 Agent 进程的形式运行,负责管理 Pod 和其中容器的生命周期。Kubelet 主要功能是定时从某个地方获取节点上 pod/container 的期望状态,并调用容器平台接口达到这个状态。本文将作为 Kubelet 分析的开篇,介绍 Kubelet 的主要功能和实现原理。
功能分析
下图展示了 kubelet 内部组件结构,Kubelet 由许多内部组件构成
- Kubelet API,包括 10250 端口的认证 API、4194 端口的 cAdvisor API、10255 端口的只读 API 以及 10248 端口的健康检查 API
- syncLoop:从 API 或者 manifest 目录接收 Pod 更新,发送到 podWorkers 处理,大量使用 channel 处理来处理异步请求
- 辅助的 manager,如 cAdvisor、PLEG、Volume Manager 等,处理 syncLoop 以外的其他工作
- CRI:容器执行引擎接口,负责与 container runtime shim 通信,关于 CRI 的更多内容可以参考 CRI
- 容器执行引擎,如 dockershim、rkt 等
- 网络插件,目前支持 CNI 和 kubenet
pod 管理
Kubelet 基于 PodSpec 来工作,它需要确保这些 PodSpec 中描述的容器处于运行状态且运行状况良好,因此 Kubelet 不管理那些不是由 k8s 创建的容器。PodSpec 的来源有以下四种:
API Server
:通过 API Server 监听 etcd 目录获取数据,这也是最主要的来源File
:利用命令行参数传递路径,kubelet 周期性地监视此路径下的文件是否有更新,监视周期默认为 20sHTTP Endpoint
:利用命令行参数指定 HTTP 端点。 此端点的监视周期默认为 20 秒HTTP Server
:kubelet 还可以侦听 HTTP 并响应简单的 API (目前没有完整规范)来提交新的清单
监听 API Server
Kubelet 通过 API Server Client 使用 List/Watch
的方式监听 /registry/nodes/<NodeName>
和 /registry/pods
路径,将获取的信息同步到本地缓存中。Kubelet 监听 etcd,所有针对 Pod 的操作都将会被 Kubelet 监听到:
- 如果发现有新的绑定到本节点的 Pod,则按照 PodSpec 的要求创建该 Pod。
- 如果发现本地的 Pod 被修改,则 Kubelet 会做出相应的修改,比如删除 Pod 中某个容器时,则通过 Docker Client 删除该容器。
- 如果发现删除本节点的 Pod,则删除相应的 Pod,并通过 Docker Client 删除 Pod 中的容器。
Kubelet 读取监听到的信息,如果是创建和修改 Pod 任务,则执行如下处理:
- 为该 Pod 创建一个数据目录
- 从 API Server 读取该 PodSpec
- 为该 Pod 挂载外部卷
- 下载 Pod 用到的 Secret
- 检查已经在节点上运行的 Pod,如果该 Pod 没有容器或 Pause 容器没有启动,则先停止 Pod 里所有容器的进程。如果在 Pod 中有需要删除的容器,则删除这些容器
- 用
kubernetes/pause
镜像为每个 Pod 创建一个容器。Pause 容器用于接管 Pod 中所有其他容器的网络。每创建一个新的 Pod,Kubelet 都会先创建一个 Pause 容器,然后创建其他容器。 - 为 Pod 中的每个容器做如下处理:
- 为容器计算一个 hash 值,然后用容器的名字去 Docker 查询对应容器的 hash 值。若查找到容器,且两者 hash 值不同,则停止 Docker 中容器的进程,并停止与之关联的 Pause 容器的进程;若两者相同,则不做任何处理;
- 如果容器被终止了,且容器没有指定的 restartPolicy,则不做任何处理;
- 调用 Docker Client 下载容器镜像,调用 Docker Client 运行容器。
Static Pod
所有以非 API Server 方式创建的 Pod 都叫 Static Pod。Kubelet 将 Static Pod 的状态汇报给 API Server,API Server 为该 Static Pod 创建一个 Mirror Pod 和其相匹配。Mirror Pod 的状态将真实反映 Static Pod 的状态。当 Static Pod 被删除时,与之相对应的 Mirror Pod 也会被删除。
容器健康检查
容器健康检查通过 LivenessProbe
与 ReadinessProbe
两类探针来判断容器是否健康。
- LivenessProbe :用于判断容器是否健康,告诉 Kubelet 一个容器什么时候处于不健康的状态。如果 LivenessProbe 探针探测到容器不健康,则 Kubelet 将删除该容器,并根据容器的重启策略做相应的处理。如果一个容器不包含 LivenessProbe 探针,那么 Kubelet 认为该容器的 LivenessProbe 探针返回的值永远是 Success;
- ReadinessProbe:用于判断容器是否启动完成且准备接收请求。如果 ReadinessProbe 探针探测到失败,则 Pod 的状态将被修改。Endpoint Controller 将从 Service 的 Endpoint 中删除包含该容器所在 Pod 的 IP 地址的 Endpoint 条目。
Kubelet 定期调用容器中的 LivenessProbe 探针来诊断容器的健康状况。LivenessProbe 包含如下三种实现方式:
- ExecAction:在容器内部执行一个命令,如果该命令的退出状态码为 0,则表明容器健康;
- TCPSocketAction:通过容器的 IP 地址和端口号执行 TCP 检查,如果端口能被访问,则表明容器健康;
- HTTPGetAction:通过容器的 IP 地址和端口号及路径调用 HTTP GET 方法,如果响应的状态码大于等于 200 且小于 400,则认为容器状态健康。
cAdvisor 容器监控
Kubernetes 集群中,应用程序的执行情况可以在不同的级别上监测到,这些级别包括:容器、Pod、Service 和整个集群。Kubelet 通过 cAdvisor 获取其所在节点及容器的数据。
cAdvisor 是一个开源的分析容器资源使用率和性能特性的代理工具,集成到 Kubelet中,当Kubelet启动时会同时启动cAdvisor,且一个cAdvisor只监控一个Node节点的信息。cAdvisor 自动查找所有在其所在节点上的容器,自动采集 CPU、内存、文件系统和网络使用的统计信息。cAdvisor 通过它所在节点机的 Root 容器,采集并分析该节点机的全面使用情况。
关于 cAdvisor 更多的内容,可以参考 cAdvisor 。
Kubelet Eviction
Kubelet 会监控资源的使用情况,并使用驱逐机制防止计算和存储资源耗尽。在驱逐时,Kubelet 将 Pod 的所有容器停止,并将 PodPhase 设置为 Failed。Kubelet 定期(housekeeping-interval
)检查系统的资源是否达到了预先配置的驱逐阈值,包括
Eviction Signal | Condition | Description |
---|---|---|
memory.available |
MemoryPressue | memory.available := node.status.capacity[memory] - node.stats.memory.workingSet (计算方法参考这里) |
nodefs.available |
DiskPressure | nodefs.available := node.stats.fs.available (Kubelet Volume以及日志等) |
nodefs.inodesFree |
DiskPressure | nodefs.inodesFree := node.stats.fs.inodesFree |
imagefs.available |
DiskPressure | imagefs.available := node.stats.runtime.imagefs.available (镜像以及容器可写层等) |
imagefs.inodesFree |
DiskPressure | imagefs.inodesFree := node.stats.runtime.imagefs.inodesFree |
这些驱逐阈值可以使用百分比,也可以使用绝对值,如
1 | --eviction-hard=memory.available<500Mi,nodefs.available<1Gi,imagefs.available<100Gi |
这些驱逐信号可以分为软驱逐和硬驱逐
- 软驱逐(Soft Eviction):配合驱逐宽限期(eviction-soft-grace-period和eviction-max-pod-grace-period)一起使用。系统资源达到软驱逐阈值并在超过宽限期之后才会执行驱逐动作。
- 硬驱逐(Hard Eviction ):系统资源达到硬驱逐阈值时立即执行驱逐动作。
驱逐动作包括回收节点资源和驱逐用户 Pod 两种:
- 回收节点资源
- 配置了 imagefs 阈值时
- 达到 nodefs 阈值:删除已停止的 Pod
- 达到 imagefs 阈值:删除未使用的镜像
- 未配置 imagefs 阈值时
- 达到 nodefs阈值时,按照删除已停止的 Pod 和删除未使用镜像的顺序清理资源
- 配置了 imagefs 阈值时
- 驱逐用户 Pod
- 驱逐顺序为:BestEffort、Burstable、Guaranteed
- 配置了 imagefs 阈值时
- 达到 nodefs 阈值,基于 nodefs 用量驱逐(local volume + logs)
- 达到 imagefs 阈值,基于 imagefs 用量驱逐(容器可写层)
- 未配置 imagefs 阈值时
- 达到 nodefs阈值时,按照总磁盘使用驱逐(local volume + logs + 容器可写层)
工作原理
Kubelet 的工作核心是 SyncLoop
这个控制循环,驱动整个控制循环的事件包括:
kubetypes.PodUpdate
:pod更新事件pleg.PodLifeEvent
:pod生命周期变化periodic sync events
:kubelet本身设置的执行周期housekeeping events
:定时清理事件
SyncLoop
在SyncLoop循环上还有很多 Manager
:
statusManager
: 负责维护状态信息,并把 pod 状态更新到 apiserver,但是它并不负责监控 pod 状态的变化,而是提供对应的接口供其他组件调用,比如 probeManager- PLEG(Pod Lifecycle Event Generator) PLEG 是 kubelet 的核心模块,PLEG 会一直调用 container runtime 获取本节点 containers/sandboxes 的信息,并与自身维护的 pods cache 信息进行对比,生成对应的 PodLifecycleEvent,然后输出到 eventChannel 中,通过 eventChannel 发送到 kubelet syncLoop 进行消费,然后由 kubelet syncPod 来触发 pod 同步处理过程,最终达到用户的期望状态
- imageManager: 调用
kubecontainer
提供的PullImage/GetImageRef/ListImages/RemoveImage/ImageStates 方法来保证pod 运行所需要的镜像。 - volumeManager: 负责 node 节点上 pod 所使用 volume 的管理,volume 与 pod 的生命周期关联,负责 pod 创建删除过程中 volume 的 mount/umount/attach/detach 流程,kubernetes 采用 volume Plugins 的方式,实现存储卷的挂载等操作,内置几十种存储插件。
- containerManager: 负责 node 节点上运行的容器的 cgroup 配置信息,kubelet 启动参数如果指定
--cgroups-per-qos
的时候,kubelet 会启动 goroutine 来周期性的更新 pod 的 cgroup 信息,维护其正确性,该参数默认为true
,实现了 pod 的Guaranteed/BestEffort/Burstable 三种级别的 Qos。 - runtimeManager: containerRuntime 负责 kubelet 与不同的 runtime 实现进行对接,实现对于底层 container 的操作,初始化之后得到的 runtime 实例将会被之前描述的组件所使用
- podManager:提供了接口来存储和访问 pod 的信息,维持 static pod 和 mirror pods 的关系,podManager 会被statusManager/volumeManager/runtimeManager 所调用,podManager 的接口处理流程里面会调用 secretManager 以及 configMapManager
- probeManager :依赖于
statusManager
,livenessManager
,containerRefManager
,会定时去监控 pod 中容器的健康状况 - evictionManager: 当节点的内存、磁盘或 inode 等资源不足时,达到了配置的 evict 策略, node 会变为 pressure 状态,此时 kubelet 会按照 qosClass 顺序来驱赶 pod,以此来保证节点的稳定性。
- imageGC: 负责 node 节点的镜像回收,当本地的存放镜像的本地磁盘空间达到某阈值的时候,会触发镜像的回收,删除掉不被 pod 所使用的镜像
- containerGC:负责清理 node 节点上已消亡的 container,具体的 GC 操作由runtime 来实现
- cAdvisor 是 google 开发的容器监控工具,集成在 kubelet 中,起到收集本节点和容器的监控信息,cAvisor 模块对外提供了 interface 接口,该接口也被 imageManager,OOMWatcher,containerManager 等所使用。
- OOMWatcher 系统 OOM 的监听器,会与 cadvisor 模块之间建立 SystemOOM,通过 Watch方式从 cadvisor 那里收到的 OOM 信号,并产生相关事件。
- containerRefManager 容器引用的管理,相对简单的Manager,用来报告容器的创建,失败等事件,通过定义 map 来实现了 containerID 与 v1.ObjectReferece 容器引用的映射
- …
源码分析
1 | (kl *Kubelet) Run(updates <-chan kubetypes.PodUpdate) { |
这个方法会做以下事情:
- 注册logServer;
- 如果设置了Cloud Provider,那么会启动云资源管理器,具体的可以查看文章:cloud-provider;
- 调用kl.initializeModules启动不依赖 container runtime 的一些模块,这个方法我们下面再分析;
- 启动 volume manager;
- 执行 kl.syncNodeStatus 定时同步 Node 状态;
- 调用kl.fastStatusUpdateOnce启动一个循环更新pod CIDR、runtime状态以及node状态;
- 调用
kl.nodeLeaseController.Run
启动NodeLease机制,NodeLease机制是一种上报心跳的方式,可以通过更加轻量化节约资源的方式,并提升性能上报node的心跳信息,具体看: Lease object; - 执行
kl.updateRuntimeUp
定时更新 Runtime 状态; - 执行
kl.syncNetworkUtil
定时同步 iptables 规则; - 获取
pk.podKillingCh
异常pod, 并定时清理异常 pod; - 然后启动 statusManager、probeManager、runtimeClassManager;
- 启动 pleg模块,该模块主要用于周期性地向 container runtime 上报当前所有容器的状态,具体可以看:Pod Lifecycle Event Generator (PLEG);
- 调用
kl.syncLoop
启动kublet事件循环;
initializeModules
下面我们看看initializeModules方法做了些什么。
1 | (kl *Kubelet) initializeModules() error { |
initializeModules方法主要做了以下几件事:
- 创建创建文件目录、Container的log目录;
- 启动 imageManager,这个管理器实际上是realImageGCManager,我们待会看;
- 启动 certificate manager ,证书相关;
- 启动 oomWatcher监视器;
- 启动 resource analyzer,定时刷新volume stats到缓存中;
realImageGCManager#Start
文件路径:pkg/kubelet/images/image_gc_manager.go
1 | (im *realImageGCManager) Start() { |
realImageGCManager
的 start
方法会启动两个协程,然后分别定时调用 detectImages
方法与 imageCache
的 set
方法。detectImages
方法里面主要就是调用 ImageService
和 RuntimeService
的方法找出所有正在使用的image,然后删除不再使用的image。
这里 ListImages
和 detectImages
里面用到的GetPods方法都是调用了CRI的方法,
fastStatusUpdateOnce
1 | (kl *Kubelet) fastStatusUpdateOnce() { |
FastStatusUpdateOnce 函数启动一个循环,尝试立即更新POD CIDR。更新pod CIDR后,它会触发运行时更新和节点状态更新。函数在一次成功的节点状态更新后直接返回。该功能仅在 kubelet 启动期间执行,通过尽快更新 pod cidr、运行时状态和节点状态来提高准备就绪节点的延迟。
updateRuntimeUp
1 | //首次执行的时候会初始化runtime依赖模块,然后更新runtimeState |
updateRuntimeUp会获取container运行状态信息,然后根据返回RuntimeStatus检查网络、runtime是不是已经处于ready状态;接着调用kl.initializeRuntimeDependentModules初始化依赖模块,这里会启动cadvisor、containerManager、evictionManager、containerLogManager、pluginManager;最后设置Runtime同步时间。
最后看看syncLoop方法
syncLoop
1 | (kl *Kubelet) syncLoop(updates <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler) { |
syncLoop方法在一个循环中不断的调用 syncLoopIteration
方法执行主要逻辑。
syncLoopIteration
syncLoopIteration方法比较长,拆开来看。
syncCh
1 | (kl *Kubelet) syncLoopIteration(configCh <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler, |
configCh
读取配置事件的管道,该模块将同时 watch 3 个不同来源的 pod 信息的变化(file,http,apiserver),一旦某个来源的 pod 信息发生了更新(创建/更新/删除),这个 channel
中就会出现被更新的 pod 信息和更新的具体操作。这里对于pod的操作我们下一篇再讲。
plegCh
1 | (kl *Kubelet) syncLoopIteration(configCh <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler, |
PLEG.Start 的时候会每秒钟启动调用一次relist,根据最新的 PodStatus 生成PodLiftCycleEvent,然后存入到 PLEG Channel
中。
syncLoop
会调用 pleg.Watch
方法获取 PLEG Channel
管道,然后传给syncLoopIteration方法,在syncLoopIteration方法中也就是plegCh这个管道,syncLoopIteration会消费plegCh中的数据,在 handler 中通过调用 dispatchWork 分发任务。
syncCh
1 | (kl *Kubelet) syncLoopIteration(configCh <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler, |
syncCh是由syncLoop方法里面创建的一个定时任务,每秒钟会向syncCh添加一个数据,然后就会执行到这里。这个方法会同步所有等待同步的pod。
livenessManager.Updates
1 | (kl *Kubelet) syncLoopIteration(configCh <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler, |
对失败的pod或者liveness检查失败的pod进行sync操作。
housekeepingCh
1 | (kl *Kubelet) syncLoopIteration(configCh <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler, |
housekeepingCh
这个管道也是由 syncLoop
创建,每两秒钟会触发清理。
总结
kubelet.Run
部分主要执行kubelet包含的各种manager的运行,大部分会以一部线程的方式定时运行。接下来看了syncLoop主函数,这个函数主要对pod的生命周期进行管理,包括对pod进行add 、update、remove、delete等操作,这些具体的代码执行过程留到下一篇,pod的初始化时再讲,syncLoop还需要更新根据不同的channel触发不同的操作,如更新runtime缓存、同步pod、触发清理pod、liveness检查失败的pod进行sync操作等。