关于云计算:KubeSphere-核心架构浅析

作者简介：万宏明，KubeSphere 外围贡献者，专一于云原生平安畛域。

KubeSphere 是在 Kubernetes 之上构建的面向云原生利用的容器混合云管理系统。反对多云与多集群治理，提供全栈的自动化运维能力，帮忙企业用户简化 DevOps 工作流，提供了运维敌对的向导式操作界面，帮忙企业疾速构建一个弱小和功能丰富的容器云平台。

KubeSphere 为用户提供构建企业级 Kubernetes 环境所需的多项性能，例如多云与多集群治理、Kubernetes 资源管理、DevOps、利用生命周期治理、微服务治理（服务网格）、日志查问与收集、服务与网络、多租户治理、监控告警、事件与审计查问、存储管理、拜访权限管制、GPU 反对、网络策略、镜像仓库治理以及平安治理等。

得益于 Kubernetes 优良的架构与设计，KubeSphere 舍短取长采纳了更为轻量的架构模式，灵便的整合资源，进一步丰盛了 K8s 生态。

KubeSphere 的外围架构如下图所示：

外围组件次要有三个：

ks-console 前端服务组件
ks-apiserver 后端服务组件
ks-controller-manager 资源状态保护组件

KubeSphere 的后端设计中沿用了 K8s 申明式 API 的格调，所有可操作的资源都尽可能的形象成为 CustomResource。与命令式 API 相比，申明性 API 的应用更加简洁，并且提供了更好的抽象性, 通知程序最终的冀望状态（做什么），而不关怀怎么做。

典型地，在申明式 API 中：

你的 API 蕴含相对而言为数不多的、尺寸较小的对象（资源）。
对象定义了利用或者基础设施的配置信息。
对象更新操作频率较低。
通常须要人来读取或写入对象。
对象的次要操作是 CRUD 格调的（创立、读取、更新和删除）。
不须要跨对象的事务反对：API 对象代表的是冀望状态而非确切理论状态。

命令式 API（Imperative API）与申明式有所不同。以下迹象表明你的 API 可能不是申明式的：

客户端收回“做这个操作”的指令，之后在该操作完结时取得同步响应。
客户端收回“做这个操作”的指令，并取得一个操作 ID，之后须要判断申请是否胜利实现。
你会将你的 API 类比为 RPC。
间接存储大量数据。
在对象上执行的惯例操作并非 CRUD 格调。
API 不太容易用对象来建模。

借助 kube-apiserver、etcd 实现数据同步和数据长久化，通过 ks-controller-manager 保护这些资源的状态，以达到最终状态的一致性。如果你相熟 K8s，能够很好的了解申明式 API 带来的益处，这也是 KubeSphere 最为外围的局部。

例如 KubeSphere 中的流水线、用户凭证、用户实体、告警告诉的配置，都能够形象为资源实体，借助 K8s 成熟的架构与工具链，能够不便的与 K8s 进行联合，升高各组件之间的耦合，升高零碎的复杂度。

ks-apiserver 是 KubeSphere 外围的后端组件，负责前后端数据的交互、申请的代理散发、认证与鉴权。下图是 ks-apiserver 的外围架构：

ks-apiserver 的开发应用了 go-restful 框架，能够在申请链路中减少多个 Filter 用于动静的拦挡申请和响应，实现认证、鉴权、审计逻辑转发和反向代理性能，KubeSphere 的 API 格调也尽可能的学习 K8s 的模式，方便使用 RBAC 进行权限管制。

借助 CRD + controller 的形式进行解耦，能够极大的简化与第三方工具、软件的集成形式。

K8s 社区也提供了丰盛的工具链，借助 controller-runtime 和 kubebuiler 能够迅速的搭建起开发脚手架。

能够通过拓展 ks-apiserver 实现 API 的聚合，进一步实现性能拓展、聚合查问等性能。在 API 的开发过程中中须要遵循以下标准，以便与 KubeSphere 的租户体系、资源体系进行整合。

API 聚合
权限管制
CRD + controller

# 通过 api group 进行分组
/apis/{api-group}/{version}/{resources}
# 示例
/apis/apps/v1/deployments
/kapis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users
# api core
/api/v1/namespaces

# 通过 path 辨别不同的动作
/api/{version}/watch/{resources}
/api/{version}/proxy/{resources}/{resource}

# 通过 path 辨别不同的资源层级
/kapis/{api-group}/{version}/workspaces/{workspace}/{resources}/{resource}
/api/{version}/namespaces/{namespace}/{resource}

标准 API 的目标：

更好的对资源进行形象，形象为 Object 更适宜申明式 API
更好的对 API 进行治理，版本、分组、分层，更不便 API 的拓展
更好的与权限管制进行整合，能够不便的从申请中获取元数据，apigroup,scope,version,verb

KubeSphere 权限管制的外围是 RBAC 基于角色的访问控制。

要害的对象有：Role、User、RoleBinding。

Role 定义了一个角色能够拜访的资源。

角色是依据资源层级进行划分的，cluster role、workspace role、namespace role 不同层级的角色定义了该角色在以后层级能够拜访的资源。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: role-grantor
rules:
- apiGroups: ["rbac.authorization.k8s.io"]
  resources: ["rolebindings"]
  verbs: ["create"]
- apiGroups: ["rbac.authorization.k8s.io"]
  resources: ["clusterroles"]
  verbs: ["bind"]
  # 疏忽 resourceNames 意味着容许绑定任何 ClusterRole
  resourceNames: ["admin","edit","view"]
- nonResourceURLs: ["/healthz", "/healthz/*"] # nonResourceURL 中的 '*' 是一个全局通配符
  verbs: ["get", "post"]

RoleBinding 可绑定角色到某主体（Subject）上。主体能够是组，用户或者服务账户。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: role-grantor-binding
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: role-grantor
subjects:
- apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: User
  name: user-1

自定义资源（Custom Resource）是对 Kubernetes API 的扩大，能够通过动静注册的形式拓展 K8s API。用户能够应用 kubectl 来创立和拜访其中的对象，就像操作内置资源一样。

通过 CRD 对资源进行形象，再通过 controller 监听资源变动保护资源状态，controller 的外围是 Reconcile，与他的意思一样，通过被动、定时触发的形式对资源状态进行保护，直至达到申明的状态。

以 User 资源为例，咱们能够定义一下构造的 CRD 对 User 进行形象:

apiVersion: iam.kubesphere.io/v1alpha2
kind: User
metadata:
  annotations:
    iam.kubesphere.io/last-password-change-time: "2021-05-12T05:50:07Z"
  name: admin
  resourceVersion: "478503717"
  selfLink: /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users/admin
  uid: 9e438fcc-f179-4254-b534-e913dfd7a727
spec:
  email: admin@kubesphere.io
  lang: zh
  description: 'description'
  password: $2a$10$w312tzLTvXObnfEYiIrk9u5Nu/reJpwQeI66vrM1XJETWtpjd1/q2
status:
  lastLoginTime: "2021-06-08T06:37:36Z"
  state: Active

对应的 API 为：

# 创立
POST /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users

# 删除
DELETE /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users/{username}

# 批改
PUT /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users/{username}
PATCH /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users/{username}

# 查问
GET /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users
GET /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users/{username}

ks-apiserver 负责将这些数据写入 K8s 再由 informer 同步到各个正本中。

ks-controller-manager 通过监听数据变动，对资源状态进行保护，以创立用户为例, 通过 POST /apis/iam.kubesphere.io/v1alpha2/users 创立用户之后, user controller 会对用户资源状态进行同步。

func (c *userController) reconcile(key string) error {
    // Get the user with this name
    user, err := c.userLister.Get(key)

        if err != nil {
            // The user may no longer exist, in which case we stop
            // processing.
            if errors.IsNotFound(err) {utilruntime.HandleError(fmt.Errorf("user'%s'in work queue no longer exists", key))
                return nil
            }
            klog.Error(err)
            return err
        }

    if user, err = c.encryptPassword(user); err != nil {klog.Error(err)
        return err
    }

    if user, err = c.syncUserStatus(user); err != nil {klog.Error(err)
        return err
    }

    // synchronization through kubefed-controller when multi cluster is enabled
    if c.multiClusterEnabled {if err = c.multiClusterSync(user); err != nil {c.recorder.Event(user, corev1.EventTypeWarning, controller.FailedSynced, fmt.Sprintf(syncFailMessage, err))
            return err
        }
    }

    c.recorder.Event(user, corev1.EventTypeNormal, successSynced, messageResourceSynced)
    return nil
}

通过申明式的 API 将简单的逻辑放到 controller 进行解决，不便解耦。能够很不便的与其余零碎、服务进行集成，例如：

/apis/devops.kubesphere.io/v1alpha2/namespaces/{namespace}/pipelines
/apis/devops.kubesphere.io/v1alpha2/namespaces/{namespace}/credentials
/apis/openpitrix.io/v1alpha2/namespaces/{namespace}/applications
/apis/notification.kubesphere.io/v1alpha2/configs

对应的权限控制策略：

定义一个能够增删改查 user 资源的角色。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: user-manager
rules:
- apiGroups: ["iam.kubesphere.io"]
  resources: ["users"]
  verbs: ["create","delete","patch","update","get","list"]

定义一个能够创立 pipeline 资源的角色。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  name: devops-manager
rules:
- apiGroups: ["devops.kubesphere.io"]
  resources: ["pipelines"]
  verbs: ["create","delete","patch","update","get","list"]

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KubeSphere 外围架构

ks-apiserver 的外围架构

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CRD + controller

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