一文读懂 SuperEdge 分布式健康检查 (边端)

时间  2021-05-02
标签 node git github web json api 网络 数据结构 架构 并发 栏目 系统架构 繁體版
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做者：杜杨浩，腾讯云高级工程师，热衷于开源、容器和Kubernetes。目前主要从事镜像仓库、Kubernetes集群高可用&备份还原，以及边缘计算相关研发工做。node

前言

SuperEdge 是基于原生 Kubernetes 的边缘容器管理系统。该系统把云原生能力扩展到边缘侧，很好的实现了云端对边缘端的管理和控制，极大简化了应用从云端部署到边缘端的过程。同时SuperEdge设计了分布式健康检查机制规避了云边网络不稳定形成的大量pod迁移和重建，保证了服务的稳定。git

边缘计算场景下，边缘节点与云端的网络环境十分复杂，链接并不可靠，在原生 Kubernetes 集群中，会形成 apiserver 和节点链接的中断，节点状态的异常，最终致使pod的驱逐和 endpoint 的缺失，形成服务的中断和波动，具体来讲原生 Kubernetes 处理以下：github

  • 失联的节点被置为 ConditionUnknown 状态，并被添加 NoSchedule 和 NoExecute 的 taints
  • 失联的节点上的 pod 被驱逐，并在其余节点上进行重建
  • 失联的节点上的 pod 从 Service 的 Endpoint 列表中移除

所以，边缘计算场景仅仅依赖边端和 apiserver 的链接状况是不足以判断节点是否异常的，会由于网络的不可靠形成误判，影响正常服务。而相较于云端和边缘端的链接，显然边端节点之间的链接更为稳定，具备更高的参考价值，所以 superedge 提出了边缘分布式健康检查机制。该机制中节点状态断定除了要考虑 apiserver 的因素外，还引入了节点的评估因素，进而对节点进行更为全面的状态判断。经过这个功能，可以避免因为云边网络不可靠形成的大量的pod迁移和重建，保证服务的稳定web

具体来讲，主要经过以下三个层面加强节点状态判断的准确性：json

  • 每一个节点按期探测其余节点健康状态
  • 集群内全部节点按期投票决定各节点的状态
  • 云端和边端节点共同决定节点状态

而分布式健康检查最终的判断处理以下：api

edge-health-daemon 源码分析

在深刻源码以前先介绍一下分布式健康检查的实现原理，其架构图以下所示：网络

Kubernetes 每一个 node 在 kube-node-lease namespace 下会对应一个 Lease object，kubelet 每隔 node-status-update-frequency 时间(默认10s)会更新对应node的 Lease object数据结构

node-controller 会每隔 node-monitor-period 时间(默认5s)检查 Lease object 是否更新，若是超过 node-monitor-grace-period 时间(默认40s)没有发生过更新，则认为这个 node 不健康，会更新 NodeStatus(ConditionUnknown)架构

而当节点心跳超时(ConditionUnknown)以后，node controller 会给该 node 添加以下 taints：并发

spec:
  ...
  taints:
  - effect: NoSchedule
    key: node.kubernetes.io/unreachable
    timeAdded: "2020-07-02T03:50:47Z"
  - effect: NoExecute
    key: node.kubernetes.io/unreachable
    timeAdded: "2020-07-02T03:50:53Z"

同时，endpoint controller 会从 endpoint backend 中踢掉该母机上的全部 pod

对于打上 NoSchedule taint 的母机，Scheduler 不会调度新的负载在该 node 上了；而对于打上 NoExecute(node.kubernetes.io/unreachable) taint 的母机，node controller 会在节点心跳超时以后一段时间(默认5mins)驱逐该节点上的 pod

分布式健康检查边端的 edge-health-daemon 组件会对同区域边缘节点执行分布式健康检查，并向 apiserver 发送健康状态投票结果(给 node 打 annotation)

此外，为了实如今云边断连且分布式健康检查状态正常的状况下：

  • 失联的节点上的 pod 不会从 Service 的 Endpoint 列表中移除
  • 失联的节点上的 pod 不会被驱逐

还须要在云端运行 edge-health-admission(Kubernetes mutating admission webhook)，不断根据 node edge-health annotation 调整 kube-controller-manager 设置的 node taint(去掉NoExecute taint)以及 endpoints (将失联节点上的 pods 从 endpoint subsets notReadyAddresses 移到 addresses中)，从而实现云端和边端共同决定节点状态

本章将主要介绍 edge-health-daemon 原理，以下为 edge-health-daemon 的相关数据结构：

type EdgeHealthMetadata struct {
    *NodeMetadata
    *CheckMetadata
}
type NodeMetadata struct {
    NodeList []v1.Node
    sync.RWMutex
}
type CheckMetadata struct {
    CheckInfo            map[string]map[string]CheckDetail // Checker ip:{Checked ip:Check detail}
    CheckPluginScoreInfo map[string]map[string]float64     // Checked ip:{Plugin name:Check score}
    sync.RWMutex
}
type CheckDetail struct {
    Normal bool
    Time   time.Time
}
type CommunInfo struct {
    SourceIP    string                 // ClientIP，Checker ip
    CheckDetail map[string]CheckDetail // Checked ip:Check detail
    Hmac        string
}

含义以下：

  • NodeMetadata：为了实现分区域分布式健康检查机制而维护的边缘节点 cache，其中包含该区域内的全部边缘节点列表 NodeList
  • CheckMetadata：存放健康检查的结果，具体来讲包括两个数据结构：
    • CheckPluginScoreInfo：为Checked ip:{Plugin name:Check score}组织形式。第一级 key 表示：被检查的ip；第二级 key 表示：检查插件的名称；value 表示：检查分数
    • CheckInfo：为Checker ip:{Checked ip:Check detail}组织形式。第一级key表示：执行检查的ip；第二级key表示：被检查的ip；value表示检查结果 CheckDetail
  • CheckDetail：表明健康检查的结果
    • Normal：Normal 为 true 表示检查结果正常；false 表示异常
    • Time：表示得出该结果时的时间，用于结果有效性的判断(超过一段时间没有更新的结果将无效)
  • CommunInfo：边缘节点向其它节点发送健康检查结果时使用的数据，其中包括：
    • SourceIP：表示执行检查的ip
    • CheckDetail：为Checked ip:Check detail组织形式，包含被检查的ip以及检查结果
    • Hmac：SourceIP 以及 CheckDetail 进行 hmac 获得，用于边缘节点通讯过程当中判断传输数据的有效性(是否被篡改)

edge-health-daemon 主体逻辑包括四部分功能：

  • SyncNodeList：根据边缘节点所在的 zone 刷新 node cache，同时更新 CheckMetadata相关数据
  • ExecuteCheck：对每一个边缘节点执行若干种类的健康检查插件(ping，kubelet等)，并将各插件检查分数汇总，根据用户设置的基准线得出节点是否健康的结果
  • Commun：将本节点对其它各节点健康检查的结果发送给其它节点
  • Vote：对全部节点健康检查的结果分类，若是某个节点被大多数(>1/2)节点断定为正常，则对该节点添加superedgehealth/node-health：true annotation，代表该节点分布式健康检查结果为正常；不然，对该节点添加superedgehealth/node-health：false annotation，代表该节点分布式健康检查结果为异常

下面依次对上述功能进行源码分析：

一、SyncNodeList

SyncNodeList 每隔 HealthCheckPeriod 秒(health-check-period 选项)执行一次，会按照以下状况分类刷新 node cache：

  • 若是 kube-system namespace 下不存在名为 edge-health-zone-config的configmap，则没有开启多地域探测，所以会获取全部边缘节点列表并刷新 node cache
  • 不然，若是 edge-health-zone-config 的 configmap 数据部分 TaintZoneAdmission 为 false，则没有开启多地域探测，所以会获取全部边缘节点列表并刷新 node cache
  • 若是 TaintZoneAdmission 为 true，且 node 有"superedgehealth/topology-zone"标签(标示区域)，则获取"superedgehealth/topology-zone" label value 相同的节点列表并刷新 node cache
  • 若是 node 没有"superedgehealth/topology-zone" label，则只会将边缘节点自己添加到分布式健康检查节点列表中并刷新 node cache(only itself)
func (ehd *EdgeHealthDaemon) SyncNodeList() {
    // Only sync nodes when self-located found
    var host *v1.Node
    if host = ehd.metadata.GetNodeByName(ehd.cfg.Node.HostName); host == nil {
        klog.Errorf("Self-hostname %s not found", ehd.cfg.Node.HostName)
        return
    }
    // Filter cloud nodes and retain edge ones
    masterRequirement, err := labels.NewRequirement(common.MasterLabel, selection.DoesNotExist, []string{})
    if err != nil {
        klog.Errorf("New masterRequirement failed %+v", err)
        return
    }
    masterSelector := labels.NewSelector()
    masterSelector = masterSelector.Add(*masterRequirement)
    if mrc, err := ehd.cmLister.ConfigMaps(metav1.NamespaceSystem).Get(common.TaintZoneConfigMap); err != nil {
        if apierrors.IsNotFound(err) { // multi-region configmap not found
            if NodeList, err := ehd.nodeLister.List(masterSelector); err != nil {
                klog.Errorf("Multi-region configmap not found and get nodes err %+v", err)
                return
            } else {
                ehd.metadata.SetByNodeList(NodeList)
            }
        } else {
            klog.Errorf("Get multi-region configmap err %+v", err)
            return
        }
    } else { // multi-region configmap found
        mrcv := mrc.Data[common.TaintZoneConfigMapKey]
        klog.V(4).Infof("Multi-region value is %s", mrcv)
        if mrcv == "false" { // close multi-region check
            if NodeList, err := ehd.nodeLister.List(masterSelector); err != nil {
                klog.Errorf("Multi-region configmap exist but disabled and get nodes err %+v", err)
                return
            } else {
                ehd.metadata.SetByNodeList(NodeList)
            }
        } else { // open multi-region check
            if hostZone, existed := host.Labels[common.TopologyZone]; existed {
                klog.V(4).Infof("Host %s has HostZone %s", host.Name, hostZone)
                zoneRequirement, err := labels.NewRequirement(common.TopologyZone, selection.Equals, []string{hostZone})
                if err != nil {
                    klog.Errorf("New masterZoneRequirement failed: %+v", err)
                    return
                }
                masterZoneSelector := labels.NewSelector()
                masterZoneSelector = masterZoneSelector.Add(*masterRequirement, *zoneRequirement)
                if nodeList, err := ehd.nodeLister.List(masterZoneSelector); err != nil {
                    klog.Errorf("TopologyZone label for hostname %s but get nodes err: %+v", host.Name, err)
                    return
                } else {
                    ehd.metadata.SetByNodeList(nodeList)
                }
            } else { // Only check itself if there is no TopologyZone label
                klog.V(4).Infof("Only check itself since there is no TopologyZone label for hostname %s", host.Name)
                ehd.metadata.SetByNodeList([]*v1.Node{host})
            }
        }
    }
    // Init check plugin score
    ipList := make(map[string]struct{})
    for _, node := range ehd.metadata.Copy() {
        for _, addr := range node.Status.Addresses {
            if addr.Type == v1.NodeInternalIP {
                ipList[addr.Address] = struct{}{}
                ehd.metadata.InitCheckPluginScore(addr.Address)
            }
        }
    }
    // Delete redundant check plugin score
    for _, checkedIp := range ehd.metadata.CopyCheckedIp() {
        if _, existed := ipList[checkedIp]; !existed {
            ehd.metadata.DeleteCheckPluginScore(checkedIp)
        }
    }
    // Delete redundant check info
    for checkerIp := range ehd.metadata.CopyAll() {
        if _, existed := ipList[checkerIp]; !existed {
            ehd.metadata.DeleteByIp(ehd.cfg.Node.LocalIp, checkerIp)
        }
    }
    klog.V(4).Infof("SyncNodeList check info %+v successfully", ehd.metadata)
}
...
func (cm *CheckMetadata) DeleteByIp(localIp, ip string) {
    cm.Lock()
    defer cm.Unlock()
    delete(cm.CheckInfo[localIp], ip)
    delete(cm.CheckInfo, ip)
}

在按照如上逻辑更新node cache以后，会初始化CheckMetadata.CheckPluginScoreInfo，将节点ip赋值给CheckPluginScoreInfo key(Checked ip：被检查的ip)

另外，会删除CheckMetadata.CheckPluginScoreInfo以及CheckMetadata.CheckInfo中多余的items(不属于该边缘节点检查范围)

二、ExecuteCheck

ExecuteCheck也是每隔HealthCheckPeriod秒(health-check-period选项)执行一次，会对每一个边缘节点执行若干种类的健康检查插件(ping，kubelet等)，并将各插件检查分数汇总，根据用户设置的基准线HealthCheckScoreLine(health-check-scoreline选项)得出节点是否健康的结果

func (ehd *EdgeHealthDaemon) ExecuteCheck() {
    util.ParallelizeUntil(context.TODO(), 16, len(ehd.checkPlugin.Plugins), func(index int) {
        ehd.checkPlugin.Plugins[index].CheckExecute(ehd.metadata.CheckMetadata)
    })
    klog.V(4).Infof("CheckPluginScoreInfo is %+v after health check", ehd.metadata.CheckPluginScoreInfo)
    for checkedIp, pluginScores := range ehd.metadata.CopyCheckPluginScore() {
        totalScore := 0.0
        for _, score := range pluginScores {
            totalScore += score
        }
        if totalScore >= ehd.cfg.Check.HealthCheckScoreLine {
            ehd.metadata.SetByCheckDetail(ehd.cfg.Node.LocalIp, checkedIp, metadata.CheckDetail{Normal: true})
        } else {
            ehd.metadata.SetByCheckDetail(ehd.cfg.Node.LocalIp, checkedIp, metadata.CheckDetail{Normal: false})
        }
    }
    klog.V(4).Infof("CheckInfo is %+v after health check", ehd.metadata.CheckInfo)
}

这里会调用 ParallelizeUntil 并发执行各检查插件，edge-health 目前支持 ping 以及 kubelet 两种检查插件，在 checkplugin 目录(github.com/superedge/superedge/pkg/edge-health/checkplugin)，经过 Register 注册到 PluginInfo 单例(plugin列表)中，以下：

// TODO: handle flag parse errors
func (pcp *PingCheckPlugin) Set(s string) error {
    var err error
    for _, para := range strings.Split(s, ",") {
        if len(para) == 0 {
            continue
        }
        arr := strings.Split(para, "=")
        trimKey := strings.TrimSpace(arr[0])
        switch trimKey {
        case "timeout":
            timeout, _ := strconv.Atoi(strings.TrimSpace(arr[1]))
            pcp.HealthCheckoutTimeOut = timeout
        case "retries":
            retries, _ := strconv.Atoi(strings.TrimSpace(arr[1]))
            pcp.HealthCheckRetries = retries
        case "weight":
            weight, _ := strconv.ParseFloat(strings.TrimSpace(arr[1]), 64)
            pcp.Weight = weight
        case "port":
            port, _ := strconv.Atoi(strings.TrimSpace(arr[1]))
            pcp.Port = port
        }
    }
    PluginInfo = NewPlugin()
    PluginInfo.Register(pcp)
    return err
}
func (p *Plugin) Register(plugin CheckPlugin) {
    p.Plugins = append(p.Plugins, plugin)
    klog.V(4).Info("Register check plugin: %+v", plugin)
}
...
var (
    PluginOnce sync.Once
    PluginInfo Plugin
)
type Plugin struct {
    Plugins []CheckPlugin
}
func NewPlugin() Plugin {
    PluginOnce.Do(func() {
        PluginInfo = Plugin{
            Plugins: []CheckPlugin{},
        }
    })
    return PluginInfo
}

每种插件具体执行健康检查的逻辑封装在 CheckExecute 中，这里以 ping plugin 为例：

// github.com/superedge/superedge/pkg/edge-health/checkplugin/pingcheck.go
func (pcp *PingCheckPlugin) CheckExecute(checkMetadata *metadata.CheckMetadata) {
    copyCheckedIp := checkMetadata.CopyCheckedIp()
    util.ParallelizeUntil(context.TODO(), 16, len(copyCheckedIp), func(index int) {
        checkedIp := copyCheckedIp[index]
        var err error
        for i := 0; i < pcp.HealthCheckRetries; i++ {
            if _, err := net.DialTimeout("tcp", checkedIp+":"+strconv.Itoa(pcp.Port), time.Duration(pcp.HealthCheckoutTimeOut)*time.Second); err == nil {
                break
            }
        }
        if err == nil {
            klog.V(4).Infof("Edge ping health check plugin %s for ip %s succeed", pcp.Name(), checkedIp)
            checkMetadata.SetByPluginScore(checkedIp, pcp.Name(), pcp.GetWeight(), common.CheckScoreMax)
        } else {
            klog.Warning("Edge ping health check plugin %s for ip %s failed, possible reason %s", pcp.Name(), checkedIp, err.Error())
            checkMetadata.SetByPluginScore(checkedIp, pcp.Name(), pcp.GetWeight(), common.CheckScoreMin)
        }
    })
}
// CheckPluginScoreInfo relevant functions
func (cm *CheckMetadata) SetByPluginScore(checkedIp, pluginName string, weight float64, score int) {
    cm.Lock()
    defer cm.Unlock()
    if _, existed := cm.CheckPluginScoreInfo[checkedIp]; !existed {
        cm.CheckPluginScoreInfo[checkedIp] = make(map[string]float64)
    }
    cm.CheckPluginScoreInfo[checkedIp][pluginName] = float64(score) * weight
}

CheckExecute 会对同区域每一个节点执行 ping 探测(net.DialTimeout)，若是失败，则给该节点打 CheckScoreMin 分(0)；不然，打 CheckScoreMax 分(100)

每种检查插件会有一个 Weight 参数，表示了该检查插件分数的权重值，全部权重参数之和应该为1，对应基准分数线 HealthCheckScoreLine 范围0-100。所以这里在设置分数时，会乘以权重

回到 ExecuteCheck 函数，在调用各插件执行健康检查得出权重分数(CheckPluginScoreInfo)后，还须要将该分数与基准线 HealthCheckScoreLine 对比：若是高于(>=)分数线，则认为该节点本次检查正常；不然异常

func (ehd *EdgeHealthDaemon) ExecuteCheck() {
    util.ParallelizeUntil(context.TODO(), 16, len(ehd.checkPlugin.Plugins), func(index int) {
        ehd.checkPlugin.Plugins[index].CheckExecute(ehd.metadata.CheckMetadata)
    })
    klog.V(4).Infof("CheckPluginScoreInfo is %+v after health check", ehd.metadata.CheckPluginScoreInfo)
    for checkedIp, pluginScores := range ehd.metadata.CopyCheckPluginScore() {
        totalScore := 0.0
        for _, score := range pluginScores {
            totalScore += score
        }
        if totalScore >= ehd.cfg.Check.HealthCheckScoreLine {
            ehd.metadata.SetByCheckDetail(ehd.cfg.Node.LocalIp, checkedIp, metadata.CheckDetail{Normal: true})
        } else {
            ehd.metadata.SetByCheckDetail(ehd.cfg.Node.LocalIp, checkedIp, metadata.CheckDetail{Normal: false})
        }
    }
    klog.V(4).Infof("CheckInfo is %+v after health check", ehd.metadata.CheckInfo)
}

三、Commun

在对同区域各边缘节点执行健康检查后，须要将检查的结果传递给其它各节点，这也就是 commun 模块负责的事情：

func (ehd *EdgeHealthDaemon) Run(stopCh <-chan struct{}) {
    // Execute edge health prepare and check
    ehd.PrepareAndCheck(stopCh)
    // Execute vote
    vote := vote.NewVoteEdge(&ehd.cfg.Vote)
    go vote.Vote(ehd.metadata, ehd.cfg.Kubeclient, ehd.cfg.Node.LocalIp, stopCh)
    // Execute communication
    communEdge := commun.NewCommunEdge(&ehd.cfg.Commun)
    communEdge.Commun(ehd.metadata.CheckMetadata, ehd.cmLister, ehd.cfg.Node.LocalIp, stopCh)
    <-stopCh
}

既然是互相传递结果给其它节点，则必然会有接受和发送模块：

func (c *CommunEdge) Commun(checkMetadata *metadata.CheckMetadata, cmLister corelisters.ConfigMapLister, localIp string, stopCh <-chan struct{}) {
    go c.communReceive(checkMetadata, cmLister, stopCh)
    wait.Until(func() {
        c.communSend(checkMetadata, cmLister, localIp)
    }, time.Duration(c.CommunPeriod)*time.Second, stopCh)
}

其中 communSend 负责向其它节点发送本节点对它们的检查结果；而 communReceive 负责接受其它边缘节点的检查结果。下面依次分析：

func (c *CommunEdge) communSend(checkMetadata *metadata.CheckMetadata, cmLister corelisters.ConfigMapLister, localIp string) {
    copyLocalCheckDetail := checkMetadata.CopyLocal(localIp)
    var checkedIps []string
    for checkedIp := range copyLocalCheckDetail {
        checkedIps = append(checkedIps, checkedIp)
    }
    util.ParallelizeUntil(context.TODO(), 16, len(checkedIps), func(index int) {
        // Only send commun information to other edge nodes(excluding itself)
        dstIp := checkedIps[index]
        if dstIp == localIp {
            return
        }
        // Send commun information
        communInfo := metadata.CommunInfo{SourceIP: localIp, CheckDetail: copyLocalCheckDetail}
        if hmac, err := util.GenerateHmac(communInfo, cmLister); err != nil {
            log.Errorf("communSend: generateHmac err %+v", err)
            return
        } else {
            communInfo.Hmac = hmac
        }
        commonInfoBytes, err := json.Marshal(communInfo)
        if err != nil {
            log.Errorf("communSend: json.Marshal commun info err %+v", err)
            return
        }
        commonInfoReader := bytes.NewReader(commonInfoBytes)
        for i := 0; i < c.CommunRetries; i++ {
            req, err := http.NewRequest("PUT", "http://"+dstIp+":"+strconv.Itoa(c.CommunServerPort)+"/result", commonInfoReader)
            if err != nil {
                log.Errorf("communSend: NewRequest for remote edge node %s err %+v", dstIp, err)
                continue
            }
            if err = util.DoRequestAndDiscard(c.client, req); err != nil {
                log.Errorf("communSend: DoRequestAndDiscard for remote edge node %s err %+v", dstIp, err)
            } else {
                log.V(4).Infof("communSend: put commun info %+v to remote edge node %s successfully", communInfo, dstIp)
                break
            }
        }
    })
}

发送逻辑以下：

  • 构建 CommunInfo 结构体，包括：
    • SourceIP：表示执行检查的ip
    • CheckDetail：为 Checked ip:Check detail 组织形式，包含被检查的ip以及检查结果
  • 调用 GenerateHmac 构建 Hmac：其实是以 kube-system 下的 hmac-config configmap hmackey 字段为 key，对 SourceIP 以及 CheckDetail进行 hmac 获得，用于判断传输数据的有效性(是否被篡改)
func GenerateHmac(communInfo metadata.CommunInfo, cmLister corelisters.ConfigMapLister) (string, error) {
    addrBytes, err := json.Marshal(communInfo.SourceIP)
    if err != nil {
        return "", err
    }
    detailBytes, _ := json.Marshal(communInfo.CheckDetail)
    if err != nil {
        return "", err
    }
    hmacBefore := string(addrBytes) + string(detailBytes)
    if hmacConf, err := cmLister.ConfigMaps(metav1.NamespaceSystem).Get(common.HmacConfig); err != nil {
        return "", err
    } else {
        return GetHmacCode(hmacBefore, hmacConf.Data[common.HmacKey])
    }
}
func GetHmacCode(s, key string) (string, error) {
    h := hmac.New(sha256.New, []byte(key))
    if _, err := io.WriteString(h, s); err != nil {
        return "", err
    }
    return fmt.Sprintf("%x", h.Sum(nil)), nil
}
  • 发送上述构建的 CommunInfo 给其它边缘节点(DoRequestAndDiscard)

communReceive逻辑也很清晰：

// TODO: support changeable server listen port
func (c *CommunEdge) communReceive(checkMetadata *metadata.CheckMetadata, cmLister corelisters.ConfigMapLister, stopCh <-chan struct{}) {
    svr := &http.Server{Addr: ":" + strconv.Itoa(c.CommunServerPort)}
    svr.ReadTimeout = time.Duration(c.CommunTimeout) * time.Second
    svr.WriteTimeout = time.Duration(c.CommunTimeout) * time.Second
    http.HandleFunc("/debug/flags/v", pkgutil.UpdateLogLevel)
    http.HandleFunc("/result", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        var communInfo metadata.CommunInfo
        if r.Body == nil {
            http.Error(w, "Invalid commun information", http.StatusBadRequest)
            return
        }
        err := json.NewDecoder(r.Body).Decode(&communInfo)
        if err != nil {
            http.Error(w, fmt.Sprintf("Invalid commun information %+v", err), http.StatusBadRequest)
            return
        }
        log.V(4).Infof("Received common information from %s : %+v", communInfo.SourceIP, communInfo.CheckDetail)
        if _, err := io.WriteString(w, "Received!\n"); err != nil {
            log.Errorf("communReceive: send response err %+v", err)
            http.Error(w, fmt.Sprintf("Send response err %+v", err), http.StatusInternalServerError)
            return
        }
        if hmac, err := util.GenerateHmac(communInfo, cmLister); err != nil {
            log.Errorf("communReceive: server GenerateHmac err %+v", err)
            http.Error(w, fmt.Sprintf("GenerateHmac err %+v", err), http.StatusInternalServerError)
            return
        } else {
            if hmac != communInfo.Hmac {
                log.Errorf("communReceive: Hmac not equal, hmac is %s but received commun info hmac is %s", hmac, communInfo.Hmac)
                http.Error(w, "Hmac not match", http.StatusForbidden)
                return
            }
        }
        log.V(4).Infof("communReceive: Hmac match")
        checkMetadata.SetByCommunInfo(communInfo)
        log.V(4).Infof("After communicate, check info is %+v", checkMetadata.CheckInfo)
    })
    go func() {
        if err := svr.ListenAndServe(); err != http.ErrServerClosed {
            log.Fatalf("Server: exit with error %+v", err)
        }
    }()
    for {
        select {
        case <-stopCh:
            ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 2*time.Second)
            defer cancel()
            if err := svr.Shutdown(ctx); err != nil {
                log.Errorf("Server: program exit, server exit error %+v", err)
            }
            return
        default:
        }
    }
}

负责接受其它边缘节点的检查结果，并写入自身检查结果 CheckInfo，流程以下：

  • 经过/result路由接受请求，并将请求内容解析成 CommunInfo

  • 对 CommunInfo 执行 GenerateHmac 获取hmac值，并与 CommunInfo.Hmac 字段进行对比，检查接受数据的有效性

  • 最后将 CommunInfo 检查结果写入 CheckInfo，注意：CheckDetail.Time 设置为写入时的时间

    // CheckInfo relevant functions
func (cm *CheckMetadata) SetByCommunInfo(c CommunInfo) {
  cm.Lock()
  defer cm.Unlock()
  if _, existed := cm.CheckInfo[c.SourceIP]; !existed {
      cm.CheckInfo[c.SourceIP] = make(map[string]CheckDetail)
  }
  for k, detail := range c.CheckDetail {
      // Update time to local timestamp since different machines have different ones
      detail.Time = time.Now()
      c.CheckDetail[k] = detail
  }
  cm.CheckInfo[c.SourceIP] = c.CheckDetail
}

  • 最后在接受到 stopCh 信号时，经过 svr.Shutdown 平滑关闭服务

四、Vote

在接受到其它节点的健康检查结果后，vote 模块会对结果进行统计得出最终判决，并向 apiserver 报告：

func (v *VoteEdge) Vote(edgeHealthMetadata *metadata.EdgeHealthMetadata, kubeclient clientset.Interface,
    localIp string, stopCh <-chan struct{}) {
    go wait.Until(func() {
        v.vote(edgeHealthMetadata, kubeclient, localIp, stopCh)
    }, time.Duration(v.VotePeriod)*time.Second, stopCh)
}

首先根据检查结果统计出状态正常以及异常的节点列表：

type votePair struct {
    pros int
    cons int
}
...
var (
    prosVoteIpList, consVoteIpList []string
    // Init votePair since cannot assign to struct field voteCountMap[checkedIp].pros in map
    vp votePair
)
voteCountMap := make(map[string]votePair) // {"127.0.0.1":{"pros":1,"cons":2}}
copyCheckInfo := edgeHealthMetadata.CopyAll()
// Note that voteThreshold should be calculated by checked instead of checker
// since checked represents the total valid edge health nodes while checker may contain partly ones.
voteThreshold := (edgeHealthMetadata.GetCheckedIpLen() + 1) / 2
for _, checkedDetails := range copyCheckInfo {
    for checkedIp, checkedDetail := range checkedDetails {
        if !time.Now().After(checkedDetail.Time.Add(time.Duration(v.VoteTimeout) * time.Second)) {
            if _, existed := voteCountMap[checkedIp]; !existed {
                voteCountMap[checkedIp] = votePair{0, 0}
            }
            vp = voteCountMap[checkedIp]
            if checkedDetail.Normal {
                vp.pros++
                if vp.pros >= voteThreshold {
                    prosVoteIpList = append(prosVoteIpList, checkedIp)
                }
            } else {
                vp.cons++
                if vp.cons >= voteThreshold {
                    consVoteIpList = append(consVoteIpList, checkedIp)
                }
            }
            voteCountMap[checkedIp] = vp
        }
    }
}
log.V(4).Infof("Vote: voteCountMap is %+v", voteCountMap)
...

其中状态判断的逻辑以下：

  • 若是超过一半(>)的节点对该节点的检查结果为正常，则认为该节点状态正常(注意时间差在 VoteTimeout 内)
  • 若是超过一半(>)的节点对该节点的检查结果为异常，则认为该节点状态异常(注意时间差在 VoteTimeout 内)
  • 除开上述状况，认为节点状态判断无效，对这些节点不作任何处理(可能存在脑裂的状况)

对状态正常的节点作以下处理：

...
// Handle prosVoteIpList
util.ParallelizeUntil(context.TODO(), 16, len(prosVoteIpList), func(index int) {
    if node := edgeHealthMetadata.GetNodeByAddr(prosVoteIpList[index]); node != nil {
        log.V(4).Infof("Vote: vote pros to edge node %s begin ...", node.Name)
        nodeCopy := node.DeepCopy()
        needUpdated := false
        if nodeCopy.Annotations == nil {
            nodeCopy.Annotations = map[string]string{
                common.NodeHealthAnnotation: common.NodeHealthAnnotationPros,
            }
            needUpdated = true
        } else {
            if healthy, existed := nodeCopy.Annotations[common.NodeHealthAnnotation]; existed {
                if healthy != common.NodeHealthAnnotationPros {
                    nodeCopy.Annotations[common.NodeHealthAnnotation] = common.NodeHealthAnnotationPros
                    needUpdated = true
                }
            } else {
                nodeCopy.Annotations[common.NodeHealthAnnotation] = common.NodeHealthAnnotationPros
                needUpdated = true
            }
        }
        if index, existed := admissionutil.TaintExistsPosition(nodeCopy.Spec.Taints, common.UnreachableNoExecuteTaint); existed {
            nodeCopy.Spec.Taints = append(nodeCopy.Spec.Taints[:index], nodeCopy.Spec.Taints[index+1:]...)
            needUpdated = true
        }
        if needUpdated {
            if _, err := kubeclient.CoreV1().Nodes().Update(context.TODO(), nodeCopy, metav1.UpdateOptions{}); err != nil {
                log.Errorf("Vote: update pros vote to edge node %s error %+v ", nodeCopy.Name, err)
            } else {
                log.V(2).Infof("Vote: update pros vote to edge node %s successfully", nodeCopy.Name)
            }
        }
    } else {
        log.Warningf("Vote: edge node addr %s not found", prosVoteIpList[index])
    }
})
...
  • 添加或者更新"superedgehealth/node-health" annotation 值为"true"，代表分布式健康检查判断该节点状态正常。
  • 若是node存在 NoExecute(node.kubernetes.io/unreachable) taint，则将其去掉，并更新 node.

而对状态异常的节点会添加或者更新"superedgehealth/node-health" annotation值为"false"，代表分布式健康检查判断该节点状态异常：

// Handle consVoteIpList
util.ParallelizeUntil(context.TODO(), 16, len(consVoteIpList), func(index int) {
    if node := edgeHealthMetadata.GetNodeByAddr(consVoteIpList[index]); node != nil {
        log.V(4).Infof("Vote: vote cons to edge node %s begin ...", node.Name)
        nodeCopy := node.DeepCopy()
        needUpdated := false
        if nodeCopy.Annotations == nil {
            nodeCopy.Annotations = map[string]string{
                common.NodeHealthAnnotation: common.NodeHealthAnnotationCons,
            }
            needUpdated = true
        } else {
            if healthy, existed := nodeCopy.Annotations[common.NodeHealthAnnotation]; existed {
                if healthy != common.NodeHealthAnnotationCons {
                    nodeCopy.Annotations[common.NodeHealthAnnotation] = common.NodeHealthAnnotationCons
                    needUpdated = true
                }
            } else {
                nodeCopy.Annotations[common.NodeHealthAnnotation] = common.NodeHealthAnnotationCons
                needUpdated = true
            }
        }
        if needUpdated {
            if _, err := kubeclient.CoreV1().Nodes().Update(context.TODO(), nodeCopy, metav1.UpdateOptions{}); err != nil {
                log.Errorf("Vote: update cons vote to edge node %s error %+v ", nodeCopy.Name, err)
            } else {
                log.V(2).Infof("Vote: update cons vote to edge node %s successfully", nodeCopy.Name)
            }
        }
    } else {
        log.Warningf("Vote: edge node addr %s not found", consVoteIpList[index])
    }
})

在边端 edge-health-daemon 向 apiserver 发送节点健康结果后，云端运行 edge-health-admission(Kubernetes mutating admission webhook)，会不断根据 node edge-health annotation 调整 kube-controller-manager 设置的 node taint(去掉NoExecute taint) 以及 endpoints(将失联节点上的 pods 从 endpoint subsets notReadyAddresses 移到 addresses中)，从而实现即使云边断连，可是分布式健康检查状态正常的状况下：

  • 失联的节点上的 pod 不会从 Service 的 Endpoint 列表中移除
  • 失联的节点上的 pod 不会被驱逐

总结

  • 分布式健康检查对于云边断连状况的处理区别原生 Kubernetes 以下：
    • 原生 Kubernetes：
      • 失联的节点被置为 ConditionUnknown 状态，并被添加 NoSchedule 和 NoExecute 的 taints
      • 失联的节点上的pod被驱逐，并在其余节点上进行重建
      • 失联的节点上的pod从 Service 的 Endpoint 列表中移除
    • 分布式健康检查：
  • 分布式健康检查主要经过以下三个层面加强节点状态判断的准确性：
    • 每一个节点按期探测其余节点健康状态
    • 集群内全部节点按期投票决定各节点的状态
    • 云端和边端节点共同决定节点状态
  • 分布式健康检查功能由边端的 edge-health-daemon 以及云端的 edge-health-admission 组成，功能分别以下：
    • edge-health-daemon：对同区域边缘节点执行分布式健康检查，并向 apiserver 发送健康状态投票结果(给 node 打 annotation)，主体逻辑包括四部分功能：
      • SyncNodeList：根据边缘节点所在的 zone 刷新 node cache，同时更新 CheckMetadata 相关数据
      • ExecuteCheck：对每一个边缘节点执行若干种类的健康检查插件(ping，kubelet等)，并将各插件检查分数汇总，根据用户设置的基准线得出节点是否健康的结果
      • Commun：将本节点对其它各节点健康检查的结果发送给其它节点
      • Vote：对全部节点健康检查的结果分类，若是某个节点被大多数(>1/2)节点断定为正常，则对该节点添加 superedgehealth/node-health：true annotation，代表该节点分布式健康检查结果为正常；不然，对该节点添加 superedgehealth/node-health：false annotation，代表该节点分布式健康检查结果为异常
    • edge-health-admission(Kubernetes mutating admission webhook)：不断根据 node edge-health annotation 调整 kube-controller-manager 设置的 node taint(去掉 NoExecute taint)以及endpoints(将失联节点上的 pods 从 endpoint subsets notReadyAddresses 移到 addresses中)，从而实现云端和边端共同决定节点状态

duyanghao kubernetes-reading-notes

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