歡迎來到深入學習Kubernetes API Server的系列文章的第二部分。在上一部分中我們對APIserver總體，相關術語及request請求流進行探討說明。在本部分文章中，我們主要聚焦於探究如何對Kubernetes 對象的狀態以一種可靠，持久的方式進行管理。之前的文章中提到過API Server自身是無狀態的，並且它是唯一能夠與分佈式存儲etcd直接通信的組件。
etcd的簡要說明
在*nix操作系統中，我們一般使用/etc來存儲相關配置數據。實際上etcd的名字就是由此發展而來，在etc後面加上個”d”表示”distributed”分佈式。任何分佈式系統都需要有像etcd這樣能夠存儲系統數據的東西，使其能夠以一致和可靠的方式檢索相關數據。爲了能實現分佈式的數據訪問，etcd使用Raft 協議。從概念上講，etcd支持的數據模型是鍵值（key-value）存儲。在etcd2中，各個key是以層次結構存在，而在etcd3中這個就變成了遍佈模型，但同時也保持了層次結構方式的兼容性。
使用容器化版本的etcd，我們可以創建上面的樹，然後按如下方式檢索它：
$ docker run --rm -d -p 2379:2379 \
--name test-etcd3 quay.io/coreos/etcd:v3.1.0 /usr/local/bin/etcd \
--advertise-client-urls http://0.0.0.0:2379 --listen-client-urls http://0.0.0.0:2379
$ curl localhost:2379/v2/keys/foo -XPUT -d value="some value"
$ curl localhost:2379/v2/keys/bar/this -XPUT -d value=42
$ curl localhost:2379/v2/keys/bar/that -XPUT -d value=take
$ http localhost:2379/v2/keys/?recursive=true
HTTP/1.1 200 OK
Content-Length: 327
Content-Type: application/json
Date: Tue, 06 Jun 2017 12:28:28 GMT
X-Etcd-Cluster-Id: 10e5e39849dab251
X-Etcd-Index: 6
X-Raft-Index: 7
X-Raft-Term: 2
{
"action": "get",
"node": {
"dir": true,
"nodes": [
{
"createdIndex": 4,
"key": "/foo",
"modifiedIndex": 4,
"value": "some value"
},
{
"createdIndex": 5,
"dir": true,
"key": "/bar",
"modifiedIndex": 5,
"nodes": [
{
"createdIndex": 5,
"key": "/bar/this",
"modifiedIndex": 5,
"value": "42"
},
{
"createdIndex": 6,
"key": "/bar/that",
"modifiedIndex": 6,
"value": "take"
}
]
}
]
}
}
現在我們已經大致瞭解了etcd是如何工作的，接下去我們繼續討論etcd在Kubernetes是如何被使用的。
集羣中的etcd
在Kubernetes中，etcd是控制平面中的一耳光獨立組成部分。在Kubernetes1.5.2版本之前，我們使用的是etcd2版本，而在Kubernetes1.5.2版本之後我們就轉向使用etcd3版本了。值得注意的是在Kubernetes1.5.x版本中etcd依舊使用的是v2的API模型，之後這將開始變爲v3的API模型，包括使用的數據模型。站在開發者角度而言這個似乎沒什麼直接影響，因爲API Server與存儲之前是抽象交互，而並不關心後端存儲的實現是etcd v2還是v3。但是如果是站在集羣管理員的角度來看，還是需要知道etcd使用的是哪個版本，因爲集羣管理員需要日常對數據進行一些備份，恢復的維護操作。
你可以API Server的相關啓動項中配置使用etcd的方式，API Server的etcd相關啓動項參數如下所示：
$ kube-apiserver -h
...
--etcd-cafile string SSL Certificate Authority file used to secure etcd communication.
--etcd-certfile string SSL certification file used to secure etcd communication.
--etcd-keyfile string SSL key file used to secure etcd communication.
...
--etcd-quorum-read If true, enable quorum read.
--etcd-servers List of etcd servers to connect with (scheme://ip:port) …
...
Kubernetes存儲在etcd中的數據，是以JSON字符串或Protocol Buffers 格式存儲。下面我們來看一個具體的例子：在apiserver-sandbox的命名空間中創建一個webserver的pod。然後我們使用etcdctl工具來查看相關etcd（在本環節中etcd版本爲3.1.0）數據。
$ cat pod.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: webserver
spec:
containers:
- name: nginx
image: tomaskral/nonroot-nginx
ports:
- containerPort: 80
$ kubectl create -f pod.yaml
$ etcdctl ls /
/kubernetes.io
/openshift.io
$ etcdctl get /kubernetes.io/pods/apiserver-sandbox/webserver
{
"kind": "Pod",
"apiVersion": "v1",
"metadata": {
"name": "webserver",
...
下面我們來看一下這個pod對象是如何最終存儲到etcd中，通過kubectl create -f pod.yaml的方式。下圖描繪了這個總體流程：
1.客戶端（比如kubectl）提供一個理想狀態的對象，比如以YAML格式，v1版本提供。
2.Kubectl將YAML轉換爲JSON格式，併發送。
3.對應同類型對象的不同版本，API Server執行無損耗轉換。對於老版本中不存在的字段則存儲在annotations中。
4.API Server將接受到的對象轉換爲規範存儲版本，這個版本由API Server指定，一般是最新的穩定版本，比如v1。
5.最後將對象通過JSON 或protobuf方式解析爲一個value，通過一個特定的key存入etcd當中。
我們可以通過配置 kube-apiserver的啓動參數--storage-media-type來決定想要序列化數據存入etcd的格式，默認情況下爲application/vnd.kubernetes.protobuf格式。我們也可以通過配置--storage-versions啓動參數，來確定存入etcd的每個羣組Group對象的默認版本號。
現在讓我們來看看無損轉換是如何進行的，我們將使用Kubernetes 對象Horizontal Pod Autoscaling (HPA)來列舉說明。HPA顧名思義是指通過監控資源的使用情況結合ReplicationController控制Pod的伸縮。
首先我們期待一個API代理（以便於我們能夠在本地直接訪問它），並啓動ReplicationController，以及HPA 。
$ kubectl proxy --port=8080 &
$ kubectl create -f https://raw.githubusercontent.com/mhausenblas/kbe/master/specs/rcs/rc.yaml
kubectl autoscale rc rcex --min=2 --max=5 --cpu-percent=80
kubectl get hpa/rcex -o yaml
現在，你能夠使用httpie ——當然你也能夠使用curl的方式——向API server 請求獲取HPA對象使用當前的穩定版本（autoscaling/v1），或者使用之前的版本（extensions/v1beta1），獲取的兩個版本的區別如下所示：
$ http localhost:8080/apis/extensions/v1beta1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex > hpa-v1beta1.json
$ http localhost:8080/apis/autoscaling/v1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex > hpa-v1.json
$ diff -u hpa-v1beta1.json hpa-v1.json
{
"kind": "HorizontalPodAutoscaler",
- "apiVersion": "extensions/v1beta1",
+ "apiVersion": "autoscaling/v1",
"metadata": {
"name": "rcex",
"namespace": "api-server-deepdive",
- "selfLink": "/apis/extensions/v1beta1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex",
+ "selfLink": "/apis/autoscaling/v1/namespaces/api-server-deepdive/horizontalpodautoscalers/rcex",
"uid": "ad7efe42-50ed-11e7-9882-5254009543f6",
"resourceVersion": "267762",
"creationTimestamp": "2017-06-14T10:39:00Z"
},
"spec": {
- "scaleRef": {
+ "scaleTargetRef": {
"kind": "ReplicationController",
"name": "rcex",
- "apiVersion": "v1",
- "subresource": "scale"
+ "apiVersion": "v1"
},
"minReplicas": 2,
"maxReplicas": 5,
- "cpuUtilization": {
- "targetPercentage": 80
- }
+ "targetCPUUtilizationPercentage": 80
我們能夠看到HorizontalPodAutoscale的版本從v1beta1變爲了v1。API server能夠在不同的版本之前無損耗轉換，不論在etcd中實際存的是哪個版本。
在瞭解整個存儲流程之後，我們下面來探究一下API server如何將數據進行編碼，解碼存入etcd中以JSON或protobuf的方式，同時也考慮到etcd的版本。
API Server將所有已知的Kubernetes對象類型保存在名爲Scheme的Go類型註冊表（registry）中。在此註冊表中，定義每種了Kubernetes對象的類型以及如何轉換它們，如何創建新對象，以及如何將對象編碼和解碼爲JSON或protobuf。
當API Server從客戶端接收到一個對象時，比如kubectl，通過HTTP路徑，能夠知道這個對象的具體版本號。首先會爲這個對象使用對應的版本Scheme創建一個空對象，然後通過JSON或protobuf將HTTP傳過來的對象內容進行解碼轉換。解碼完成後創建對象，存入etcd中。
在API中可能會有很多版本，如果要支持每個版本之間的直接轉換，這樣往往處理起來比較麻煩。比如某個API下面有三個版本，那麼它就要支持一個版本到另兩個版本的直接轉換（比如v1 ⇔ v1alpha1, v1 ⇔ v1beta1, v1beta1 ⇔ v1alpha1）。爲了避免這個問題，在API server中有一個特別的“internal”版本。當兩個版本之間需要轉換時，先轉換爲internal版本，再轉換爲相應轉換的版本。這樣的話，每個版本只要支持能夠轉換爲internal版本，那麼就能夠與其它任何版本進行間接的轉換。所以一個對象先轉換爲internal版本，然後在轉換爲穩定的v1版本，然後在存入etcd中。
v1beta1 ⇒ internal ⇒ v1
在轉換的第一步中，如果某些字段用戶沒有賦值指定，那麼這些會被賦爲一個默認值。比如在v1beta1 中肯定沒有在v1版本新增的一個字段。在這種情況下，用戶肯定無法在v1beta1 版本爲這個字段賦值。這時候，在轉換的第一步中，我們會爲這個字段賦一個默認值以生成一個有效的internal。
校驗及准入
在轉換過程中有兩個重要的步驟，如下圖所示：
v1beta1 ⇒ internal ⇒ | ⇒ | ⇒ v1 ⇒ json/yaml ⇒ etcd
admission validation
准入和校驗是創建和更新對象存入etcd之前必須通過的步驟。它們的一些規則如下所示：
1.准入（Admission）：查看集羣中的一些約束條件是否允許創建或更新此對象，並根據此集羣的相關配置爲對象設置一些默認值。在Kubernetes有很多這種約束條件，下面列舉一些例子：
NamespaceLifecycle：如果命名空間不存在，則拒絕該命名空間下的所有傳入請求。
LimitRanger：強制限制命名空間中資源的使用率。
ServiceAccount：爲pod創建 service account 。
DefaultStorageClass：如果用戶沒有爲PersistentVolumeClaims賦值，那麼將它設置爲一個默認值。
ResourceQuota：對羣集上的當前用戶強制執行配額約束，如果配額不足，可能會拒絕請求。
2.校驗（Validation）：檢查傳入對象（在創建和更新期間）是否格式是否合法以及相關值是否有效。比如：
1）檢查必填字段是否已填。
2）檢查字符串格式是否正確（比如只允許小寫形式）。
3）是否有些字段存在衝突（比如，有兩個容器的名字一樣）。
校驗（Validation）並不關心其它類型的對象實例，換言之，它只關心每個對象的靜態檢查，無關集羣配置。
准入（Admission）可以用flag --admission-control=來啓動或禁用。它們中的大多數可以有集羣管理配置。此外，在Kubernetes 1.7中可以用webhook機制來擴展准入機制，使用控制器來實現對對象的傳統的校驗。
遷移存儲對象
關於存儲對象遷移的最後說明：當Kubernetes需要升級到新的版本時，根據每個版本的相關文檔步驟備份相關集羣的數據是至關重要的。這一方面是由於etcd2到etcd3的轉變，另一方面是由於Kubernetes 對象的Kind及version的不斷髮展。
在etcd中，每個對象是首選存儲版本（preferred storage version）存在的。但是，隨着時間的推移，etcd存儲中的對象可能以一個非常老的版本存在。如果在將來某個時間這個對象版本被廢棄了，那麼將無法再解碼它的protobuf 或JSON。因此，在集羣升級之前需要重寫，遷移這些數據。下面這些資料能夠對version切換提供一些幫助：
請參閱集羣管理文檔升級API版本部分。Upgrading to a different API version
下一次，在深入學習Kubernetes APIServer的第三部分中，我們將討論如何使用Custom Resource Definitions擴展和自定義API資源。