Yurt-Tunnel 详解｜如何解决 K8s 在云边协同下的运维监控挑战

作者｜何淋波（新胜）

背景

?

伴随着 5G、IoT 等技术的快速发展，边缘计算被越来越广泛地应用于电信、媒体、运输、物流、农业、零售等行业和场景中，成为解决这些领域数据传输效率的关键方式。与此同时，边缘计算形态、规模、复杂度的日益增长，边缘计算领域的运维手段、运维能力对边缘业务创新速度的支撑日趋乏力。于是，Kubernetes 迅速成为边缘计算的关键要素，帮助企业在边缘更好地运行容器，最大化利用资源、缩短研发周期。
?

但是，如果将原生 Kubernetes 直接应用到边缘计算场景下，仍然需要解决诸多问题，比如云与边一般位于不同网络平面，同时边缘节点普遍位于防火墙内部，采用云(中心)边协同架构，将导致原生 K8s 系统的运维监控能力面临如下挑战：
?

K8s 原生运维能力缺失(如 kubectl logs/exec 等无法执行)社区主流监控运维组件无法工作(如 Prometheus/metrics-server )

?

为了帮助企业解决原生 Kubernetes 在边缘场景下关于应用生命周期管理、云边网络连接、云边端运维协同、异构资源支持等方方面面的挑战，基于 K8s 实现的边缘计算云原生开源平台 OpenYurt 应运而生，其也是 CNCF 在边缘云原生版图中的重要组成部分。本文将详细介绍，作为 OpenYurt 核心组件之一的 Yurt-Tunnel 如何是扩展原生 K8s 系统在边缘场景下相关能力的。
?

Yurt-Tunnel 设计思路

?

由于边缘可以访问云端，因此可以考虑在云边构建可以反向穿透的隧道，从而保证云(中心)可以基于隧道主动访问边缘。当时我们也调查了很多开源的隧道方案，从能力以及生态兼容性等方面，最后我们选择基于 ANP?设计并实现了 Yurt-Tunnel 整体解决方案，具备安全，非侵入、可扩展、传输高效等优点。
?

实现方式

在 K8s 云边一体化架构中构建一个安全、非侵入、可扩展的反向通道解决方案，方案中至少需要包括如下能力。

云边隧道构建隧道两端证书的自管理云端组件请求被无缝倒流到隧道

?

Yurt-tunnel 的架构模块如下图：
?

3.1 云边隧道构建

?

当边缘的 yurt-tunnel-agent 启动时，会根据访问地址与 yurt-tunnel-server 建立连接并注册，并周期性检测连接的健康状态以及重建连接等。

?

# https://github.com/openyurtio/apiserver-network-proxy/blob/master/pkg/agent/client.go#L189
# yurt-tunnel-agent的注册信息:
"agentID": {nodeName}
"agentIdentifiers": ipv4={nodeIP} host={nodeName}"

当 yurt-tunnel-server 收到云端组件的请求时，需要把请求转发给对应的 yurt-tunnel-agent 。因为除了转发初始请求之外，该请求 session 后续还有数据返回或者数据的持续转发(如 kubectl exec )。因此需要双向转发数据。同时需要支持并发转发云端组件的请求，意味需要为每个请求生命周期建立一个独立的标识。所以设计上一般会有两种方案。

?

方案 1: 初始云边连接仅通知转发请求，tunnel-agent 会和云端建立新连接来处理这个请求。通过新连接可以很好的解决请求独立标识的问题，同时并发也可以很好的解决。但是为每个请求都需要建立一个连接，将消耗大量的资源。
?

方案 2: 仅利用初始云边连接来转发请求，大量请求为了复用同一条连接，所以需要为每个请求进行封装，并增加独立标识，从而解决并发转发的诉求。同时由于需要复用一条连接，所以需要解耦连接管理和请求生命周期管理，即需要对请求转发的状态迁移进行独立管理。该方案涉及到封包解包，请求处理状态机等，方案会复杂一些。
?

OpenYurt 选择的 ANP 组件，采用的是上述方案2，这个和我们的设计初衷也是一致的。

?

# https://github.com/openyurtio/apiserver-network-proxy/blob/master/konnectivity-client/proto/client/client.pb.go#L98
# 云边通信的数据格式以及数据类型
type Packet struct {
 Type PacketType `protobuf:"varint,1,opt,name=type,proto3,enum=PacketType" json:"type,omitempty"`
 // Types that are valid to be assigned to Payload:
 // *Packet_DialRequest
 // *Packet_DialResponse
 // *Packet_Data
 // *Packet_CloseRequest
 // *Packet_CloseResponse
 Payload isPacket_Payload `protobuf_oneof:"payload"`
}

?

请求转发链路构建封装在 Packet_DialRequest 和 Packet_DialResponse 中，其中 Packet_DialResponse.ConnectID 用于标识 request ，相当于 tunnel 中的 requestID。请求以及关联数据封装在 Packet_Data 中。Packet_CloseRequest 和 Packet_CloseResponse 用于转发链路资源回收。具体可以参照下列时序图：

?

RequestInterceptor 模块的作用

?

从上述分析可以看出，yurt-tunnel-server 转发请求之前，需要请求端先发起一个Http Connect 请求来构建转发链路。但是为 Prometheus、metrics-server 等开源组件增加相应处理会比较困难，因此在 Yurt-tunnel-server 中增加请求劫持模块 Interceptor ，用来发起 Http Connect 请求。相关代码如下:
?

# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/server/interceptor.go#L58-82
 proxyConn, err := net.Dial("unix", udsSockFile)
 if err != nil {
 return nil, fmt.Errorf("dialing proxy %q failed: %v", udsSockFile, err)
 var connectHeaders string
 for _, h := range supportedHeaders {
 if v := header.Get(h); len(v) != 0 {
 connectHeaders = fmt.Sprintf("%s\r\n%s: %s", connectHeaders, h, v)
 fmt.Fprintf(proxyConn, "CONNECT %s HTTP/1.1\r\nHost: %s%s\r\n\r\n", addr, "127.0.0.1", connectHeaders)
 br := bufio.NewReader(proxyConn)
 res, err := http.ReadResponse(br, nil)
 if err != nil {
 proxyConn.Close()
 return nil, fmt.Errorf("reading HTTP response from CONNECT to %s via proxy %s failed: %v", addr, udsSockFile, err)
 if res.StatusCode != 200 {
 proxyConn.Close()
 return nil, fmt.Errorf("proxy error from %s while dialing %s, code %d: %v", udsSockFile, addr, res.StatusCode, res.Status)
 }

?

3.2 证书管理

为了保证云边通道的长期安全通信，同时也为了支持 https 请求转发，yurt-tunnel 需要自行生成证书并且保持证书的自动轮替。具体实现如下:
?

# 1. yurt-tunnel-server证书:
# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/pki/certmanager/certmanager.go#L45-90
- 证书存储位置: /var/lib/yurt-tunnel-server/pki
- CommonName: "kube-apiserver-kubelet-client" // 用于kubelet server的webhook校验
- Organization: {"system:masters", "openyurt:yurttunnel"} // 用于kubelet server的webhook校验和yurt-tunnel-server证书的auto approve
- Subject Alternate Name values: {x-tunnel-server-svc, x-tunnel-server-internal-svc的ips和dns names}
- KeyUsage: "any"
# 2. yurt-tunnel-agent证书：
# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/pki/certmanager/certmanager.go#L94-112
- 证书存储位置: /var/lib/yurt-tunnel-agent/pki
- CommonName: "yurttunnel-agent"
- Organization: {"openyurt:yurttunnel"} // 用于yurt-tunnel-agent证书的auto approve
- Subject Alternate Name values: {nodeName, nodeIP}
- KeyUsage: "any"
# 3. yurt-tunnel证书申请(CSR)均由yurt-tunnel-server来approve
# https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/pki/certmanager/csrapprover.go#L115
- 监听csr资源
- 过滤非yurt-tunnel的csr(Organization中没有"openyurt:yurttunnel")
- approve还未Approved的csr
# 4. 证书自动轮替处理
# https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/staging/src/k8s.io/client-go/util/certificate/certificate_manager.go#L224

3.3 无缝导流云端组件请求到隧道

?

因为需要无缝把云端组件的请求转发到 yurt-tunnel-server ，也意味不需要对云端组件进行任何修改。因此需要对云端组件的请求进行分析，目前组件的运维请求主要有以下两种类型:
?

类型1: 直接使用 IP 地址访问，如: http://{nodeIP}:{port}/{path}类型2: 使用域名访问, 如: http://{nodeName}:{port}/{path}

?

针对不同类型请求的导流，需要采用不同方案。
?

方案1: 使用 iptables dnat rules 来保证类型1的请求无缝转发到 yurt-tunnel-server

# 相关iptables rules维护代码: https://github.com/openyurtio/openyurt/blob/master/pkg/yurttunnel/iptables/iptables.go
# yurt-tunnel-server维护的iptables dnat rules如下:
[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L OUTPUT
TUNNEL-PORT tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* edge tunnel server port */
[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT
TUNNEL-PORT-10255 tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 tcp dpt:10255 /* jump to port 10255 */
TUNNEL-PORT-10250 tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 tcp dpt:10250 /* jump to port 10250 */
[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT-10255
RETURN tcp -- * * 0.0.0.0/0 127.0.0.1 /* return request to access node directly */ tcp dpt:10255
RETURN tcp -- * * 0.0.0.0/0 172.16.6.156 /* return request to access node directly */ tcp dpt:10255
DNAT tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* dnat to tunnel for access node */ tcp dpt:10255 to:172.16.6.156:10264

?

方案2: 使用 dns 域名解析 nodeName 为 yurt-tunnel-server 的访问地址，从而使类型 2 请求无缝转发到 yurt-tunnel

# x-tunnel-server-svc和x-tunnel-server-internal-svc的不同用途:
 - x-tunnel-server-svc: 主要expose 10262/10263端口，用于从公网访问yurt-tunnel-server。如yurt-tunnel-agent
 - x-tunnel-server-internal-svc: 主要用于云端组件从内部网络访问，如prometheus,metrics-server等
# dns域名解析原理:
1. yurt-tunnel-server向kube-apiserver创建或更新yurt-tunnel-nodes configmap, 其中tunnel-nodes字段格式为: {x-tunnel-server-internal-svc clusterIP} {nodeName}，确保记录了所有nodeName和yurt-tunnel-server的service的映射关系
2. coredns pod中挂载yurt-tunnel-nodes configmap，同时使用host插件使用configmap的dns records
3. 同时在x-tunnel-server-internal-svc中配置端口映射，10250映射到10263，10255映射到10264
4. 通过上述的配置，可以实现http://{nodeName}:{port}/{path}请求无缝转发到yurt-tunnel-servers

?

云端请求扩展:

?

如果用户需要访问边缘的其他端口(10250 和 10255 之外)，那么需要在 iptables 中增加相应的 dnat rules 或者 x-tunnel-server-internal-svc 中增加相应的端口映射，如下所示:
?

# 例如需要访问边缘的9051端口
# 新增iptables dnat rule:
[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT
TUNNEL-PORT-9051 tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 tcp dpt:9051 /* jump to port 9051 */
[root@xxx /]# iptables -nv -t nat -L TUNNEL-PORT-9051
RETURN tcp -- * * 0.0.0.0/0 127.0.0.1 /* return request to access node directly */ tcp dpt:9051
RETURN tcp -- * * 0.0.0.0/0 172.16.6.156 /* return request to access node directly */ tcp dpt:9051
DNAT tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 /* dnat to tunnel for access node */ tcp dpt:9051 to:172.16.6.156:10264
# x-tunnel-server-internal-svc中新增端口映射
spec:
 ports:
 - name: https
 port: 10250
 protocol: TCP
 targetPort: 10263
 - name: http
 port: 10255
 protocol: TCP
 targetPort: 10264
 - name: dnat-9051 # 新增映射
 port: 9051
 protocol: TCP
 targetPort: 10264

当然上述的 iptables dnat rules 和 service 端口映射，都是由 yurt-tunnel-server 自动更新。用户只需要在 yurt-tunnel-server-cfg configmap 中增加端口配置即可。具体如下:
?

# 注意：由于证书不可控因素，目前新增端口只支持从yurt-tunnel-server的10264转发
apiVersion: v1
data:
 dnat-ports-pair: 9051=10264 # 新增端口=10264(非10264转发不支持)
kind: ConfigMap
metadata:
 name: yurt-tunnel-server-cfg
 namespace: kube-system

?近期规划

?

支持 kube-apiserver 的 EgressSelector 功能验证 yurt-tunnel-server 多实例部署验证支持 yurt-tunnel-agent 配置多个 yurt-tunnel-server 地址支持证书存储目录自定义支持证书 Usage 定义更精细化，保证证书使用范围可控支持 yurt-tunnel-server 访问地址变化后，yurt-tunnel-server 证书可自动更新支持 yurt-tunnel-agent 对 yurt-tunnel-server 访问地址的自动刷新支持非 NodeIP/NodeName 类型的请求转发(如非主机网络 Pod 的云访问边)支持通过 Tunnel 由边缘 Pod 访问云端 Pod支持 yurt-tunnel 的独立部署(非绑定 k8s )支持更多协议转发，如 gRPC, websocket, ssh 等

?

欢迎加入 OpenYurt 社区?

作为阿里云边缘容器服务 ACK@Edge 的内核，OpenYurt 已经在 CDN、音视频直播、物联网、物流、工业大脑、城市大脑等数十个行业中得到商业化实践、服务规模达数百万 CPU 核。我们可喜地看到，现在有越来越多的开发者、开源社区、企业和学信机构认可 OpenYurt 的理念，并且正在加入到共同建设 OpenYurt 的队伍中，比如 VMware、Intel、深信服、招商局、浙大、EdgeX Foundry 社区、eKuiper 社区等。我们也欢迎更多的朋友共建 OpenYurt 社区，繁荣云原生边缘计算生态，让真正意义上的云原生在更多边缘场景中创造价值。
?

欢迎加入 OpenYurt 社区钉钉群：
?

点击https://openyurt.io/en-us/，直通 OpenYurt 官网！

本文转自网络，原文链接：https://developer.aliyun.com/article/785233
本站部分内容转载于网络，版权归原作者所有，转载之目的在于传播更多优秀技术内容，如有侵权请联系QQ/微信：153890879删除，谢谢！