深度剖析Kubernetes API Server三部曲

在本系列的前两部分中我们介绍了API Server的总体流程，以及API对象如何存储到etcd中。在本文中我们将探讨如何扩展API资源。

在一开始的时候，扩展API资源的唯一方法是扩展相关API源代码，集成为你所需的资源。或者，推动一个全新的类型为新的核心对象API合入社区代码。但是，这样就会导致核心API资源类型的不断增加，直至API过载。为了避免这种API资源的无限制扩展，在Kubernetes中提供两种扩展核心API的方法：

1. 使用自定义资源定义（CRDs），最开始的时候被称为第三方资源（TPRs）。通过CRD你能够简单而灵活的方式定义自己的资源对象类型，并让API server处理整个生命周期。
2. 使用与主API Servers 并行运行的用户API Servers（UAS）。这种方式，可能更多的设计代码开发，可能需要你投入较多的时间及精力。当然，这种方式也能够让你对API资源有更细致，全面的了解。

在本文中，我们主要对CRD相关定义以及使用进行探讨。

CRDs的声明及创建

在本系列文章第一部分所提到过的，每个API资源根据Group群组分类，每个对象都有一个对应的版本号与HTTP路径相关联。现在如果想要实现一个CRD，首先需要的是就是命名一个新的API Group群组，这个API群组不能与已经存在的群组重复。在你自己新建的API群组中，你可以拥有任意数量的资源，并且它们可以与其他群组中的资源具有相同的名称。下面我们来列举一个实际的例子：

 

在之前我们有介绍过，每个版本的由API群组管理的Kubernetes资源是跟HTTP路径相关的。CRD类似于面向对象编程中一个类的定义，而实际使用的CR可以看做为它的一组实例。首先我们对例子中的一些字段作说明，第一行中的CRD apiVersion在kube-apiserver 1.7 之后都是这样定义的。从第5行之后我们定义了spec 的相关字段。在第6行spec.group是定义了你创建的CRD的API群组（在本例子中定义为了example.com）。第7行定义了CRD对象的版本。每个资源只有一个固定版本，但在API群组中还是能有多个不同版本的资源。第8行的spec.names有两个必填项：kind，按照惯例第一个字母大写，plural，按照惯例全为小写，这个字段与最终生成的HTTP路径相关，比如在本例子中，最终的HTTP路径为https://<server/apis/example.com/v1/namespaces/default/databases。还有一个可选的singular字段，默认为小写类型值，可以在kubectl的上下文中使用。此外，在spec.names中还有许多可选字段，这些字段将会由API Server自动生成并填充。

上面的kind主要是用来描述对象的类型，而resource 资源是与HTTP路径相关的。大多数情况下这两个是匹配的；但是在某些特定情况下在相同的API HTTP路径下可能返回不通的kind（比如Status 错误对象会返回另一种kind）。

值得注意的是resource 资源（在本例中是databases）和group群组（本例中是example.com）必须与metadata.name 字段匹配（本例为第四行databases. example.com）。

现在我们根据上面的YAML文件来创建一个CRD：

$ kubectl create -f databases-crd.yaml

customresourcedefinition "databases.example.com" created

由于这个创建过程是异步进行的，所以你必须检查一下你创建的CRD的状态，确认你创建的CRD没有与其它资源冲突，并且API Server已经调用相关处理函数完成创建。你可以在脚本或代码中通过轮询完成这个过程。最后我们能得到以下状态：

$ kubectl get crd databases.example.com -o yaml

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1beta1

kind: CustomResourceDefinition

metadata:

  creationTimestamp: 2017-08-09T09:21:43Z

  name: databases.example.com

  resourceVersion: "792"

  selfLink: /apis/apiextensions.k8s.io/v1beta1/customresourcedefinitions/databases.example.com

  uid: 28c94a05-7ce4-11e7-888c-42010a9a0fd5

spec:

  group: example.com

  names:

    kind: Database

    listKind: DatabaseList

    plural: databases

    singular: database

  scope: Namespaced

  version: v1

status:

  acceptedNames:

    kind: Database

    listKind: DatabaseList

    plural: databases

    singular: database

  conditions:

  - lastTransitionTime: null

    message: no conflicts found

    reason: NoConflicts

    status: "True"

    type: NamesAccepted

  - lastTransitionTime: 2017-08-09T09:21:43Z

    message: the initial names have been accepted

    reason: InitialNamesAccepted

    status: "True"

    type: Established

以上，我们可以看到通过kubectl可以看到我们之前创建的CRD，并且显示出了CRD的一些状态信息。

CRDs的使用

在通过kubectl proxy将Kubernetes API 开启本地代理后，查看我们刚才创建的CRD:

$ http 127.0.0.1:8001/apis/example.com

HTTP/1.1 200 OK

Content-Length: 223

Content-Type: application/json

Date: Wed, 09 Aug 2017 09:25:44 GMT

 

{

    "apiVersion": "v1",

    "kind": "APIGroup",

    "name": "example.com",

    "preferredVersion": {

        "groupVersion": "example.com/v1",

        "version": "v1"

    },

    "serverAddressByClientCIDRs": null,

    "versions": [

        {

            "groupVersion": "example.com/v1",

            "version": "v1"

        }

    ]

}

请注意，在默认情况下十分钟内，kubectl是查看存储在~/.kube/cache/discovery目录的缓存。所以，可能会需要10分钟后你才能看到你新创建的CRD资源。但是，当没有缓存时，kubectl发现不了所需的资源时，那么会重新缓存它。

接下来，我们来看一个CRD实例：

$ cat wordpress-database.yaml

apiVersion: example.com/v1

kind:       Database

metadata:

  name:     wordpress

spec:

  user:     wp

  password: secret

  encoding: unicode

 

$ kubectl create -f wordpress-databases.yaml

database "wordpress" created

 

$ kubectl get databases.example.com

NAME        KIND

wordpress   Database.v1.example.com

想要通过API来监控资源的创建与更新，你可以通过对某个resourceVersion（我们通过curl来实例对指定版本的database做监控）之后的修改做监控watch。

$ http 127.0.0.1:8001/apis/example.com/v1/namespaces/default/databases

HTTP/1.1 200 OK

Content-Length: 593

Content-Type: application/json

Date: Wed, 09 Aug 2017 09:38:49 GMT

 

{

    "apiVersion": "example.com/v1",

    "items": [

        {

            "apiVersion": "example.com/v1",

            "kind": "Database",

            "metadata": {

                "clusterName": "",

                "creationTimestamp": "2017-08-09T09:38:30Z",

                "deletionGracePeriodSeconds": null,

                "deletionTimestamp": null,

                "name": "wordpress",

                "namespace": "default",

                "resourceVersion": "2154",

                "selfLink": "/apis/example.com/v1/namespaces/default/databases/wordpress",

                "uid": "8101a7af-7ce6-11e7-888c-42010a9a0fd5"

            },

            "spec": {

                "encoding": "unicode",

                "password": "secret",

                "user": "wp"

            }

        }

    ],

    "kind": "DatabaseList",

    "metadata": {

        "resourceVersion": "2179",

        "selfLink": "/apis/example.com/v1/namespaces/default/databases"

    }

}

我们可以对/apis/example.com/v1/namespaces/default/databases/wordpressCRD的HTTP路径通过curl命令对的"resourceVersion": "2154"进行监控watch:

$ curl -f 127.0.0.1:8001/apis/example.com/v1/namespaces/default/databases?watch=true&resourceVersion=2154

现在我们新开一个shell对话窗口，删除wordpress CRD资源，我们可以查看刚才的监控watch窗口是否接收到了这个消息：

$ kubectl delete databases.example.com/wordpress

请注意：我们能够使用kubectl delete database wordpress删除CRD资源，是因为之前在Kubernetes没有定义有database 资源。此外，database 是我们CRD中的spec.name.singular字段，从英语语法派生而来。

我们可以看到之前监控watch CRD databases从API Server处返回的更新状态：

{"type":"DELETED","object":{"apiVersion":"example.com/v1","kind":"Database","metadata":{"clusterName":"","creationTimestamp":"2017-0[0/515]

:38:30Z","deletionGracePeriodSeconds":null,"deletionTimestamp":null,"name":"wordpress","namespace":"default","resourceVersion":"2154","selfLink":"/apis/example.com/v1/namespaces/

default/databases/wordpress","uid":"8101a7af-7ce6-11e7-888c-42010a9a0fd5"},"spec":{"encoding":"unicode","password":"secret","user":"wp"}}}

上述shell会话的运行及输出结果如下图所示：

 

最后，让我们看一下CRD database 的各个数据是如何存储在etcd中的。下面是我们直接通过HTTP API进入etcd访问得到的数据：

$ curl -s localhost:2379/v2/keys/registry/example.com/databases/default | jq .

{

  "action": "get",

  "node": {

    "key": "/registry/example.com/databases/default",

    "dir": true,

    "nodes": [

      {

        "key": "/registry/example.com/databases/default/wordpress",

        "value": "{"apiVersion":"example.com/v1","kind":"Database","metadata":{"clusterName":"","creationTimestamp":"2017-08-09T14:53:40Z","deletionGracePeriodSeconds":null,"deletionTimestamp":null,"name":"wordpress","namespace":"default","selfLink":"","uid":"8837f788-7d12-11e7-9d28-080027390640"},"spec":{"encoding":"unicode","password":"secret","user":"wp"}} ",

        "modifiedIndex": 670,

        "createdIndex": 670

      }

    ],

    "modifiedIndex": 670,

    "createdIndex": 670

  }

}

从上面可以看到，CRD数据在etcd中最终以一个未解析的的状态存在。现在将CRD删除，所有的CRD实例也会跟着删除，这是一个级联删除操作。

目前CRDs的使用现状，局限及将来的展望

CRDs的发展现状如下所示：

1. 在Kubernetes 1.7版本中CRDs开始取代ThirdPartyResources (TPRs) ，并且TPRs 将会在Kubernetes 1.8被删除。
2. 将TPRs迁移到CRDs实例可以参考文档migration。
3. 支持一个CRD中只有单个version 版本，当然，一个群组中可能有多个version版本。
4. CRDs提供一个API方案，在用户角度看它与Kubernetes原生的API资源基本没有区别
5. CRDs是多版本多分支稳定的基础。关于CRD资源的JSON-Schema的格式有效性校验可以参考文档CRD validation proposal。相关资源回收可以参考文档Garbage collection。

接下去我们来看一下一些CRDs的局限：

1. CRD不提供版本转换功能，也就是说，每个CRD只能有一个版本（预计不会在近期或中期内看到支持CRD版本转换）。
2. 在Kubernetes1.7当中，目前并没有对于CRD的相关校验validation。
3. 没有快速，实时的准入（admission ）机制（但是可以支持webhooks 形式的初始化及准入）。
4. 在Kubernetes1.7中你不能定义子资源（sub-resources），比如scale或者status，不过目前有在这方面proposal 的讨论。
5. CRD目前不支持默认值配置，即不支持为特定的字段配默认值（在Kubernetes1.7后续的版本中可能会支持）。

为了解决上述的问题，并且灵活的扩展Kubernetes，你可以运行一个与主API Server并行的用户API Servers。我们将在本博文的以后部分中详细介绍如何编写UAS，并编写一个custom controller 完整使用CRD 。https://www.huaweicloud.com/product/cce.html