如何通过 Kubernetes 管理不可变基础设施

Posted 2022-10-18

作者

王海龙，SUSE Rancher 中国社区技术经理，Linux Foundation APAC Evangelist，负责 Rancher 中国技术社区的维护和运营。拥有 8 年的云计算领域经验，经历了 OpenStack 到 Kubernetes 的技术变革，无论底层操作系统 Linux，还是虚拟化 KVM 或是 Docker 容器技术都有丰富的运维和实践经验。

本文整理自王海龙在 SUSECON 北京 2022 开源技术峰会上的主题演讲。

本文主要介绍如何通过 Kubernetes 在边缘设备上部署和管理操作系统，然后将这些边缘设备组建成一个 Kubernetes 集群，最后统一接入到 Rancher 中进行管理。

云原生技术的基础定义

云原生相信大家已经非常了解了，上图是 CNCF 对云原生的定义，也列出了云原生的代表技术，其中容器、服务网格、微服务、声明式 API 这些技术，相信大家都已经非常熟悉。

其中一项叫不可变基础设施，这个概念并不常见，用起来和我们传统方式有些冲突，有时候大家可能会感觉别扭，我们就从不可变基础设施谈起。

Mutable vs Immutable

先来对比一下可变和不可变，也就是 Mutable 和 Immutable。

从基础设施角度来看，Mutable 更倾向于我们传统的运维视角，其实就是一个 update in-place，即在原地更新这样的理念，比如：您原来的主机上安装了 apache2，上面部署了业务，想换成 nginx，需要先卸载掉 apache2 服务，然后再重新安装一个 nginx，可能也需要重启服务或者系统来让这次变更生效。这个过程，您的基础设施为了满足业务需求，进行了一次或者多次变更，实际上它就是一个可变的基础设施。

Immutable 的核心思想是任何基础设施的实例一旦创建之后变成为只读状态，如需修改和升级，则使用新的实例进行替换。如果您有新的变更需求，就应该去准备（provision）一个新的基础设施，而不是说在原来的基础上做一个本地的更新。

最大的区别，就是原来的 Mutable 人工干预的比较多，需要靠人工去操作系统里进行各种更改。Immutable 的话，更偏向自动化，您已经预先把基础设施及其依赖都定义好了，这时只需要去触发新的变更就可以完成变更。这里并不涉及到去更改原始的基础设施，这对于基础设施来说，就变成不可变的了。

介绍完这两种理念，大家应该立刻想到了容器技术。您可以构建一个镜像，然后在镜像的基础上去部署业务。如果出现问题，我们不会去容器里去做变更，而是从容器构建阶段去解决问题。所以从容器的角度，镜像就是一个不可变的基础设施。容器技术出现后，Immutable 就变得非常直观，也出现了类似 OCI Image 这样的规范。

Immutable 不只存在于容器领域，也逐渐下沉到了操作系统的层面，Immutable OS 也借助 Container 的理念，形成了许多 Container OS，比如：RancherOS，K3os，CoreOS。这些 OS 的理念，都是从这个角度衍生出来的。

Elemental-toolkit：提供 Container based OS 的自定义能力

我们之前在使用操作系统的时候，很少自己构建；就算有特殊需求需要构建操作系统，我们自定义的内容也不会特别多。

既然是 Container OS，那就应该像容器一样，能够交付给用户一个充分自定义能力的操作系统。所以我们做了一个叫 Elemental-toolkit 的工具，来让用户自己去构建一个自定义的 Container OS。

这个工具有两个非常重要的特点：

• 可以使用 Dockerfile 定义操作系统，就像写原始的 docker images 那样。Elemental-toolkit 可以基于您写的 dockerfile 来去构建一个操作系统。这并不是一个简单的镜像，而是一个操作系统，这里面有内核、rootfs，还有您加的软件包。
• 为了和 OCI Image 的理念整合，所以这个操作系统是可以使用 OCI Image 去做分发；也就是说您构建出来的操作系统，可以上传到 dockerhub。升级的时候，就直接到 dockerhub 去拉这个镜像，然后自动到您的操作系统上安装。也就是说您运维操作系统和运维容器没什么区别。

使用 Kubernetes 管理边缘基础设施

Elemental-toolkit 可以构建一个自定义的基础操作系统，然后就可以借助 Kubernetes 能力来去管理边缘基础设施。当然，还需要借助一些工具才能实现：

• RancherD：其实就是一个部署工具，可以实现自定义部署 Rancher/k3s/rke2。RancherD 可以封装到由 Elemental-tools 构建的操作系统里，这样启动操作系统之后就会自动创建 K3s 集群。
• RancherOS Operator：可以实现自动注册节点到集群，然后批量升级和管理操作系统的版本等一些功能。我们可以通过 RancherOS Operator 来管理这些不可变的基础设施，也就是由 Elemental-toolkit 构建的这些不可变的操作系统。

Demo：通过 Kubernetes 在边缘设备上安装和管理 OS

下面我们将通过 Demo 来给大家介绍如何通过 Kubernetes 在边缘设备上安装操作系统，如何通过 Kubernetes 在边缘设备上管理和升级操作系统。这个 Demo 分为几个核心阶段：

• RancherOS Operator 安装和设置
• 构建引导 ISO 映像
• 创建下游集群
• 将 OS 安装到节点，并添加到集群
• 更新 OS

项目地址：​​https://github.com/rancher-sandbox/rancher-node-image​​

具体现场 Demo 内容，请参见本视频：​​https://www.bilibili.com/video/BV1NG4y1r75V/?spm_id_from=333.999.0.0​​