一、背景

1.1 基于Kubernetes的容器云

容器云最主要的功能帮助用户把应用以容器的形式在集群中跑起来。目前很多的容器云平台通过Docker及Kubernetes等技术提供应用运行平台，从而实现运维自动化、快速部署应用、弹性伸缩和动态调整应用环境资源，提高研发运营效率。

1.2 Cloud Provider与云厂商

为了更好的让Kubernetes在公有云平台上运行，提供容器云服务，云厂商需要实现自己的Cloud Provider，即实现cloudprovider.Interface（https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/pkg/cloudprovider/cloud.go）。
它是Kubernetes中开放给云厂商的通用接口，便于Kubernetes自动管理和利用云服务商提供的资源，这些资源包括虚拟机资源、负载均衡服务、弹性公网IP、存储服务等。
如下图所示，Kubernetes核心库内置了很多主流云厂商的实现，包括aws、gce、azure：

1.3 Cloud Provider的重构之路

但是，问题随之而来。
随着Kubernetes成为在私有云、公有云和混合云环境中大规模部署容器化应用的事实标准，越来越多的云厂商加入了进来，Cloud Provider的实现也越来越多，作为在Kubernetes核心库中的代码，这必将影响其快速的更新和迭代。
所以产生了把Cloud Provider移出Kubernetes核心库并进行重构的提案（Refactor Cloud Provider out of Kubernetes Core）。
在k8s v1.6，引入了Cloud Controller Manager（CCM），目的就是最终替代Cloud Provider。截止到最新的k8s v1.11，还是处于beta阶段。

二、Cloud Provider解析

2.1 Cloud Provider的作用

在k8s中有三个组件对Cloud Provider有依赖，分别是：

• kube-controller-manager
• kubelet
• kube-apiserver

这三个组件对Cloud Provider的依赖部分会最终编译进相应的二进制中，进一步的依赖关系如下图所示：

2.1.1 kube-controller-manager依赖Cloud Provider相关部分

kube-controller-manager对Cloud Provider的依赖分布在四个controller中。

2.1.1.1 Node Controller

Node Controller使用Cloud Provider来检查node是否已经在云上被删除了，如果Cloud Provider返回有node被删除了，那么Node Controller立马就会把此node从k8s中删除。

2.1.1.2 Route Controller

用来配置node的路由。
对于Kubernetes的容器网络，基本的原则是：每个pod都拥有一个独立的IP地址（IP per Pod），而且假定所有的pod都在一个可以直接连通的、扁平的网络空间中。而在云上，node的基础设施是由云厂商提供的，所以Route Controller需要调用Cloud Provider来配置云上node的底层路由从而实现Kubernetes的容器网络。

2.1.1.3 Service Controller

Service Controller维护了当前可用node的列表，同时负责创建、删除、更新类型是LoadBalancer的Service，从而使用云厂商额外提供的负载均衡服务、弹性公网IP等服务。

2.1.1.4 PersistentVolumeLabel Controller

PersistentVolumeLabel Controller使用Cloud Provider来创建、删除、挂载、卸载node上的卷，因为卷也是云厂商额外提供的云存储服务。

2.1.2 kubelet依赖Cloud Provider相关部分

kubelet中的Node Status使用Cloud Provider来获得node的信息。包括：

• nodename：运行kubelet的节点名字
• InstanceID, ProviderID, ExternalID, Zone Info：初始化kubelet的时候需要
• 周期性的同步node的IP

2.1.3 kube-apiserver依赖Cloud Provider相关部分

kube-apiserver使用Cloud Provider来给所有node派发SSH Keys。

2.2 Cloud Provider的设计

云厂商在实现自己的Cloud Provider时只需要实现cloudprovider.Interface即可，如下：

type Interface interface {
    // 初始化一个k8s client，用于和kube-apiserver通讯
    Initialize(clientBuilder controller.ControllerClientBuilder)
    // 与负载均衡相关的接口
    LoadBalancer() (LoadBalancer, bool)
    // 与节点信息相关的接口
    Instances() (Instances, bool)
    // 与节点可用区相关的接口
    Zones() (Zones, bool)
    // 与集群相关的接口
    Clusters() (Clusters, bool)
    // 与路由相关的接口
    Routes() (Routes, bool)
    // cloud provider ID.
    ProviderName() string
    // ClusterID
    HasClusterID() bool
}

重点讲下两个比较重要的接口LoadBalancer()与Routes()。

2.2.1 LoadBalancer()的接口设计

LoadBalancer()接口用来为kube-controller-manager的Service Controller服务，接口说明如下：

type LoadBalancer interface {
    // 根据clusterName和service返回是否存LoadBalancer，若存在则返回此LoadBalancer的状态信息，状态信息里包含此LoadBalancer的对外IP和一个可选的HostName
    GetLoadBalancer(ctx context.Context, clusterName string, service *v1.Service) (status *v1.LoadBalancerStatus, exists bool, err error)
    // 更新或者创建一个LoadBalancer，在用户创建一个type是LoadBalancer的Service时触发。
    EnsureLoadBalancer(ctx context.Context, clusterName string, service *v1.Service, nodes []*v1.Node) (*v1.LoadBalancerStatus, error)
    // 更新一个LoadBalancer，在Service信息发生改变或者集群信息发生改变时，例如集群新加入一个节点，那么需要更新下LoadBalancer，目的是为LoadBalancer更新下后端需要监听的新节点。
    UpdateLoadBalancer(ctx context.Context, clusterName string, service *v1.Service, nodes []*v1.Node) error
    // 删除一个LoadBalancer
    EnsureLoadBalancerDeleted(ctx context.Context, clusterName string, service *v1.Service) error
}

2.2.2 Routes()的接口设计

Routes()接口用来为kube-controller-manager的Route Controller服务，接口说明如下：

type Routes interface {
    // 列举集群的路由规则
    ListRoutes(ctx context.Context, clusterName string) ([]*Route, error)
    // 为当前集群新建路由规则
    CreateRoute(ctx context.Context, clusterName string, nameHint string, route *Route) error
    // 删除路由规则
    DeleteRoute(ctx context.Context, clusterName string, route *Route) error
}

三、从Cloud Provider到Cloud Controller Manager

从k8s v1.6开始，k8s的编译产物中多了一个二进制：cloud-controller manager，它就是用来替代Cloud Provider的。
因为原先的Cloud Provider与mater中的组件kube-controller-manager、kube-apiserver以及node中的组件kubelet耦合很紧密，所以这三个组件也需要相应的进行重构。

3.1 kube-controller-manager的重构策略

kube-controller-manager中有四个controller与Cloud Provider相关，相应的重构策略如下：

• Route Controller
  
  • 移入CCM，并在相应的controller loop中运行。
• Service Controller
  
  • 移入CCM，并在相应的controller loop中运行。
• PersistentVolumeLabel Controller
  
  • 移入CCM，并在相应的controller loop中运行。
• Node Controller
  
  • 在CCM中增加新controller：Cloud Node Controller。
  • Cloud Node Controller除了实现原来Node Controller的功能外，增加新功能：
    
    • CIDR的管理
    • 监控节点的状态
    • 节点Pod的驱逐策略

3.2 kube-apiserver的重构策略

对于kube-apiserver使用Cloud Provider的两个功能：

• 分发SSH Keys
  
  • 移入CCM
• 对于PV的Admission Controller
  
  • 在kubelet中实现

3.3 kubelet的重构策略

kubelet需要增加一个新功能：在CCM还未初始化kubelet所在节点时，需标记此节点类似“NotReady”的状态，防止scheduler调度pod到此节点时产生一系列错误。此功能通过给节点加上如下Taints并在CCM初始化后删去此Taints实现：

node.cloudprovider.kubernetes.io/uninitialized=true:NoSchedule

四、Cloud Controller Manager解析

4.1 Cloud Controller Manager架构

按照第三节所述进行重构后，新的模块Cloud Controller Manager将作为一个新的组件直接部署在集群内，如下图所示：

CCM组件内各小模块的功能与原先Cloud Provider的差不多，见第二节对Cloud Provider的解析。
对于云厂商来说，需要：
（1）实现cloudprovider.Interface接口的功能，这部分在Cloud Provider中已经都实现，直接迁移就行。
（2）实现自己的Cloud Controller Manager，并在部署k8s时，把CCM按要求部署在集群内，部署时的注意事项及部署参考实践见第五节。

4.2 Cloud Controller Manager实现举例

实现自己的CCM也比较简单，举例如下：

package main

import (
    ...
    "k8s.io/kubernetes/cmd/cloud-controller-manager/app"
    "k8s.io/kubernetes/cmd/cloud-controller-manager/app/options"

    // （1）初始化原来Cloud Provider的相关逻辑，读取cloud配置、初始化云厂商的Clod SDK。
    _ "k8s.io/cloud-provider-baiducloud/pkg/cloud-provider"
)

func main() {
    goflag.CommandLine.Parse([]string{})
    // (2) 初始化一个默认的CCM配置
    s, _ := options.NewCloudControllerManagerOptions()
    if err != nil {
        glog.Fatalf("unable to initialize command options: %v", err)
    }
    // (3) CCM启动命令
    cmd := &cobra.Command{
        Use: "cloud-controller-manager",
        Long: `The Cloud controller manager is a daemon that embeds the cloud specific control loops shipped with Kubernetes.`,
        Run: func(cmd *cobra.Command, args []string) {
            c, err := s.Config()
            if err != nil {
                fmt.Fprintf(os.Stderr, "%v\n", err)
                os.Exit(1)
            }
            // (4) Run里会运行相关controller loops：CloudNode Controller、PersistentVolumeLabel Controller、Service Controller、Route Controller
            if err := app.Run(c.Complete()); err != nil {
                fmt.Fprintf(os.Stderr, "%v\n", err)
                os.Exit(1)
            }
        },
    }
    s.AddFlags(cmd.Flags())
    pflag.CommandLine.SetNormalizeFunc(flag.WordSepNormalizeFunc)
    pflag.CommandLine.AddGoFlagSet(goflag.CommandLine)
    logs.InitLogs()
    defer logs.FlushLogs()
    if err := c.Execute(); err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "%v\n", err)
        os.Exit(1)
    }
}

五、部署使用Cloud Controller Manager实践

5.1 总体要求

• 云厂商提供给CCM的API需要有认证鉴权机制，防止恶意行为。
• 因为CCM运行在集群内，所以需要RBAC规则去跟kube-apiserver通讯
• CCM为了高可用，可开启选主功能

5.2 k8s相关组件的启动配置变化

将Cloud Provider改为CCM后，相关组件启动的配置需要修改。

5.2.1 kube-controller-manager启动配置变化

不指定cloud-provider。

5.2.2 kube-apiserver启动配置变化

（1）不指定cloud-provider
（2）admission-control中删去PersistentVolumeLabel，因为CCM将接手PersistentVolumeLabel
（3）admission-control中增加Initializers
（4）runtime-config中增加admissionregistration.k8s.io/v1alpha1

5.2.3 kubelet启动配置变化

指定cloud-provider=external，告诉kubelet，在它开始调度工作前，需要被CCM初始化。（node会被打上 Taints:node.cloudprovider.kubernetes.io/uninitialized=true:NoSchedule）

5.3 启动CCM举例

5.3.1 启用initializers并添加InitializerConifguration

CCM为了给PV打标签需要：
（1）启用initializers（https://kubernetes.io/docs/reference/access-authn-authz/extensible-admission-controllers/#enable-initializers-alpha-feature）
（2）添加InitializerConifguration：persistent-volume-label-initializer-config.yaml如下：

admin/cloud/pvl-initializer-config.yaml  
kind: InitializerConfiguration
apiVersion: admissionregistration.k8s.io/v1alpha1
metadata:
  name: pvlabel.kubernetes.io
initializers:
  - name: pvlabel.kubernetes.io
    rules:
    - apiGroups:
      - ""
      apiVersions:
      - "*"
      resources:
      - persistentvolumes

5.3.2 创建CCM的RBAC

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: system:cloud-controller-manager
  labels:
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
rules:
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - nodes
  verbs:
  - '*'

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - nodes/status
  verbs:
  - patch

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - services
  verbs:
  - list
  - watch
  - patch

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - services/status
  verbs:
  - update

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - events
  verbs:
  - create
  - patch
  - update

# For leader election
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - endpoints
  verbs:
  - create

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - endpoints
  resourceNames:
  - "cloud-controller-manager"
  verbs:
  - get
  - list
  - watch
  - update

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - configmaps
  verbs:
  - create

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - configmaps
  resourceNames:
  - "cloud-controller-manager"
  verbs:
  - get
  - update

- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - serviceaccounts
  verbs:
  - create
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - secrets
  verbs:
  - get
  - list

# For the PVL
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - persistentvolumes
  verbs:
  - list
  - watch
  - patch
---
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: xxx-cloud-controller-manager
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: system:cloud-controller-manager
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: cloud-controller-manager
  namespace: kube-system

5.3.3 启动CCM

可以通过DaemonSet或者Deployment的方式启动CCM：

---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: cloud-controller-manager
  namespace: kube-system
---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: xxx-cloud-controller-manager
  namespace: kube-system
  labels:
    k8s-app: xxx-cloud-controller-manager
spec:
  selector:
    matchLabels:
      k8s-app: xxx-cloud-controller-manager
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      labels:
        k8s-app: xxx-cloud-controller-manager
    spec:
      hostNetwork: true
      nodeSelector:
        node-role.kubernetes.io/master: ""
      tolerations:
      - key: node.cloudprovider.kubernetes.io/uninitialized
        value: "true"
        effect: NoSchedule
      - key: node-role.kubernetes.io/master
        operator: Exists
        effect: NoSchedule
      serviceAccountName: cloud-controller-manager
      containers:
        - name: cloud-controller-manager
          image: xxx-cloud-controller-manager:v1.0.0
          args:
            - --cloud-config=/path/to/cloud-config.yaml
            - --cloud-provider=xxx
            - -v=4
          volumeMounts:
            - name: cfg
              mountPath: /etc/xxx
              readOnly: true
            - name: kubernetes
              mountPath: /etc/kubernetes
              readOnly: true
      volumes:
        - name: cfg
          secret:
            secretName: xxx-cloud-controller-manager
        - name: kubernetes
          hostPath:
            path: /etc/kubernetes

六、参考

• Kubernetes Cloud Controller Manager
• Refactor Cloud Provider out of Kubernetes Core
• Cloud Providers