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多区域运行

介绍

Kubernetes 从 v1.2 开始支持将集群运行在多个故障域中。 (GCE 中称其为 “ 区（Zones）”， AWS 中称其为 “ 可用区（Availability Zones）”，这里我们也称其为 “ 区 “)。 它是广泛意义上的集群联邦特性的轻量级版本 ( 之前被称为 “Ubernetes”)。 完整的集群联邦能够将多个分别运行在不同区或云供应商（或本地数据中心）的集群集中管理。 然而，很多用户只是希望通过将单一云供应商上的 Kubernetes 集群运行在多个区域，来提高集群的可用性， 这就是 1.2 版本中提供的对多区域的支持。 ( 之前被称为 “Ubernetes Lite”)。

多区域的支持是有明确限制的： Kubernetes 集群能够运行在多个区，但必须在同一个地域内 ( 云供应商也须一致 )。 目前只有 GCE 和 AWS 自动支持 ( 尽管在其他云甚至裸机上，也很容易通过为节点和卷添加合适的标签来实现类似的支持 )。

功能

节点启动时，Kubelet 自动为其添加区信息的标签。

在单一区域的集群中，Kubernetes 会自动将副本管理器或服务的 pod 分布到各节点上 ( 以减轻单实例故障的影响 )。 在多区域的集群中，这种分布的行为扩展到了区域级别 ( 以减少区域故障对整体的影响 )。 ( 通过 SelectorSpreadPriority 来实现 )。 这种分发是尽力而为（best-effort）的，所以如果集群在各个区之间是异构的 ( 比如，各区间的节点数量不同、节点类型不同、pod 的资源需求不同等 ) 可能导致 pod 无法完全均匀地分布。 如果需要的话，用户可以使用同质的区 ( 节点数量和节点类型相同 ) 来减少区域之间分配不均匀的可能。

当卷被创建时， PersistentVolumeLabel 准入控制器会自动为其添加区域的标签。 调度器 ( 通过 VolumeZonePredicate 断言 ) 会确申领该卷的 pod 被调度到该卷对应的区域， 因为卷是不支持跨区挂载的。

限制

对多区的支持有一些重要的限制：

演练

接下来我们将介绍如何同时在 GCE 和 AWS 上创建和使用多区域的集群。 为此，你需要创建一个完整的集群 ( 指定 MULTIZONE=true)，然后再次执行 kube-up（指定 KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true）来添加其他区域的节点。

创建集群

按正常方式创建集群，但是传入 MULTIZONE 来通知集群对多区域进行管理。 在 us-central1-a 区域创建节点。

GCE:

curl -sS https://get.k8s.io | MULTIZONE=true KUBERNETES_PROVIDER=gce KUBE_GCE_ZONE=us-central1-a NUM_NODES=3 bash

AWS:

curl -sS https://get.k8s.io | MULTIZONE=true KUBERNETES_PROVIDER=aws KUBE_AWS_ZONE=us-west-2a NUM_NODES=3 bash

该步骤按正常方式创建了集群，仍然运行在单个区域中。 但 MULTIZONE=true 已经开启了多区域的能力。

标记节点

查看节点，你可以发现节点上打了区域信息的标签。 节点位于 us-central1-a (GCE) 或者 us-west-2a (AWS)。 标签 failure-domain.beta.kubernetes.io/region 用于区分地域， 标签 failure-domain.beta.kubernetes.io/zone 用于区分区域。

> kubectl get nodes --show-labels


NAME                     STATUS                     AGE   VERSION          LABELS
kubernetes-master        Ready,SchedulingDisabled   6m    v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-1,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-master
kubernetes-minion-87j9   Ready                      6m    v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-87j9
kubernetes-minion-9vlv   Ready                      6m    v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-9vlv
kubernetes-minion-a12q   Ready                      6m    v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-a12q

添加其它区中的节点

接下来我们复用已有的管理节点，添加运行于其它区域 （us-central1-b 或 us-west-2b）中的节点。 再次执行 kube-up， 通过指定 KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true， kube-up 不会创建新的管理节点，而是会复用之前创建的。

GCE:

KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true MULTIZONE=true KUBERNETES_PROVIDER=gce KUBE_GCE_ZONE=us-central1-b NUM_NODES=3 kubernetes/cluster/kube-up.sh

在 AWS 中我们还需要为新增的子网指定网络 CIDR，还有管理节点的内部 IP 地址。

KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true MULTIZONE=true KUBERNETES_PROVIDER=aws KUBE_AWS_ZONE=us-west-2b NUM_NODES=3 KUBE_SUBNET_CIDR=172.20.1.0/24 MASTER_INTERNAL_IP=172.20.0.9 kubernetes/cluster/kube-up.sh

再次查看节点，3 个新增的节点已经启动，并被标记为 us-central1-b：

> kubectl get nodes --show-labels

NAME                     STATUS                     AGE   VERSION           LABELS
kubernetes-master        Ready,SchedulingDisabled   16m   v1.6.0+fff5156    beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-1,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-master
kubernetes-minion-281d   Ready                      2m    v1.6.0+fff5156    beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-b,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-281d
kubernetes-minion-87j9   Ready                      16m   v1.6.0+fff5156    beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-87j9
kubernetes-minion-9vlv   Ready                      16m   v1.6.0+fff5156    beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-9vlv
kubernetes-minion-a12q   Ready                      17m   v1.6.0+fff5156    beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-a12q
kubernetes-minion-pp2f   Ready                      2m    v1.6.0+fff5156    beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-b,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-pp2f
kubernetes-minion-wf8i   Ready                      2m    v1.6.0+fff5156    beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-b,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-wf8i

卷的亲和性

使用动态创建卷的功能创建一个卷 ( 只有 PV 持久卷才支持区域亲和性 )：

kubectl create -f - <<EOF
{
  "kind": "PersistentVolumeClaim",
  "apiVersion": "v1",
  "metadata": {
    "name": "claim1",
    "annotations": {
        "volume.alpha.kubernetes.io/storage-class": "foo"
    }
  },
  "spec": {
    "accessModes": [
      "ReadWriteOnce"
    ],
    "resources": {
      "requests": {
        "storage": "5Gi"
      }
    }
  }
}
EOF

注意： Kubernetes 1.3 以上的版本中可以将 PVC 分发到多个已配置的区域中，在 1.2 版本中， 动态卷只能创建在管理节点所在的区域内 ( 即这里的 us-central1-a / us-west-2a)；相关 issue (#23330) 在 1.3 后续的版本中已解决。

现在我们验证一下 Kubernetes 自动为创建的 PV 打上了所在地域和区域的标签。

> kubectl get pv --show-labels
NAME           CAPACITY   ACCESSMODES   STATUS    CLAIM            REASON    AGE       LABELS
pv-gce-mj4gm   5Gi        RWO           Bound     default/claim1             46s       failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a

现在我们将创建使用这些 PVC 的 pod。 因为 GCE 的 PD 存储 / AWS 的 EBS 卷 不支持跨区域挂载， 这意味着相应的 pod 只能创建在卷所在的区域中。

kubectl create -f - <<EOF
kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: myfrontend
      image: nginx
      volumeMounts:
      - mountPath: "/var/www/html"
        name: mypd
  volumes:
    - name: mypd
      persistentVolumeClaim:
        claimName: claim1
EOF

注意 pod 被自动创建在了卷所在的区域中，因为云供应商通常不支持卷的跨区域挂载（attach）。

> kubectl describe pod mypod | grep Node
Node:        kubernetes-minion-9vlv/10.240.0.5
> kubectl get node kubernetes-minion-9vlv --show-labels
NAME                     STATUS    AGE    VERSION          LABELS
kubernetes-minion-9vlv   Ready     22m    v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-9vlv

Pod 的跨区域分布

副本管理器或服务的 pod 被自动创建在了不同的区域。 首先，在第三个区域内启动节点：

GCE:

KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true MULTIZONE=true KUBERNETES_PROVIDER=gce KUBE_GCE_ZONE=us-central1-f NUM_NODES=3 kubernetes/cluster/kube-up.sh

AWS:

KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true MULTIZONE=true KUBERNETES_PROVIDER=aws KUBE_AWS_ZONE=us-west-2c NUM_NODES=3 KUBE_SUBNET_CIDR=172.20.2.0/24 MASTER_INTERNAL_IP=172.20.0.9 kubernetes/cluster/kube-up.sh

验证你现在在 3 个区域内拥有节点 :

kubectl get nodes --show-labels

创建 guestbook-go 示例应用， 它包含一个副本数为 3 的 RC，运行一个简单的网络应用：

find kubernetes/examples/guestbook-go/ -name '*.json' | xargs -I {} kubectl create -f {}

Pod 应该分布在全部 3 个区域上：

>  kubectl describe pod -l app=guestbook | grep Node
Node:        kubernetes-minion-9vlv/10.240.0.5
Node:        kubernetes-minion-281d/10.240.0.8
Node:        kubernetes-minion-olsh/10.240.0.11

 > kubectl get node kubernetes-minion-9vlv kubernetes-minion-281d kubernetes-minion-olsh --show-labels
NAME                     STATUS    AGE    VERSION          LABELS
kubernetes-minion-9vlv   Ready     34m    v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-a,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-9vlv
kubernetes-minion-281d   Ready     20m    v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-b,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-281d
kubernetes-minion-olsh   Ready     3m     v1.6.0+fff5156   beta.kubernetes.io/instance-type=n1-standard-2,failure-domain.beta.kubernetes.io/region=us-central1,failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=us-central1-f,kubernetes.io/hostname=kubernetes-minion-olsh

负载平衡器覆盖集群中的所有区域； guestbook-go 示例包含一个 负载均衡服务的例子：

> kubectl describe service guestbook | grep LoadBalancer.Ingress
LoadBalancer Ingress:   130.211.126.21

> ip=130.211.126.21

> curl -s http://${ip}:3000/env | grep HOSTNAME
  "HOSTNAME": "guestbook-44sep",

> (for i in `seq 20`; do curl -s http://${ip}:3000/env | grep HOSTNAME; done)  | sort | uniq
  "HOSTNAME": "guestbook-44sep",
  "HOSTNAME": "guestbook-hum5n",
  "HOSTNAME": "guestbook-ppm40",

负载均衡器正确指向了所有的 pod，即使它们位于不同的区域内。

停止集群

使用完成后，进行清理：

GCE:

KUBERNETES_PROVIDER=gce KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true KUBE_GCE_ZONE=us-central1-f kubernetes/cluster/kube-down.sh
KUBERNETES_PROVIDER=gce KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true KUBE_GCE_ZONE=us-central1-b kubernetes/cluster/kube-down.sh
KUBERNETES_PROVIDER=gce KUBE_GCE_ZONE=us-central1-a kubernetes/cluster/kube-down.sh

AWS:

KUBERNETES_PROVIDER=aws KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true KUBE_AWS_ZONE=us-west-2c kubernetes/cluster/kube-down.sh
KUBERNETES_PROVIDER=aws KUBE_USE_EXISTING_MASTER=true KUBE_AWS_ZONE=us-west-2b kubernetes/cluster/kube-down.sh
KUBERNETES_PROVIDER=aws KUBE_AWS_ZONE=us-west-2a kubernetes/cluster/kube-down.sh

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