云原生之深入解析K8S 1.27新特性如何简化状态服务跨集群平滑迁移

一、背景

Kubernetes v1.26 为 StatefulSet 引入了一个新的 Alpha 级别特性，可以控制 Pod 副本的序号。从 Kubernetes v1.27 开始，此特性进级到 Beta 阶段。序数可以从任意非负数开始，那么该如何使用此功能呢？
StatefulSet 序号为 Pod 副本提供顺序标识。当使用 OrderedReady Pod 管理策略时， Pod 是从序号索引 0 到 N-1 顺序创建的。如今使用 Kubernetes 跨集群编排 StatefulSet 迁移具有挑战性。虽然存在备份和恢复解决方案，但这些解决方案需要在迁移之前将应用程序的副本数缩为 0。在当今这个完全互联的世界中，即使是计划内的应用停机可能也无法实现你的业务目标。
可以使用级联删除或 OnDelete 策略来迁移单个 Pod，但是这很容易出错并且管理起来很乏味。当 Pod 出现故障或被逐出时，将失去 StatefulSet 控制器的自我修复优势。
Kubernetes v1.26 使 StatefulSet 能够负责 {0...N-1} 范围内的一系列序数（序数 0、1、... 直到 N-1）。有了它，可以缩小源集群中的范围 {0...k-1}，并扩大目标集群中的互补范围 {k...N-1}，同时保证应用程序可用性，这使在编排跨集群迁移时保留至多一个语义（意味着最多有一个具有给定身份的 Pod 在 StatefulSet 中运行）和滚动更新行为。
假设在一个集群中运行 StatefulSet，并且需要将其迁移到另一个集群，需要这样做的原因有很多：
- 可扩展性：StatefulSet 对于集群而言规模过大，并且已经开始破坏集群中其他工作负载的服务质量；
- 隔离性：在一个供多个用户访问的集群中运行 StatefulSet，而命名空间隔离是不够的；
- 集群配置：想将 StatefulSet 迁移到另一个集群，以使用在当前集群上不存在的某些环境；
- 控制平面升级：想将 StatefulSet 迁移到运行着较高版本控制平面，并且无法处承担就地升级控制平面所产生的风险或预留停机时间。

二、使用

① 先决条件

在集群上启用 StatefulSetStartOrdinal 特性门控，并使用自定义的 .spec.ordinals.start 创建一个 StatefulSet。
在此演示中，将使用新机制将 StatefulSet 从一个 Kubernetes 集群迁移到另一个，Bitnami Helm chart 将用于安装 redis-cluster。所需工具：yq、helm。
为此，需要两个可以访问公共网络和存储的 Kubernetes 集群，已将集群命名为 source 和 destination。具体来说：
- 在两个集群上都启用 StatefulSetStartOrdinal 特性门控；
- kubectl 的客户端配置允许我以管理员身份访问这两个集群；
- 两个集群上都安装了相同的 StorageClass，并设置为两个集群的默认 StorageClass，这个 StorageClass 应该提供可从一个或两个集群访问的底层存储；
- 一种扁平的网络拓扑，允许 Pod 向任一集群中的 Pod 发送数据包和从中接收数据包，如果在云提供商上创建集群，则此配置可能被称为私有云或私有网络。

② 步骤

在两个集群上创建一个用于演示的命名空间：

rust 复制代码

kubectl create ns kep-3335

在 source 集群中部署一个有六个副本的 Redis 集群：

rust 复制代码

helm repo add bitnami https://charts.bitnami.com/bitnami
helm install redis --namespace kep-3335 \
 bitnami/redis-cluster \
 --set persistence.size=1Gi \
 --set cluster.nodes=6

检查 source 集群中的副本状态：

rust 复制代码

kubectl exec -it redis-redis-cluster-0 -- /bin/bash -c \
 "redis-cli -c -h redis-redis-cluster -a $(kubectl get secret redis-redis-cluster -o jsonpath="{.data.redis-password}" | base64 -d) CLUSTER NODES;"

rust 复制代码

2ce30362c188aabc06f3eee5d92892d95b1da5c3 10.104.0.14:6379@16379 myself,master - 0 1669764411000 3 connected 10923-16383
7743661f60b6b17b5c71d083260419588b4f2451 10.104.0.16:6379@16379 slave 2ce30362c188aabc06f3eee5d92892d95b1da5c3 0 1669764410000 3 connected
961f35e37c4eea507cfe12f96e3bfd694b9c21d4 10.104.0.18:6379@16379 slave a8765caed08f3e185cef22bd09edf409dc2bcc61 0 1669764411000 1 connected
7136e37d8864db983f334b85d2b094be47c830e5 10.104.0.15:6379@16379 slave 2cff613d763b22c180cd40668da8e452edef3fc8 0 1669764412595 2 connected
a8765caed08f3e185cef22bd09edf409dc2bcc61 10.104.0.19:6379@16379 master - 0 1669764411592 1 connected 0-5460
2cff613d763b22c180cd40668da8e452edef3fc8 10.104.0.17:6379@16379 master - 0 1669764410000 2 connected 5461-10922

在 destination 集群中部署一个零副本的 Redis 集群：

rust 复制代码

helm install redis --namespace kep-3335 \
 bitnami/redis-cluster \
 --set persistence.size=1Gi \
 --set cluster.nodes=0 \
 --set redis.extraEnvVars\[0\].name=REDIS_NODES,redis.extraEnvVars\[0\].value="redis-redis-cluster-headless.kep-3335.svc.cluster.local" \
 --set existingSecret=redis-redis-cluster

将源集群中的 redis-redis-cluster StatefulSet 副本数缩小 1，以删除副本 redis-redis-cluster-5：

rust 复制代码

kubectl patch sts redis-redis-cluster -p '{"spec": {"replicas": 5}}'

将依赖从 source 集群迁移到 destionation 集群：以下命令将依赖资源从 source 复制到 destionation，其中与 destionation 集群无关的详细信息已被删除（例如：uid、resourceVersion、status）：

rust 复制代码

kubectl get pvc redis-data-redis-redis-cluster-5 -o yaml | yq 'del(.metadata.uid, .metadata.resourceVersion, .metadata.annotations, .metadata.finalizers, .status)' > /tmp/pvc-redis-data-redis-redis-cluster-5.yaml
kubectl get pv $(yq '.spec.volumeName' /tmp/pvc-redis-data-redis-redis-cluster-5.yaml) -o yaml | yq 'del(.metadata.uid, .metadata.resourceVersion, .metadata.annotations, .metadata.finalizers, .spec.claimRef, .status)' > /tmp/pv-redis-data-redis-redis-cluster-5.yaml
kubectl get secret redis-redis-cluster -o yaml | yq 'del(.metadata.uid, .metadata.resourceVersion)' > /tmp/secret-redis-redis-cluster.yaml

如果使用配置了 reclaimPolicy: Delete 的 StorageClass，应该在删除之前使用 reclaimPolicy: Retain 修补 source 中的 PV，以保留 destination 中使用的底层存储。
对于 PV/PVC，此过程仅在 PV 使用的底层存储系统支持复制到 destination 集群时才有效，可能不支持与特定节点或拓扑关联的存储。此外，某些存储系统可能会在 PV 对象之外存储有关卷的附加元数据，并且可能需要更专门的序列来导入卷。

rust 复制代码

kubectl create -f /tmp/pv-redis-data-redis-redis-cluster-5.yaml
kubectl create -f /tmp/pvc-redis-data-redis-redis-cluster-5.yaml
kubectl create -f /tmp/secret-redis-redis-cluster.yaml

将 destination 集群中的 redis-redis-cluster StatefulSet 扩容 1，起始序号为 5：

rust 复制代码

kubectl patch sts redis-redis-cluster -p '{"spec": {"ordinals": {"start": 5}, "replicas": 1}}'

检查 destination 集群中的副本状态：

rust 复制代码

kubectl exec -it redis-redis-cluster-5 -- /bin/bash -c \
 "redis-cli -c -h redis-redis-cluster -a $(kubectl get secret redis-redis-cluster -o jsonpath="{.data.redis-password}" | base64 -d) CLUSTER NODES;"

我应该看到新副本（标记为 myself）已加入 Redis 集群（IP 地址与 source 集群中的副本归属于不同的 CIDR 块）：

rust 复制代码

2cff613d763b22c180cd40668da8e452edef3fc8 10.104.0.17:6379@16379 master - 0 1669766684000 2 connected 5461-10922
7136e37d8864db983f334b85d2b094be47c830e5 10.108.0.22:6379@16379 myself,slave 2cff613d763b22c180cd40668da8e452edef3fc8 0 1669766685609 2 connected
2ce30362c188aabc06f3eee5d92892d95b1da5c3 10.104.0.14:6379@16379 master - 0 1669766684000 3 connected 10923-16383
961f35e37c4eea507cfe12f96e3bfd694b9c21d4 10.104.0.18:6379@16379 slave a8765caed08f3e185cef22bd09edf409dc2bcc61 0 1669766683600 1 connected
a8765caed08f3e185cef22bd09edf409dc2bcc61 10.104.0.19:6379@16379 master - 0 1669766685000 1 connected 0-5460
7743661f60b6b17b5c71d083260419588b4f2451 10.104.0.16:6379@16379 slave 2ce30362c188aabc06f3eee5d92892d95b1da5c3 0 1669766686613 3 connected

对剩余的副本重复上面的步骤，直到 source 集群中的 Redis StatefulSet 副本缩放为 0，并且 destination 集群中的 Redis StatefulSet 健康，总共有 6 个副本。

三、总结

此特性为跨集群拆分 StatefulSet 提供了一项基本支撑技术，但没有规定 StatefulSet 的迁移机制。迁移需要对 StatefulSet 副本的协调，以及对存储和网络层的编排，这取决于使用 StatefulSet 安装的应用程序的存储和网络连接要求。
此外，许多 StatefulSet 由 operator 管理，这也增加了额外的迁移复杂性。