从 lite-apiserver 看 SuperEdge 边缘节点自治
引言
在 SuperEdge 0.2.0版本中，lite-apiserver 进行了重大的架构升级和功能增强。本文将从 lite-apiserver 实现及其与其它 SuperEdge 组件协同的角度，分析 SuperEdge 的边缘自治能力，给大家的研究和选型提供参考。
边缘节点自治
在云边协同的边缘计算场景中，边缘节点通过公网与云端连接。边缘节点众多，网络环境复杂，网络质量参差不齐。边缘节点需要与云端弱网或断网情况下，继续正常工作，已运行的业务不受影响，达到边缘节点自治的目的。
为了实现边缘节点自治，需要处理以下场景：
- 边缘节点与云端断连，但是它本身正常，上面运行的业务容器应该不被驱逐，也没有新的业务容器调度到该节点上
- 边缘节点与云端断连时，边缘节点上的 Kubernetes 组件和业务容器可继续运行
- 边缘节点与云端断连时，边缘节点重启后，节点上的 Kubernetes 组件和业务容器可运行
- 边缘节点与云端恢复后，边缘节点上的数据与云端保持一致
SuperEdge 使用分布式节点健康检查组件 edge-health 来处理场景1，使用 lite-apiserver 来应对场景2、3、4。
lite-apiserver 是运行在边缘节点上的轻量级 apiserver，它代理节点上所有组件和业务容器访问云端 kube-apiserver 的请求，并对请求结果做高效缓存。在云边断连的情况下，利用这些缓存提供服务，实现边缘自治的能力。
lite-apiserver 设计特性
lite-apiserver除了满足边缘节点自治的功能需求外，还需要满足以下设计特性：
支持所有 Client 类型
作为边缘节点上访问云端 kube-apiserver 的唯一“出口”，lite-apiserver 需要支持所有类型的 Client ，包括以 bin （如 kubelet 等）或 pod （如 flannel\kube-proxy 等）形式运行的 Kubernetes 组件，以及以 InCluster 方式访问 kube-apiserver 的业务容器。
更进一步，如果边缘节点网络环境特殊，需要以代理等方式才能访问云端 kube-apiserver时，只用给 lite-apiserver 设置代理，所有组件即可正常访问云端 kube-apiserver，不需要每个组件做单独的配置。
支持缓存所有类型资源
支持缓存所有类型资源，Kubernetes 内置资源和 Custom Resources。
边缘节点上运行的 Kubernetes 组件和业务容器的请求 kube-apiserver 的资源多样，如果只缓存部分资源类型或仅支持 Kubernetes 内置资源类型，在云边断连时，可能因为读取不到对应的缓存导致组件或业务失败，达不到边缘节点自治的效果。当然，支持所有类型资源的缓存（尤其是 Custom Resources ），也给数据的解析和处理带来了不小挑战。
安全
边缘节点分布广泛，环境复杂，更容易造成安全风险。安全问题也在边缘计算和 Kubernetes 管理中越来越受重视。
给 lite-apiserver赋予一个访问权限，其代理的所有请求扔掉自身的权限方式，都使用 lite-apiserver 的权限访问云端的 kube-apiserver，是一种常见的访问控制方案。由于 lite-apiserver 需要访问和处理所有类型的资源，则该权限必然是一个“超级”权限。在这种情形下，某一个边缘节点上的恶意程序就可以通过 lite-apiserver 对集群的所有资源进行操作，可能对整个集群进行恶意破坏。
因此，从安全角度，lite-apiserver 从设计上不应拥有一个“超级”权限，可以使用 Kubernetes 组件和业务容器原有的认证和鉴权方式，访问云端 kube-apiserver。
支持多种缓存存储
根据 IDC 对边缘计算分层的定义，边缘分为 Heavy Edge（边缘数据中心）和 Light Edge（低功耗计算平台）。针对不同的场景，lite-apiserver 可以采用不同的缓存存储策略来达到更优的效果。在 Light Edge 中，lite-apiserver 使用文件存储缓存以降低其本身的系统开销，提升通用性。在 Heavy Edge 中，lite-apiserver 可采用 KV 存储等提升读写性能。
下面我们将从 lite-apiserver 的架构和关键技术方面，介绍其如何实现以上的功能需求和设计特性。
lite-apiserver 架构与关键技术
架构
lite-apiserver架构如图
从整体上看，lite-apiserver 启动一个 HTTPS Server 接受所有 Client 的请求（https request），并根据 request tls 证书中的 Common Name 选择对应的 ReverseProxy（如果 request 没有 mtls 证书，则使用 default），将 request 转发到 kube-apiserver。当云边网络正常时，将对应的返回结果（https response）返回给client，并按需将response异步存储到缓存中；当云边断连时，访问kube-apiserver超时，从缓存中获取已缓存的数据返回给client，达到边缘自治的目的。
- HTTPS Server
监听 localhost 的端口（SurperEdge 中为51003）接受 Client 的 Https 请求。 - Cert Mgr && Transport Mgr
Cert Mgr 负责管理连接 kube-apiserver 的 TLS 客户端证书。它周期性加载配置的TLS证书，如果有更新，通知Transport Mgr创建或更新对应的transport。
Transport Mgr负责管理transport。它接收Cert Mgr的通知，创建新的transport，或者关闭证书已更新的transport的旧连接。 - Proxy
根据 request mtls 证书中的 Common Name 选择对应的 ReverseProxy（如果 request 没有 mtls 证书，则使用 default），将 request 转发到 kube-apiserver。如果请求成功，则将结果直接给 Client 返回，并调用 Cache Mgr 缓存数据；如果请求失败，则从 Cache Mgr 中读取数据给 Client。 - Cache Mgr
根据 Client 的类型分别缓存 Get 和 List 的结果数据，并根据 Watch 的返回值，更新对应的 List 数据。
关键技术
1. HTTPS Server
在当前架构下，lite-apiserver 只处理本节点的所有请求，使用 HTTP Server 可以满足性能和安全要求。然而，大部分组件和业务容器采用 client-go 库访问 kube-apiserver，如果使用 HTTP Server，Client 自己的认证和鉴权信息全部丢失，不符合权限管理的要求。因此必须采用 HTTPS Server。lite-apiserver 的 TLS Server 证书，需用 kube-apiserver 的 Server 证书相同的CA签发。
2. 支持 InCluster 方式访问
一般的 Client 通过指定 kube-apiserver 的 URL 访问 kube-apiserver，使用 lite-apiserver 时，只需将原来 kube-apiserver 的 URL 替换为 lite-apiserver 的地址即可。
在 Pod 中访问 kube-apiserver 的推荐方式是通过 kubernetes.default.svc 这个 DNS 名称，该名称将会解析为服务 IP，然后服务 IP 将会路由到 kube-apiserver。在这种场景下使用 lite-apiserver 需要一些小小的"魔法"。
在 SuperEdge 中，application-grid-wrapper 以 DaemonSet 的形式部署在每个边缘节点上，通过给 kube-proxy 只返回本区域内的 endpoints 来达到访问在区域内闭环的目的。利用这个特性，application-grid-wrapper 把 kubernetes 这个 Service 的 endpoint 改为 lite-apiserver 的地址， 返回给本节点 kube-proxy，即可支持 InCluster 方式访问。
3. 支持 Client 的 Bootstrap Token 和证书轮换
lite-apiserver 使用 Client 自己的认证和鉴权方式，访问云端的 kube-apiserver。对于 static token、bootstrap token、service account 等方式，lite-apiserver 只需透传 Http Request 的 Header 中包含的认证鉴权信息即可。对于 TLS 客户端证书的认证方式，lite-apiserver 通过读取配置文件，加载所有 Client 用到的 TLS 客户端证书，使用这些证书构造对应的 HTTPS 请求 kube-apiserver。
为了支持 Client 的 Bootstrap Token 和证书轮换，lite-apiserver 需要周期性的加载和更新这些证书。kube-controller-manager 签发的证书默认时间是1年，lite-apiserver 加载 TLS 客户端证书周期不宜过短。但如果证书加载周期时间过长，kubelet 使用 Bootstrap Token 的场景中会存在证书更新不及时的问题。为了处理这些场景，lite-apiserver 采用一种“优雅”的证书加载策略：当加载证书出现错误或证书过期时，进入快速加载模式，周期是1s; 加载证书均成功时，进入普通加载模式，周期是30min。
当证书更新后，lite-apiserver 使用 client-go 提供的closeAll方法，关闭已存在的连接，以防认证鉴权失败。
4. 缓存解析和更新
lite-apiserver 需要支持缓存所有类型的资源，缓存的解析和更新是 lite-apiserver 实现的关键之一。lite-apiserver 分别缓存每个 Client 的对资源的 Get 和 List 请求，这样虽然造成了一定的存储空间的浪费，但是也避免了复杂的资源版本转换。对于 Watch 类型的请求结果，lite-apiserver 采用unstructured.UnstructuredJSONScheme 解析出资源的 meta 信息，进而更新相应的 List 数据。
展望
SuperEdge 正式开源以来，得到了广泛的关注。SuperEdge 在快速迭代开发中，lite-apiserver 也有不少可扩展点，欢迎大家积极参与，共同打造一个优秀的云原生边缘容器项目。
- 内存中缓存部分高频更新的资源，提升性能
- 支持更多种类存储
- 性能和内存优化，适应更广泛的边缘场景
