kubelet 状态上报的方式

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分布式系统中服务端会通过心跳机制确认客户端是否存活，在 k8s 中，kubelet 也会定时上报心跳到 apiserver，以此判断该 node 是否存活，若 node 超过一定时间没有上报心跳，其状态会被置为 NotReady，宿主上容器的状态也会被置为 Nodelost 或者 Unknown 状态。kubelet 自身会定期更新状态到 apiserver，通过参数 --node-status-update-frequency 指定上报频率，默认是 10s 上报一次，kubelet 不止上报心跳信息还会上报自身的一些数据信息。

一、kubelet 上报哪些状态

在 k8s 中，一个 node 的状态包含以下几个信息：

1、Addresses

主要包含以下几个字段：

  • HostName：Hostname 。可以通过 kubelet 的 --hostname-override 参数进行覆盖。
  • ExternalIP：通常是可以外部路由的 node IP 地址（从集群外可访问）。
  • InternalIP：通常是仅可在集群内部路由的 node IP 地址。
2、Condition

conditions 字段描述了所有 Running nodes 的状态。

condition

3、Capacity

描述 node 上的可用资源：CPU、内存和可以调度到该 node 上的最大 pod 数量。

4、Info

描述 node 的一些通用信息，例如内核版本、Kubernetes 版本（kubelet 和 kube-proxy 版本）、Docker 版本 （如果使用了）和系统版本，这些信息由 kubelet 从 node 上获取到。

使用 kubectl get node xxx -o yaml 可以看到 node 所有的状态的信息，其中 status 中的信息都是 kubelet 需要上报的，所以 kubelet 不止上报心跳信息还上报节点信息、节点 OOD 信息、内存磁盘压力状态、节点监控状态、是否调度等。

node 状态信息

二、kubelet 状态异常时的影响

如果一个 node 处于非 Ready 状态超过 pod-eviction-timeout的值(默认为 5 分钟，在 kube-controller-manager 中定义)，在 v1.5 之前的版本中 kube-controller-manager 会 force delete pod 然后调度该宿主上的 pods 到其他宿主，在 v1.5 之后的版本中，kube-controller-manager 不会 force delete pod，pod 会一直处于Terminating 或Unknown 状态直到 node 被从 master 中删除或 kubelet 状态变为 Ready。在 node NotReady 期间，Daemonset 的 Pod 状态变为 Nodelost，Deployment、Statefulset 和 Static Pod 的状态先变为 NodeLost，然后马上变为 Unknown。Deployment 的 pod 会 recreate，Static Pod 和 Statefulset 的 Pod 会一直处于 Unknown 状态。

当 kubelet 变为 Ready 状态时，Daemonset的pod不会recreate，旧pod状态直接变为Running，Deployment的则是将kubelet进程停止的Node删除，Statefulset的Pod会重新recreate，Staic Pod 会被删除。

三、kubelet 状态上报的实现

kubelet 有两种上报状态的方式，第一种定期向 apiserver 发送心跳消息，简单理解就是启动一个 goroutine 然后定期向 APIServer 发送消息。

第二中被称为 NodeLease，在 v1.13 之前的版本中，节点的心跳只有 NodeStatus，从 v1.13 开始，NodeLease feature 作为 alpha 特性引入。当启用 NodeLease feature 时，每个节点在“kube-node-lease”名称空间中都有一个关联的“Lease”对象，该对象由节点定期更新，NodeStatus 和 NodeLease 都被视为来自节点的心跳。NodeLease 会频繁更新，而只有在 NodeStatus 发生改变或者超过了一定时间(默认值为1分钟，node-monitor-grace-period 的默认值为 40s)，才会将 NodeStatus 上报给 master。由于 NodeLease 比 NodeStatus 更轻量级，该特性在集群规模扩展性和性能上有明显提升。本文主要分析第一种上报方式的实现。

kubernetes 版本 ：v1.13

kubelet 上报状态的代码大部分在 kubernetes/pkg/kubelet/kubelet_node_status.go 中实现。状态上报的功能是在 kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go#Run 方法以 goroutine 形式中启动的，kubelet 中多个重要的功能都是在该方法中启动的。

kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go#Run

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func (kl *Kubelet) Run(updates <-chan kubetypes.PodUpdate) {  
  	// ...
  	if kl.kubeClient != nil {
        // Start syncing node status immediately, this may set up things the runtime needs to run.
        go wait.Until(kl.syncNodeStatus, kl.nodeStatusUpdateFrequency, wait.NeverStop)
        go kl.fastStatusUpdateOnce()
				
	    // 一种新的状态上报方式
	    // start syncing lease
        if utilfeature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.NodeLease) {
            go kl.nodeLeaseController.Run(wait.NeverStop)
        }
    }
		// ...    
}

kl.syncNodeStatus 便是上报状态的，此处 kl.nodeStatusUpdateFrequency 使用的是默认设置的 10s，也就是说节点间同步状态的函数 kl.syncNodeStatus 每 10s 执行一次。

syncNodeStatus 是状态上报的入口函数，其后所调用的多个函数也都是在同一个文件中实现的。

kubernetes/pkg/kubelet/kubelet_node_status.go#syncNodeStatus

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func (kl *Kubelet) syncNodeStatus() {
    kl.syncNodeStatusMux.Lock()
    defer kl.syncNodeStatusMux.Unlock()

    if kl.kubeClient == nil || kl.heartbeatClient == nil {
        return
    }
    
    // 是否为注册节点
    if kl.registerNode {
        // This will exit immediately if it doesn't need to do anything.
        kl.registerWithAPIServer()
    }
    if err := kl.updateNodeStatus(); err != nil {
        klog.Errorf("Unable to update node status: %v", err)
    }
}

syncNodeStatus 调用 updateNodeStatus， 然后又调用 tryUpdateNodeStatus 来进行上报操作，而最终调用的是 setNodeStatus。这里还进行了同步状态判断，如果是注册节点，则执行 registerWithAPIServer，否则，执行 updateNodeStatus。

updateNodeStatus 主要是调用 tryUpdateNodeStatus 进行后续的操作，该函数中定义了状态上报重试的次数，nodeStatusUpdateRetry 默认定义为 5 次。

kubernetes/pkg/kubelet/kubelet_node_status.go#updateNodeStatus

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func (kl *Kubelet) updateNodeStatus() error {
    klog.V(5).Infof("Updating node status")
    for i := 0; i < nodeStatusUpdateRetry; i++ {
        if err := kl.tryUpdateNodeStatus(i); err != nil {
            if i > 0 && kl.onRepeatedHeartbeatFailure != nil {
                kl.onRepeatedHeartbeatFailure()
            }
            klog.Errorf("Error updating node status, will retry: %v", err)
        } else {
            return nil
        }
    }
    return fmt.Errorf("update node status exceeds retry count")
}

tryUpdateNodeStatus 是主要的上报逻辑，先给 node 设置状态，然后上报 node 的状态到 master。

kubernetes/pkg/kubelet/kubelet_node_status.go#tryUpdateNodeStatus

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func (kl *Kubelet) tryUpdateNodeStatus(tryNumber int) error {
	opts := metav1.GetOptions{}
	if tryNumber == 0 {
		util.FromApiserverCache(&opts)
	}
	
	// 获取 node 信息
	node, err := kl.heartbeatClient.CoreV1().Nodes().Get(string(kl.nodeName), opts)
	if err != nil {
		return fmt.Errorf("error getting node %q: %v", kl.nodeName, err)
	}

	originalNode := node.DeepCopy()
	if originalNode == nil {
		return fmt.Errorf("nil %q node object", kl.nodeName)
	}

	podCIDRChanged := false
	if node.Spec.PodCIDR != "" {
		if podCIDRChanged, err = kl.updatePodCIDR(node.Spec.PodCIDR); err != nil {
			klog.Errorf(err.Error())
		}
	}

	// 设置 node 状态
	kl.setNodeStatus(node)

	now := kl.clock.Now()
	if utilfeature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.NodeLease) && now.Before(kl.lastStatusReportTime.Add(kl.nodeStatusReportFrequency)) {
		if !podCIDRChanged && !nodeStatusHasChanged(&originalNode.Status, &node.Status) {
			kl.volumeManager.MarkVolumesAsReportedInUse(node.Status.VolumesInUse)
			return nil
		}
	}

    // 更新 node 信息到 master
	// Patch the current status on the API server
	updatedNode, _, err := nodeutil.PatchNodeStatus(kl.heartbeatClient.CoreV1(), types.NodeName(kl.nodeName), originalNode, node)
	if err != nil {
		return err
	}
	kl.lastStatusReportTime = now
	kl.setLastObservedNodeAddresses(updatedNode.Status.Addresses)
	// If update finishes successfully, mark the volumeInUse as reportedInUse to indicate
	// those volumes are already updated in the node's status
	kl.volumeManager.MarkVolumesAsReportedInUse(updatedNode.Status.VolumesInUse)
	return nil
}

tryUpdateNodeStatus 中调用 setNodeStatus 设置 node 的状态。setNodeStatus 会获取一次 node 的所有状态，然后会将 kubelet 中保存的所有状态改为最新的值，也就是会重置 node status 中的所有字段。

kubernetes/pkg/kubelet/kubelet_node_status.go#setNodeStatus

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func (kl *Kubelet) setNodeStatus(node *v1.Node) {
    for i, f := range kl.setNodeStatusFuncs {
        klog.V(5).Infof("Setting node status at position %v", i)
        if err := f(node); err != nil {
            klog.Warningf("Failed to set some node status fields: %s", err)
        }
    }
}

setNodeStatus 通过 setNodeStatusFuncs 方法覆盖 node 结构体中所有的字段，setNodeStatusFuncs 是在

NewMainKubelet(pkg/kubelet/kubelet.go) 中初始化的。

kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go#NewMainKubelet

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 func NewMainKubelet(kubeCfg *kubeletconfiginternal.KubeletConfiguration,
 		// ...
 		// Generating the status funcs should be the last thing we do,
    klet.setNodeStatusFuncs = klet.defaultNodeStatusFuncs()

    return klet, nil
}

defaultNodeStatusFuncs 是生成状态的函数，通过获取 node 的所有状态指标后使用工厂函数生成状态

kubernetes/pkg/kubelet/kubelet_node_status.go#defaultNodeStatusFuncs

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func (kl *Kubelet) defaultNodeStatusFuncs() []func(*v1.Node) error {
    // if cloud is not nil, we expect the cloud resource sync manager to exist
    var nodeAddressesFunc func() ([]v1.NodeAddress, error)
    if kl.cloud != nil {
        nodeAddressesFunc = kl.cloudResourceSyncManager.NodeAddresses
    }
    var validateHostFunc func() error
    if kl.appArmorValidator != nil {
        validateHostFunc = kl.appArmorValidator.ValidateHost
    }
    var setters []func(n *v1.Node) error
    setters = append(setters,
        nodestatus.NodeAddress(kl.nodeIP, kl.nodeIPValidator, kl.hostname, kl.hostnameOverridden, kl.externalCloudProvider, kl.cloud, nodeAddressesFunc),
        nodestatus.MachineInfo(string(kl.nodeName), kl.maxPods, kl.podsPerCore, kl.GetCachedMachineInfo, kl.containerManager.GetCapacity,
            kl.containerManager.GetDevicePluginResourceCapacity, kl.containerManager.GetNodeAllocatableReservation, kl.recordEvent),
        nodestatus.VersionInfo(kl.cadvisor.VersionInfo, kl.containerRuntime.Type, kl.containerRuntime.Version),
        nodestatus.DaemonEndpoints(kl.daemonEndpoints),
        nodestatus.Images(kl.nodeStatusMaxImages, kl.imageManager.GetImageList),
        nodestatus.GoRuntime(),
    )
    if utilfeature.DefaultFeatureGate.Enabled(features.AttachVolumeLimit) {
        setters = append(setters, nodestatus.VolumeLimits(kl.volumePluginMgr.ListVolumePluginWithLimits))
    }
    setters = append(setters,
        nodestatus.MemoryPressureCondition(kl.clock.Now, kl.evictionManager.IsUnderMemoryPressure, kl.recordNodeStatusEvent),
        nodestatus.DiskPressureCondition(kl.clock.Now, kl.evictionManager.IsUnderDiskPressure, kl.recordNodeStatusEvent),
        nodestatus.PIDPressureCondition(kl.clock.Now, kl.evictionManager.IsUnderPIDPressure, kl.recordNodeStatusEvent),
        nodestatus.ReadyCondition(kl.clock.Now, kl.runtimeState.runtimeErrors, kl.runtimeState.networkErrors, kl.runtimeState.storageErrors, validateHostFunc, kl.containerManager.  Status, kl.recordNodeStatusEvent),
        nodestatus.VolumesInUse(kl.volumeManager.ReconcilerStatesHasBeenSynced, kl.volumeManager.GetVolumesInUse),
        nodestatus.RemoveOutOfDiskCondition(),
        // TODO(mtaufen): I decided not to move this setter for now, since all it does is send an event
        // and record state back to the Kubelet runtime object. In the future, I'd like to isolate
        // these side-effects by decoupling the decisions to send events and partial status recording
        // from the Node setters.
        kl.recordNodeSchedulableEvent,
    )
    return setters
}

defaultNodeStatusFuncs 可以看到 node 上报的所有信息，主要有 MemoryPressureCondition、DiskPressureCondition、PIDPressureCondition、ReadyCondition 等。每一种 nodestatus 都返回一个 setters，所有 setters 的定义在 pkg/kubelet/nodestatus/setters.go 文件中。

对于二次开发而言，如果我们需要 APIServer 掌握更多的 Node 信息，可以在此处添加自定义函数，例如，上报磁盘信息等。

tryUpdateNodeStatus 中最后调用 PatchNodeStatus 上报 node 的状态到 master。

kubernetes/pkg/util/node/node.go#PatchNodeStatus

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// PatchNodeStatus patches node status.
func PatchNodeStatus(c v1core.CoreV1Interface, nodeName types.NodeName, oldNode *v1.Node, newNode *v1.Node) (*v1.Node, []byte, error) {
		// 计算 patch 
    patchBytes, err := preparePatchBytesforNodeStatus(nodeName, oldNode, newNode)
    if err != nil {
        return nil, nil, err
    }

    updatedNode, err := c.Nodes().Patch(string(nodeName), types.StrategicMergePatchType, patchBytes,       "status")
    if err != nil {
        return nil, nil, fmt.Errorf("failed to patch status %q for node %q: %v", patchBytes, nodeName, err)
    }
    return updatedNode, patchBytes, nil
}

在 PatchNodeStatus 会调用已注册的那些方法将状态把状态发给 APIServer。

四、总结

本文主要讲述了 kubelet 上报状态的方式及其实现，node 状态上报的方式目前有两种，本文仅分析了第一种状态上报的方式。在大规模集群中由于节点数量比较多，所有 node 都频繁报状态对 etcd 会有一定的压力，当 node 与 master 通信时由于网络导致心跳上报失败也会影响 node 的状态，为了避免类似问题的出现才有 NodeLease 方式，对于该功能的实现后文会继续进行分析。

参考：
https://www.qikqiak.com/post/kubelet-sync-node-status/
https://www.jianshu.com/p/054450557818
https://blog.csdn.net/shida_csdn/article/details/84286058
https://kubernetes.io/docs/concepts/architecture/nodes/