初识 Kubernetes API 的组织结构

话说自己入坑云原生也有好几年了，但是对 kubernetes 基础认识却不够深，导致写代码的时候经常需要打开 godoc 或者 kubernetes 源码查看某个接口或者方法的定义。这种快餐式的消费代码方式可以解决常见的问题，但有时候却会被一个简单的问题困扰很久。究其原因，还是没有对 kubernetes 有比较系统的学习，特别对于 kubernetes API 的设计与原理没有较为深入的认识，这也是我们平时扩展 kubernetes 功能绕不开的话题。与此同时，这也是很难讲清楚的一个话题，是因为 kubernetes 经过多个版本的迭代功能已经趋于成熟与复杂，这一点也可以从 Github 平台 kubernetes 组织下的多个仓库也可以看得出来，相信很多人和我一样，看到 kubernetes、client-go、api、apimachinery 等仓库就不知道如何下手。事实上，从 API 入手是比较简单的做法，特别是我们对于 kubernetes 核心组件的功能有了一定的了解之后。

接下来的几篇笔记，我将由浅入深地学习 kubernetes API 的设计以及背后的原理。我的计划是这样的：

1. 初识 kubernetes API 的组织结构
2. 深入 kubernetes API 的源码实现
3. 扩展 kubernetes API 的典型方式

废话不多说，我们先来认识一下 kubernetes API 的基础结构以及背后的设计原理。

API-Server

我们知道 kubernetes 控制层面的核心组件包括 API-Server、 Controller Manager、Scheduler，其中 API-Server 对内与分布式存储系统 etcd 交互实现 kubernetes 资源（例如 pod、namespace、configMap、service 等）的持久化，对外提供通过 RESTFul 的形式提供 kubernetes API^[1] 的访问接口，除此之外，它还负责 API 请求的认证(authN)^[2]、授权(authZ)^[3]以及验证^[4]。刚提到的“对外”是相对的概念，因为除了像 kubectl 之类的命令行工具之外，kubernetes 的其他组件也会通过各种客户端库来访问 kubernetes API，关于官方提供的各种客户端库请查看 client-libraries 列表^[5]，其中最典型的是 Go 语言的客户端库 client-go^[6]。

API-Server 是 kubernetes 控制层面中唯一一个与 etcd 交互的组件，kubernetes 的其他组件都要通过 API-Server 来更新集群的状态，所以说 API-Server 是无状态的；当然也可以创建多个 API-Server 的实例来实现容灾。API-Server 通过配合 controller 模式来实现声明式的 API 管理 kubernetes 资源。

既然我们知道了 API-Server 的主要职责是提供 kubernetes 资源的 RESTFul API，那么客户端怎么去请求 kubernetes 资源， API-Server 怎么去组织这些 kubernetes 资源呢？

GVK vs GVR

Kubernetes API 通过 HTTP 协议以 RESTful 的形式提供，API 资源的序列化方式主要是以 JSON 格式进行，但为了内部通信也支持 Protocol Buffer 格式。为了方便扩展与演进，kubernetes API 支持分组与多版本，这体现在不同的 API 访问路径上。有了分组与多版本支持，即使要在新版本中去掉 API 资源的特定字段或者重构 API 资源的展现形式，也可以保证版本之间的兼容性。

API-group

将整个 kubernetes API 资源分成各个组，可以带来很多好处：

• 各组可以单独打开或者关闭^[7]
• 各组可以有独立的版本，在不影响其他组的情况下单独向前衍化
• 同一个资源可以同时存在于多个不同组中，这样就可以同时支持某个特定资源稳定版本与实验版本

关于 kubernetes API 资源的分组信息可以在序列化的资源定义中有所体现，例如：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: example-deploy
spec:
...

其中 apiVersion 字段中 apps 即为 Deployment 资源的分组，实际上，Deployment 不止出现在 apps 分组里，也出现在 extensions 分组中，不同的分组可以实验不同的特性；另外，kubernetes 中的核心资源如 pod、namespace、configmap、node、service 等存在于 core 分组中，但是由于历史的原因，core 不出现在 apiVersion 字段中，例如以下定义一个 pod 资源的序列化对象：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: example-pod
  labels:
    app: exp
...

API 分组也体现在访问资源的 RESTful API 路径上，core 组中的资源访问路径一般为 /api/$VERSION，其他命名组的资源访问路径则是 /apis/$GROUP_NAME/$VERSION，此外还有一些系统级别的资源，如集群指标信息 /metrics，以上这些就基本构成了 kubernetes API 的树结构：

API-version

为了支持独立的演进，kubernetes API 也支持不同的版本，不同的版本代表不同的成熟度。注意，这里说的是 API 而非资源支持多版本。因为多版本支持是针对 API 级别，而不是特定的资源或者资源的字段。一般来说，我们根据 API 分组、资源类型、namespace 以及 name 来区分不同的资源对象，对于同一个资源对象的不同版本，API-Server 负责不同版本之间的无损切换，这点对于客户端来说是完全透明的。事实上，不同版本的同类型的资源在持久化层的数据可能是相同的。例如，对于同一种资源类型支持 v1 和 v1beta1 两个 API 版本，以 v1beta1 版本创建该资源的对象，后续可以以v1 或者 v1beta1 来更新或者删除该资源对象。

API 多版本支持一般通过将资源分组置于不同的版本中来实现，例如，batch 同时存在 v2alph1 与 v1 版本。一般来说，新的资源分组先出现 v1alpha1 版本，随着稳定性的提高被推进到 v1beta1 ，最后从 v1 版本毕业。

随着新的用户场景出现，kubernetes API 需要不断变化，可能是新增一个字段，也可能是删除旧的字段，甚至是改变资源的展现形式。为了保证兼容性，kubernetes 制定了一系列的策略^[8]。总的来说，对于已经 GA 的 API，API，kubernetes 严格维护其兼容性，终端用户可以放心食用，beta 版本的 API 则尽量维护，保证不打破版本跨版本之间的交互，而对于 alpha 版本的 API 则很难保证兼容性，不太推荐生产环境使用。

GVK 与 GVR 映射

在 kubernetes API 宇宙中，我们经常使用属于 GVK 或者 GVR 来区分特定的 kubernetes 资源。其中 GVK 是 Group Version Kind 的简称，而 GVR 则是 Group Version Resource 的简称。

通过上面对于 kubernetes API 分组和多版本的介绍中我们已经了解了 Group 与 Version，那么 Kind 与 Resource 又分别是指什么呢？

Kind 是 API “顶级”资源对象的类型，每个资源对象都需要 Kind 来区分它自身代表的资源类型，例如，对于一个 pod 的例子：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: example-pod
  labels:
    app: exp
...

其中 kind 字段即代表该资源对象的类型。一般来说，在 kubernetes API 中有三种不同的 Kind：

1. 单个资源对象的类型，最典型的就是刚才例子中提到的 Pod
2. 资源对象的列表类型，例如 PodList 以及 NodeList 等
3. 特殊类型以及非持久化操作的类型，很多这种类型的资源是 subresource， 例如用于绑定资源的 /binding、更新资源状态的 /status 以及读写资源实例数量的 /scale

需要注意的是，同 Kind 不止可以出现在同一分组的不同版本中，如 apps/v1beta1 与 apps/v1，它还可能出现在不同的分组中，例如 Deployment 开始以 alpha 的特性出现在 extensions 分组，GA 之后被推进到 apps 组，所以为了严格区分不同的 Kind，需要组合 API Group、API Version 与 Kind 成为 GVK。

Resource 则是通过 HTTP 协议以 JSON 格式发送或者读取的资源展现形式，可以以单个资源对象展现，例如 .../namespaces/default，也可以以列表的形式展现，例如 .../jobs。要正确的请求资源对象，API-Server 必须知道 apiVersion 与请求的资源，这样 API-Server 才能正确地解码请求信息，这些信息正是处于请求的资源路径中。一般来说，把 API Group、API Version 以及 Resource 组合成为 GVR 可以区分特定的资源请求路径，例如 /apis/batch/v1/jobs 就是请求所有的 jobs 信息。

GVR 常用于组合成 RESTful API 请求路径。例如，针对应用程序 v1 部署的 RESTful API 请求如下所示：

GET /apis/apps/v1/namespaces/{namespace}/deployments/{name}

通过获取资源的 JSON 或 YAML 格式的序列化对象，进而从资源的类型信息中可以获得该资源的 GVK；相反，通过 GVK 信息则可以获取要读取的资源对象的 GVR，进而构建 RESTful API 请求获取对应的资源。这种 GVK 与 GVR 的映射叫做 RESTMapper。Kubernetes 定义了 RESTMapper 接口^[9]并带默认带有实现 DefaultRESTMapper^[10]。

关于 kubernetes API 的详细规范请参考 API Conventions^[11]

如何储存

经过上一章节的研究，我们已经知道了 kubernetes API 的组织结构以及背后的设计原理，那么，Kubernetes API 的资源对象最终是怎么提供可靠存储的。之前也提到了 API-Server 是无状态的，它需要与分布式存储系统 etcd^[12] 交互来实现资源对象的持久化操作。从概念上讲，etcd 支持的数据模型是键值（key-value）存储。在 etcd2 中，各个 key 是以层次结构存在，而在 etcd3 中这个就变成了平级模型，但为了保证兼容性也保持了层次结构的方式。

在 Kubernetes 中 etcd 是如何使用的呢？实际上，前面也提到了，etcd 被部署为独立的部分，甚至多个 etcd 可以组成集群，API-Server 负责与 etcd 交互来完成资源对象的持久化。从 1.5.x 之后，Kubernetes 开始全面使用 etcd3。可以在 API-Server 的相关启动项参数中配置使用 etcd 的方式：

$ kube-apiserver -h
...
Etcd flags:

      --etcd-cafile string
                SSL Certificate Authority file used to secure etcd communication.
      --etcd-certfile string
                SSL certification file used to secure etcd communication.
      ...
      --etcd-keyfile string
                SSL key file used to secure etcd communication.
      --etcd-prefix string
                The prefix to prepend to all resource paths in etcd. (default "/registry")
      ...
      --storage-backend string
                The storage backend for persistence. Options: 'etcd3' (default).
      --storage-media-type string
                The media type to use to store objects in storage. Some resources or storage backends may only support a specific media type and will ignore this setting. (default
                "application/vnd.kubernetes.protobuf")
...

Kubernetes 资源对象是以 JSON 或 Protocol Buffers 格式存储在 etcd 中，这可以通过配置 kube-apiserver 的启动参数 --storage-media-type 来决定想要序列化数据存入 etcd 的格式，默认情况下为 application/vnd.kubernetes.protobuf 格式；另外也可以通过配置 --storage-versions 启动参数来配置每个 API 分组的资源对象的持久化存储的默认版本号。

下面通过一个简单的例子来看，创建一个 pod，然后使用 etcdctl 工具来查看存储在 etcd 中数据：

$ cat << EOF | kubectl create -f -
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: webserver
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    ports:
    - containerPort: 80
EOF
pod/webserver created
$ etcdctl --endpoints=$ETCD_URL \
  --cert /etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
  --key /etc/kubernetes/pki/etcd/server.key \
  --cacert /etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
  get /registry/pods/default/webserver --prefix -w simple
/registry/pods/default/webserver
...
10.244.0.5"

使用各种客户端工具创建资源对象到然后存储到 etcd 的流程大致如下图所示：

1. 客户端工具（例如 kubectl）提供一个期望状态的资源对象的序列化表示，该例子使用 YAML 格式提供
2. kubectl 将 YAML 转换为 JSON 格式，并发送给 API-Server
3. 对应同类型对象的不同版本，API-Server 执行无损转换。对于老版本中不存在的字段则存储在 annotations 中
4. API-Server 将接收到的对象转换为规范存储版本，这个版本由 API-Server 启动参数指定，一般是最新的稳定版本
5. 最后将资源对象通过 JSON 或 protobuf 方式解析并通过一个特定的 key 存入 etcd 当中

上面提到的无损转换是如何进行的？下面使用 Kubernetes 资源对象对象 Horizontal Pod Autoscaling (HPA) 来举例说明：

$ kubectl proxy --port=8080 &
$ cat << EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: webserver
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: webserver
  template:
    metadata:
      labels:
        app: webserver
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx
          ports:
            - containerPort: 80
EOF
$ kubectl autoscale deployment webserver --min=2 --max=5 --cpu-percent=80
$ curl http://127.0.0.1:8001/apis/autoscaling/v2beta1/namespaces/default/horizontalpodautoscalers/webserver > hpa-v2beta1.json
$ curl http://127.0.0.1:8001/apis/autoscaling/v2beta2/namespaces/default/horizontalpodautoscalers/webserver > hpa-v2beta2.json
$ diff hpa-v2beta1.json hpa-v2beta2.json
3c3
<   "apiVersion": "autoscaling/v2beta1",
---
>   "apiVersion": "autoscaling/v2beta2",
42c42,45
<           "targetAverageUtilization": 80
---
>           "target": {
>             "type": "Utilization",
>             "averageUtilization": 80
>           }

通过上面命令的输出能够看出，即使 HorizontalPodAutoscale 的版本从 v2beta1 变为了 v2beta2，API-Server 也能够在不同的版本之前无损转换，不论在 etcd 中实际存的是哪个版本。实际上，API-Server 将所有已知的 Kubernetes 资源类型保存在名为 Scheme 的注册表（registry）中。在此注册表中，定义了每种 Kubernetes 资源的类型、分组、版本以及如何转换它们，如何创建新对象，以及如何将对象编码和解码为 JSON 或 protobuf 格式的序列化形式。

参考资料

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