Kubernetes的原生多租户解决方案

Kubernetes的原生多租户解决方案

Kubernetes提供一系列原生Kubernetes API与资源，用于帮助在单一集群内建立起多租户体系。下面，我们将介绍如何在计算、网络以及存储方面实现多租户资源隔离。

计算隔离

Kubernetes说明文档中将命名空间定义为“一种在多个用户之间分配集群资源的方法”，这也使其成为多租户机制的基础。大多数Kubernetes资源对象都属于一个命名空间。在下图中，我们定义了两个命名空间，每个命名空间各自运行一组彼此隔离的资源对象。

虽然K8S中并没有租户这样的概念，命名空间本身也不提供工作负载或用户的隔离，但是K8S除了以命名空间作为基础的资源隔离单位，还提供了基于 RBAC 的权限管理方式：RBAC用于定义谁能够在Kubernetes API上执行的操作。这种授权机制可以通过ClusterRole作用于整个集群，也可以通过Role作用于某个命名空间。例如，我们可以定义一个名为namespace1-admin的角色，该角色负责为管理员提供对namespace1命名空间的访问权限，同时将其与名为admin-ns1的组关联起来，具体操作代码如下：

kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: namespace1-admin
  namespace: namespace1
rules:
- apiGroups: ["", "extensions", "apps"]
  resources: ["*"]
  verbs: ["*"]
- apiGroups: ["batch"]
  resources:
  - jobs
  - cronjobs
  verbs: ["*"]
---
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: admins-ns1-rb
  namespace: namespace1
subjects:
- kind: Group
  name: admins-ns1
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: namespace1-admin
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

Amazon EKS通过AWS IAM Authenticator for Kubernetes提供RBAC与IAM的集成功能，可以将IAM用户与角色映射至RBAC组。RBAC是Kubernetes的核心组件，负责控制其他隔离层的权限。我们将在后文中详细讨论。

Kubernetes允许用户对Pod的CPU与内存资源配额做出定义与限制。为了避免节点上发生资源争用，同时改善调度程序的资源分配，开发人员应始终设置资源配额。ResourceQuota资源配额允许用户定义和限制一个命名空间中可以使用的Kubernetes资源或对象的数量。从计算资源的角度来看，用户可以通过资源配额以原生方式定义CPU与内存限制，示例如下：

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: mem-cpu-demo
  namespace: namespace1
spec:
  hard:
    requests.cpu: "1"
    requests.memory: 1Gi
    limits.cpu: "2"
    limits.memory: 2Gi

使用资源配额，可以为工作负载分配有限的资源，防止租户之间相互干扰。我们还可以通过Limit Ranges定义每个Pod甚至是容器的默认、最小与最大请求及其限制条件。

租户资源也应该保证与基础设施节点实例之间的隔离。Kubernetes Pod安全策略（PSP）是集群级的Pod安全策略，自动为集群内的Pod和Volume设置Security Context。Pod Security Policy定义了一系列Pod在系统中运行必须满足的约束条件,以及一些默认的约束值。这要求负责构建多租户集群的管理员通过PSP的Privileged确定Pod中是否可以启用特权模式。通过HostNetwork控制容器是否可以使用所在节点的网络名称空间，防止Pod访问回环设备和潜在的监听网络邻居的活动。自1.13版本起，Amazon EKS正式支持PSP，关于更多详细信息，请参阅AWS开源博客。

Kubernetes还提供多种Pod调度方案，在调度的时候考虑Pod与Pod之间的关系，而不只是Pod与Node的关系。例如，Pod Anti-Affinity允许用户使用以下设置保证带有特定标签的Pod不会被部署在同一节点之上：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  namespace: namespace1
  name: workload-1
  labels:
    team: "team-1"
spec:
  affinity:
    podAntiAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
        namespaces:
          - shared-services
        labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: "type"
            operator: In
            values: ["monitoring"]

在这里，namespace1中带有team: team-1标签的各Pod不会与在shared-services命名空间中拥有monitoring标签类型的Pod被部署在同一节点之上，这是为了防止业务应用与监控应用之间发生干扰。这里还有几点需要注意。首先，为了实现这项功能，我们需要保证在适当的工作负载上应用适当的标签。第二，这类配置可能提高大规模维护工作的难度，因为随着要求的增加与Pod量的提升，过度复杂的调度要求可能导致某些Pod找不到合适的部署节点。最后，Pod亲和性与反亲和性设定会给控制平面带来更高的工作压力，这里不建议大家在包含数百个节点甚至规模更大的集群当中使用。与此类似，我们可以使用nodeSelectors与nodeAffinity将Pod分配给特定节点。

但如果我们希望在调度Pod的时候排除某些节点，让这些节点只在特殊指定时使用，又该怎么办？这种情况就需要使用“污点（taint）和容忍（toleration）”的功能。在示例中，集群管理员可以使用以下节点组配置文件在EKS上创建专有的工作节点组，用于监控及管理工作负载：

apiVersion: eksctl.io/v1alpha5
kind: ClusterConfig
metadata: 
  name: dev-cluster
  region: eu-west-1
nodeGroups:
  - name: ng-monitoring
    instanceType: c5.8xlarge
    desiredCapacity: 2
    taints:
      monitoring: "true:NoSchedule"

通过使用污点，Kubernetes调度系统会避免调度不容忍这种污点的Pod到带有此污点标记的节点上。

另一种方式则是在EKS上使用AWS Fargate。Fargate在VM隔离的环境中运行每个Pod，而无需与其他Pod共享资源。从而消除了创建或管理EC2实例节点的需求。

网络隔离

在默认情况下，Pod可以在同一集群的网络上跨不同的命名空间实现通信。Kubernetes提供相应的网络策略，允许用户以细粒度方式定义并控制Pod之间的通信。网络策略的具体实现，由网络插件负责完成。在默认EKS集群当中，Pod到Pod间网络则被委派给Amazon VPC CNI插件实现，VPC CNI插件通过支持Calico来实现Kubernetes的网络策略。假设我们需要根据命名空间对各个租户进行隔离，则可以使用以下网络策略确保各租户只能在所在命名空间namespace1之内进行网络通信（换句话说，拒绝该集群之内不同命名空间之间的相互通信）：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-np-ns1
  namespace: namespace1
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress
  ingress:
  - from:
    - namespaceSelector:
        matchLabels:
          nsname: namespace1
  egress:
  - to:
    - namespaceSelector:
        matchLabels:
          nsname: namespace1

网络策略还提供更多高级配置，可用于限制多租户集群上的通信。关于更多快速入门以及环境设置指南，请参阅Amazon EKS说明文档中的相关内容。

我们还可以通过服务网格定义更多的保护机制，甚至可以将保护机制扩展到单一EKS集群之外。Istio是一个非常流行的开源服务网格技术，可提供流量管理、安全保护与可观察性等多种功能。Istio团队在相关博文中讨论了如何在多租户集群中部署Istio的详细信息。EKS Workshop还提供关于在EKS上设置Istio的快速入门教程。用户可以使用Istio在不同的网络层内实施对应的身份验证与授权策略。例如，大家可以将用于控制L3/L4网络流量的网络策略与L7层上基于JWT的令牌身份验证结合起来，更好地控制来自不同租户的服务间的通信方式。

AWS App Mesh是一种AWS提供的全托管服务网格，AWS App Mesh以Envoy为基础，实现了服务网格控制平面的全面托管，为客户提供了运行在AWS中应用程序的各项服务之间统一的可见性和网络流量控制的能力。关于App Mesh的实际效果，大家可以参考Amazon EKS快速入门中的相关测试。

存储隔离

在使用共享集群时，不同的租户可能需要不同的存储资源类型。Kubernetes提供不同的工具用于管理存储资源。其中最重要的当数Volume，它能够以持久性形式将存储资源接入Pod并管理存储资源的整个生命周期。正如前文“计算”部分所述，这里我们不建议直接挂载由节点提供的存储卷（大家最好在配合PSP的多租户设计中直接禁用掉对本地存储卷的访问）。下面，我们将向大家介绍PersistentVolume(PV)子系统的一些关键功能及其与PersistentVolumeClaim (PVC)的关系。

PersistentVolume（PV）是集群中由管理员配置的网络存储。它是集群中的资源，

，StorageClass也是如此。集群管理员实际上是以集中方式对可用的存储驱动程序、配置以及操作方式做出定义。在Amazon EKS中提供了不同的开箱即用的Storage Classes实现，具体包括Amazon EBS（既作为树内插件，又可作为CSI插件）、Amazon EFS以及FSx for Lustre。而PVC则允许用户根据存储类中的要求为Pod请求存储卷。PVC被定义为一个命名空间资源，并由此对租户的存储访问操作进行控制。管理员可以使用存储资源配额定义属于特定命名空间的存储类。例如，要在命名空间namespace1当中禁用对storagens2存储类的使用，则可按照以下方式使用ResourceQuota：

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: storage-ns1
  namespace: namespace1
spec:
  hard:
    storagens2.storageclass.storage.k8s.io/requests.storage: 0

多集群间隔离

在实现多租户方面，另外一种可行的选项是使用多个只包含单一租户的Amazon EKS集群。通过这种策略，每个租户都可以在共享AWS账户（或者专供大型企业使用的专有账户）之内拥有只属于自己的Kubernetes集群。

每个集群既可以自行配置，也可以由运维管理团队统一提供，并部署标准化配置。如果选择后一种方法，那么运维管理团队需要高度关注两个问题：集群配置和多集群监控。

客户在使用Amazon EKS托管的控制平面的同时，可能还希望在新建集群上采用统一的配置标准。在这种情况下，Terraform可以与Kubernetes Provider一起配合使用，保证以自动化方式部署前文提到的PSP或网络策略。注意：EKS在每个区域内单一账户中设定了100个EKS集群的配额上限，但大家也可以根据需求进行更改。

在集群部署完成之后，我们可能还需要对所有已部署的多个集群进行审查，监控各租户运行状况、保证目前运行的EKS控制平面为最新版本且运行情况良好。Rancher是一款流行的开源工具，可用于管理多Kubernetes集群，这里建议大家参考开源博客上的讲解文章以了解Rancher部署与使用方面的详细信息。

总结