集群联邦（Cluster Federation）

什么是集群联邦

Kubernetes 从 1.8 版本起声称单集群最多可支持 5000 个节点和 15 万个 Pod，现在单集群规模已经可以更大。但在实际生产环境中，由于各种原因（如地理分布、故障隔离、合规要求等），我们往往需要部署多个集群，同时又希望能够统一管理这些集群，这就需要用到集群联邦（Federation）技术。

集群联邦是一种将多个 Kubernetes 集群统一管理的技术方案，它允许用户通过单一控制平面管理分布在不同地理位置、不同云服务提供商的多个 Kubernetes 集群。

使用集群联邦的原因

核心功能

Federation 通过提供两个主要功能来简化多集群管理：

• 跨集群资源同步：Federation 提供了在多个集群中保持资源同步的能力。例如，可以确保同一个 Deployment 在多个集群中存在。
• 跨集群服务发现：Federation 提供了自动配置 DNS 服务以及在所有集群后端上进行负载均衡的能力。例如，可以提供一个全局 VIP 或者 DNS 记录，通过它可以访问多个集群后端。

使用场景

Federation 还可以支持以下用例：

• 高可用性：通过在集群间分布负载并自动配置 DNS 服务和负载均衡，federation 最大限度地减少集群故障的影响。
• 避免厂商锁定：通过更简单的跨集群应用迁移方式，federation 可以防止集群厂商锁定。
• 地理分布：在不同地理位置部署服务，降低用户访问延迟。
• 合规要求：满足数据本地化等法规要求。

多集群的必要性

基于以下原因，你可能需要多个集群：

• 低延迟：通过在多个区域部署集群可以最大限度减少区域用户的延迟。
• 故障隔离：拥有多个小集群可能比单个大集群更利于故障隔离（例如：在云服务提供商的不同可用区中的多个集群）。
• 可伸缩性：虽然单个集群的可伸缩性限制对大多数用户不是问题，但某些场景下仍需要考虑。
• 混合云：你可以在不同的云服务提供商或本地数据中心中拥有多个集群。

注意事项

虽然 federation 有很多吸引人的使用案例，但也有一些需要考虑的问题：

• 网络开销：federation 控制平面需要监控所有集群以确保当前状态符合预期。如果集群分布在不同区域或云服务提供商，这将导致网络成本增加。
• 复杂性增加：引入 federation 会增加系统的复杂性，需要额外的运维和管理工作。
• 集群间依赖：federation 控制平面中的问题可能影响所有集群，需要谨慎设计以最小化风险。

集群规划策略

区域分布策略

在选择集群数量时，需要考虑以下因素：

1. 服务区域数量（R）：根据用户分布确定需要覆盖的地理区域数量
2. 容错能力（U）：确定可以同时承受多少个集群不可用
3. 负载均衡策略：是否允许跨区域流量调度

根据这些因素，推荐的集群数量为：

• 允许跨区域流量：至少 max(R, U+1) 个集群
• 不允许跨区域流量：至少 R × (U+1) 个集群

单集群范围建议

对于单个集群的部署，建议：

• 同可用区部署：将集群中的所有虚拟机部署在同一可用区，以减少单点故障和网络延迟
• 合理的集群规模：虽然 Kubernetes 支持大规模集群，但要根据实际需求和运维能力确定合适的规模
• 安全隔离：对于有严格安全要求的工作负载，考虑部署独立的集群

Kubernetes 集群联邦的发展历程

Federation v1 的问题

最初的 Federation v1 重用了 Kubernetes API 来降低用户的学习成本，但这种方式存在以下问题：

• 实现复杂：在集群层面重新实现 Kubernetes API 非常困难，特定扩展只能存储在注释中
• 灵活性有限：由于完全仿照 Kubernetes API，在类型定义、资源放置和调节方面缺乏灵活性
• 成熟度问题：API 成熟度不一致，很多功能长期处于 Alpha 状态

Federation v2 的改进

为了解决 v1 的问题，社区开发了 Federation v2（也称为 KubeFed），主要改进包括：

• 专用 API 设计：采用 Federation 特定的 API 架构，而不是完全仿照 Kubernetes API
• 模块化设计：支持联邦任意 Kubernetes 资源，包括 CRD
• 灵活的资源管理：通过 Template、Placement 和 Override 机制实现灵活的资源分发

项目归档

由于多集群管理需求的多样性和复杂性，以及社区对不同解决方案的分歧，Kubefed 项目最终于 2023 年归档。这并不意味着多集群管理需求的消失，而是为新的、更专业化的解决方案让路。

Federation v2 架构概览

虽然项目已归档，但了解其设计理念仍有价值。

核心组件

Federation v2 通过 CRD 机制新增了四种 API 组：

集群配置

Federation 区分两种类型的集群：

• Host 集群：提供 KubeFed API 和控制平面的集群
• Member 集群：通过 KubeFed API 注册的集群，Host 集群也可以作为 Member 被管理

资源管理模型

Federated 资源具备三个主要组成部分：

apiVersion: types.kubefed.k8s.io/v1beta1
kind: FederatedDeployment
metadata:
  name: test-deployment
  namespace: test-namespace
spec:
  template:    # 定义资源模板
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      # Deployment 规格
  placement:   # 定义部署位置
    clusters:
    - name: cluster1
    - name: cluster2
  overrides:   # 定义集群特定配置
  - clusterName: cluster2
    clusterOverrides:
    - path: spec.replicas
      value: 5

• Template：定义要部署的 Kubernetes 资源的标准模板
• Placement：指定资源要部署到哪些集群
• Override：为特定集群定义配置覆盖

副本调度

通过 ReplicaSchedulingPreference（RSP）实现智能的副本分发：

apiVersion: scheduling.kubefed.k8s.io/v1alpha1
kind: ReplicaSchedulingPreference
metadata:
  name: test-deployment
  namespace: test-ns
spec:
  targetKind: FederatedDeployment
  totalReplicas: 15 
  clusters: 
    "*":
      weight: 2
      maxReplicas: 12
    ap-northeast:
      minReplicas: 1
      maxReplicas: 3
      weight: 1

多集群 DNS

支持跨集群的服务发现和 DNS 管理：

现代多集群管理方案

虽然 Kubefed 已归档，但多集群管理的需求依然存在。目前的主流方案包括：

服务网格方案

• Istio 多集群：通过 Istio 实现跨集群服务发现和流量管理
• Linkerd 多集群：轻量级的跨集群连接方案

专业化工具

• Submariner：专注于网络连接的多集群方案
• Admiral：基于 Istio 的多集群流量管理
• Liqo：动态的多集群资源共享

云厂商方案

• Google Anthos：Google 的混合云和多云管理平台
• AWS EKS Anywhere：AWS 的边缘和本地部署方案
• Azure Arc：Microsoft 的混合云管理方案

参考资料

• Kubernetes Federation v2 归档公告
• Kubernetes Federation Evolution
• SIG Multicluster
• 多集群管理最佳实践