OpenKruise ：SidecarSet 助力 Mesh 容器热升级

作者｜ 赵明山（立衡）
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前言

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OpenKruise 是阿里云开源的云原生应用自动化管理套件，也是当前托管在 Cloud Native Computing Foundation ( CNCF ) 下的 Sandbox 项目。它来自阿里巴巴多年来容器化、云原生的技术沉淀，是阿里内部生产环境大规模应用的基于 Kubernetes 之上的标准扩展组件，也是紧贴上游社区标准、适应互联网规模化场景的技术理念与最佳实践。
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OpenKruise 在 2021.5.20 发布了最新的 v0.9.0版本（ ChangeLog ），上一篇文章我们介绍了新增 Pod 重启、删除防护等重磅功能，今天向大家介绍另一个核心特性，即 SidecarSet 基于上一个版本扩展了特别针对 Service Mesh 场景的支持。
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背景：如何独立升级 Mesh 容器

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SidecarSet 是 Kruise 提供的独立管理 Sidecar 容器的 workload。用户通过 SidecarSet 能够便利的完成对 Sidecar 容器的自动注入和独立升级，详情请参考：OpenKruise 官网
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默认情况下，Sidecar 的独立升级顺序是先停止旧版本的容器，然后再创建新版本的容器。这种方式尤其适合不影响 Pod 服务可用性的 Sidecar 容器，例如日志收集 agent ，但是对于很多代理或运行时的 Sidecar 容器，如 Istio Envoy，这种升级方法就有问题了。Envoy 作为 Pod 中的一个 Proxy 容器代理了所有的流量，这种场景下如果直接重启升级，Pod 服务的可用性必然会受到影响，因此需要考虑应用自身的发布和容量情况，无法完全独立于应用做 Sidecar 的发布。
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阿里巴巴集团内部拥有上万的 Pod 都是基于 Service Mesh 来实现相互间的通信，由于 Mesh 容器升级会导致业务 Pod 的不可用，因而 Mesh 容器的升级将会极大阻碍 Service Mesh 的迭代。针对这种场景，我们同集团内部的 Service Mesh 团队一起合作实现了 Mesh 容器的热升级能力。本文将重点介绍在实现 mesh 容器热升级能力的过程中 SidecarSet 是扮演了怎样的重要角色。
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SidecarSet 助力 Mesh 容器无损热升级

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Mesh 容器不能像日志采集类容器直接原地升级，其原因在于：Mesh 容器必须要不间断地对外提供服务，而独立升级方式会导致 Mesh 服务存在一段不可用时间。虽然社区中已有一些知名的 Mesh 服务如 Envoy 、Mosn 等默认能够提供平滑升级的能力，但是这些升级方式无法与云原生进行恰当地结合，且 kubernetes 本身也缺乏对此类 Sidecar 容器的升级方案。
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OpenKruise SidecarSet 为此类 Mesh 容器提供了 Sidecar 热升级机制，能够通过云原生的方式助力 Mesh 容器实现无损热升级。

apiVersion: apps.kruise.io/v1alpha1
kind: SidecarSet
metadata:
  name: hotupgrade-sidecarset
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: hotupgrade
  containers:
    - name: sidecar
      image: openkruise/hotupgrade-sample:sidecarv1
      imagePullPolicy: Always
      lifecycle:
        postStart:
          exec:
            command:
              - /bin/sh
              - /migrate.sh
      upgradeStrategy:
        upgradeType: HotUpgrade
        hotUpgradeEmptyImage: openkruise/hotupgrade-sample:empty

• upgradeType : HotUpgrade 代表该 sidecar 容器的类型是 Hot upgrade ，即热升级方案。
• HotUpgradeEmptyImage : 当热升级 Sidecar 容器时，业务须要提供一个 empty 容器用于热升级过程中的容器切换。Empty 容器同 Sidecar 容器具有相同的配置（镜像地址除外），例如 command , lifecycle , probe 等。

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SidecarSet 热升级机制主要包含注入热升级 Sidecar 容器和 Mesh 容器平滑升级两个过程。
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注入热升级 Sidecar 容器

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针对热升级类型的 Sidecar 容器，在 Pod 创建时 SidecarSet Webhook 将会注入两个容器：
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• {Sidecar.name} -1: 如下图所示 envoy -1，这个容器代表正在实际工作的 sidecar 容器，例如：envoy :1.16.0
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• {Sidecar.name} -2: 如下图所示 envoy-2，这个容器是业务提供的 HotUpgradeEmptyImage 容器，例如：empty :1.0

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上述 Empty 容器在 Mesh 容器运行过程中，并没有做任何实际的工作。
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Mesh 容器平滑升级

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热升级流程主要分为一下三个步骤：
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1. Upgrade: 将 Empty 容器替换为最新版本的 Sidecar 容器，例如：envoy-2.Image = envoy:1.17.0
2. Migration : 执行 Sidecar 容器的 PostStartHook 脚本，完成 mesh 服务的平滑升级
3. Reset: Mesh 服务平滑升级后，将老版本 Sidecar 容器替换为 Empty 容器，例如：envoy-1.Image = empty : 1.0

仅需上述三个步骤即可完成热升级中的全部流程，若对 Pod 执行多次热升级，则重复执行上述三个步骤即可。
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Migration 核心逻辑

SidecarSet 热升级机制不仅完成了 Mesh 容器的切换，并且提供了新老版本的协调机制（ PostStartHook ），但是至此还只是万里长征的第一步，Mesh 容器同时还需要提供 PostSartHook 脚本来完成 Mesh 服务自身的平滑升级（上述 Migration 过程），如：Envoy 热重启、Mosn 无损重启。
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Mesh 容器一般都是通过监听固定端口来对外提供服务，此类 Mesh 容器的migration 过程可以概括为：通过 UDS 传递 ListenFD 和停止 Accpet 、开始排水。针对不支持热重启的 Mesh 容器可以参考此过程完成改造，逻辑图如下：
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热升级 Migration Demo

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不同 Mesh 容器对外提供的服务以及内部实现逻辑各有差异，进而具体的 Migration也有所不同，上述逻辑只是对其中一些要点做了一些总结，希望能对有需要的各位有所裨益，同时在 Github 上面我们也提供了一个热升级 Migration Demo 以供参考，下面将对其中的一些关键代码进行介绍。
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1. 协商机制
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Mesh 容器启动逻辑首先就需要判断第一次启动还是热升级平滑迁移过程，为了减少Mesh 容器沟通成本，Kruise 在两个 sidecar 容器中注入了两个环境变量 SIDECARSET_VERSION 和 SIDECARSET_VERSION_ALT ，通过判断两个环境变量的值来判断是否是热升级过程以及当前 sidecar 容器是新版本还是老版本。
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// return two parameters:
// 1. (bool) indicates whether it is hot upgrade process
// 2. (bool ) when isHotUpgrading=true, the current sidecar is newer or older
func isHotUpgradeProcess() (bool, bool) {
    // 当前sidecar容器的版本
    version := os.Getenv("SIDECARSET_VERSION")
    // 对端sidecar容器的版本
    versionAlt := os.Getenv("SIDECARSET_VERSION_ALT")
    // 当对端sidecar容器version是"0"时，表明当前没有在热升级过程
    if versionAlt == "0" {
        return false, false
    }
    // 在热升级过程中
    versionInt, _ := strconv.Atoi(version)
    versionAltInt, _ := strconv.Atoi(versionAlt)
    // version是单调递增的int类型，新版本的version值会更大
    return true, versionInt > versionAltInt
}

2. ListenFD 迁移
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通过 Unix Domain Socket 实现 ListenFD 在不同容器间的迁移，此步同样也是热升级中非常关键的一步，代码示例如下：
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// 为了代码的简洁，所有的失败都将不捕获

/* 老版本sidecar通过Unix Domain Socket迁移ListenFD到新版本sidecar */
// tcpLn *net.TCPListener
f, _ := tcpLn.File()
fdnum := f.Fd()
data := syscall.UnixRights(int(fdnum))
// 与新版本sidecar容器通过 Unix Domain Socket建立链接
raddr, _ := net.ResolveUnixAddr("unix", "/dev/shm/migrate.sock")
uds, _ := net.DialUnix("unix", nil, raddr)
// 通过UDS，发送ListenFD到新版本sidecar容器
uds.WriteMsgUnix(nil, data, nil)
// 停止接收新的request，并且开始排水阶段，例如：http2 GOAWAY
tcpLn.Close()

/* 新版本sidecar接收ListenFD，并且开始对外服务 */
// 监听 UDS
addr, _ := net.ResolveUnixAddr("unix", "/dev/shm/migrate.sock")
unixLn, _ := net.ListenUnix("unix", addr)
conn, _ := unixLn.AcceptUnix()
buf := make([]byte, 32)
oob := make([]byte, 32)
// 接收 ListenFD
_, oobn, _, _, _ := conn.ReadMsgUnix(buf, oob)
scms, _ := syscall.ParseSocketControlMessage(oob[:oobn])
if len(scms) > 0 {
    // 解析FD，并转化为 *net.TCPListener 
    fds, _ := syscall.ParseUnixRights(&(scms[0]))
    f := os.NewFile(uintptr(fds[0]), "")
    ln, _ := net.FileListener(f)
    tcpLn, _ := ln.(*net.TCPListener)
    // 基于接收到的Listener开始对外提供服务，以http服务为例
    http.Serve(tcpLn, serveMux)
}

已知 Mesh 容器热升级案例

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阿里云服务网格（ Alibaba Cloud Service Mesh，简称 ASM）提供了一个全托管式的服务网格平台，兼容社区 Istio 开源服务网格。当前，基于 OpenKruise SidecarSet 的热升级能力，ASM 实现了数据平面 Sidecar 热升级能力（ Beta ），用户可以在应用无感的情况下完成服务网格的数据平面版本升级，正式版也将于近期上线。除热升级能力外，ASM 还支持配置诊断、操作审计、访问日志、监控、服务注册接入等能力，全方位提升服务网格使用体验，欢迎您前往试用。

总结
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云原生中 Mesh 容器的热升级一直都是迫切却又棘手的问题，本文中的方案也只是阿里巴巴集团在此问题上的一次探索，在反馈社区的同时也希望能够抛砖引玉，引发各位对此中场景的思考。同时，我们也欢迎更多的同学参与到 OpenKruise 社区来，共同建设一个场景更加丰富、完善的 K8s 应用管理、交付扩展能力，能够面向更加规模化、复杂化、极致性能的场景。
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• 热升级Migration Demo：_https://github.com/openkruise...
• Github：_https://github.com/openkruise...
• Official：_https://openkruise.io/_
• 钉钉交流群：