虚拟 Kubernetes 集群（vClusters）是一种创新解决方案，可解决 Kubernetes 部署中的多租户和资源隔离挑战。Th ...
译自 What are Virtual Kubernetes Clusters? | taikun.cloud，作者 Rohit Ghumare。
简介
在快速发展的云原生技术领域，Kubernetes 已成为容器编排领域的事实标准。然而，随着组织扩展其 Kubernetes 部署，他们经常面临与多租户、资源隔离和集群管理相关的挑战。虚拟集群，特别是 vCluster，已经成为解决这些挑战的强大解决方案。这篇博文深入探讨了虚拟集群的架构复杂性，探讨了它们的组件、优势以及对 Kubernetes 生态系统未来的影响。
了解虚拟集群
虚拟集群是在物理 Kubernetes 集群（通常称为宿主集群）之上运行的逻辑抽象。它们提供了一个功能齐全的 Kubernetes 控制平面，该控制平面在宿主集群的命名空间范围内运行。这种方法允许在单个物理集群中创建多个隔离的 Kubernetes 环境，每个环境都有自己的 API 服务器、控制器管理器和其他核心组件。
vCluster 是一个开源项目，它是虚拟集群概念的一个突出实现。它使用户能够创建轻量级的嵌套 Kubernetes 集群，这些集群共享宿主集群的底层基础设施，同时保持逻辑分离和独立管理。
虚拟集群的架构
vCluster 实现的虚拟集群架构是 Kubernetes 原生设计的杰作。其核心是几个关键组件，这些组件协同工作，在受限环境中提供无缝的 Kubernetes 体验。
- 虚拟集群控制平面： 虚拟集群的核心是其控制平面，其中包括：
- API 服务器：处理虚拟集群的所有 API 操作。
- 控制器管理器：管理特定于虚拟集群的各种控制器。
- 数据存储：通常是 etcd，用于存储虚拟集群的状态。
- 调度器（可选）：可以包含用于自定义调度逻辑。
- Syncer： 这个关键组件充当虚拟集群和宿主集群之间的桥梁，确保资源在两个环境之间正确同步和转换。
- 网络层： 管理虚拟集群内部以及虚拟集群和宿主集群之间的通信。
虚拟控制平面组件作为宿主集群命名空间内的 Pod 运行，通常作为 StatefulSet 或 Deployment 进行部署。这种架构允许虚拟集群利用宿主集群的资源，同时保持其自身隔离的环境。
vCluster 的关键组件
让我们更深入地了解使 vCluster 发挥作用的关键组件：
- 虚拟 API Server：
虚拟 API 服务器是虚拟集群内所有 Kubernetes API 请求的主要入口点。它处理虚拟集群资源的身份验证、授权和准入控制。与传统的 Kubernetes API 服务器不同，虚拟 API 服务器不直接管理 etcd 或与 kubelet 进程通信。相反，它依赖同步器将操作转换并转发到宿主集群。
注意： vCluster 使用数据库进行内部管理。默认情况下，它使用 SQLite，但用户可以选择自带 etcd 实例。这两个选项在免费版本中都可用。
- 虚拟控制器管理器：
此组件运行标准 Kubernetes 控制器的一个子集，重点关注那些不需要直接节点访问的控制器。它管理虚拟集群内资源的生命周期，例如副本集、部署和服务。
- Syncer：
Syncer 是 vCluster 架构的关键。它在虚拟集群和宿主集群之间执行资源的双向同步。关键功能包括：
- 将虚拟集群资源转换为宿主集群资源。
- 管理宿主集群中的命名空间以对应虚拟集群资源。
- 处理网络策略和服务帐户。
- 为各种资源实现虚拟到宿主名称转换。
- CoreDNS：
vCluster 部署了自己的 CoreDNS 实例来处理虚拟集群内的 DNS 解析。这允许在虚拟环境中进行正确的服务发现和主机名解析。
- 网络：
vCluster 利用宿主集群的网络功能，但提供虚拟网络抽象。它处理：
- 到虚拟集群服务的入口流量路由。
- 虚拟集群内 Pod 之间的通信。
- 虚拟集群 Pod 和宿主集群服务之间的通信。
虚拟集群的优势
虚拟集群在复杂的 Kubernetes 环境中具有许多优势：
- 改进多租户：与基于命名空间的多租户相比，虚拟集群在租户之间提供了更强的隔离性，因为每个虚拟集群都有自己的控制平面。
- 资源优化：通过共享底层 Kubernetes 集群的基础设施，虚拟集群可以更有效地利用计算资源。
- 简化集群管理：管理员可以比维护单独的物理集群更轻松地管理多个虚拟集群。启动和部署很容易。
- 增强的安全性：虚拟集群提供的隔离减少了攻击面，并限制了安全漏洞的潜在影响。
- Kubernetes 版本的灵活性：不同的虚拟集群可以在同一个宿主集群上运行不同的 Kubernetes 版本，从而更容易升级和管理版本。
- 具有成本效益的测试和开发：虚拟集群允许创建一次性的、功能齐全的 Kubernetes 环境，用于测试和开发目的。
用例
虚拟集群应用：
- 多团队环境：组织可以为不同的团队提供专用的 Kubernetes 环境，而无需管理单独的物理集群的开销。
- 持续集成/持续部署 (CI/CD)：虚拟集群可以快速启动以进行测试，并在使用后拆除，使其成为 CI/CD 管道的理想选择。
- 边缘计算：在资源有限的边缘场景中，虚拟集群可以在受限的硬件上提供多个 Kubernetes 环境。
- 托管 Kubernetes 服务：云提供商可以使用虚拟集群更有效地为客户提供隔离的 Kubernetes 环境。
- 学习和实验：虚拟集群为学习 Kubernetes 提供了一个安全、隔离的环境，而不会影响生产系统。
挑战和注意事项
虽然虚拟集群提供了显著的优势，但它们也带来了一些挑战：
- 性能开销：额外的抽象层可能会引入一些性能开销，尤其是在高负载场景中。
- 有限的节点级访问：虚拟集群无法直接访问节点级资源，这可能会限制某些需要节点级权限的操作。
- 网络复杂性：管理虚拟集群和宿主集群之间的网络可能很复杂，尤其是在处理高级网络功能时。
- 资源配额：需要仔细规划，以确保虚拟集群不会过度使用宿主集群的资源。
- 监控和可观察性：在虚拟集群和宿主集群中实施全面监控可能具有挑战性，并且可能需要专门的工具。
与 Kubernetes 集群的比较
虚拟集群在几个关键方面与传统的 Kubernetes 集群不同：
- 资源管理：虚拟集群共享宿主集群的底层资源，而传统集群具有专用资源。
- 隔离级别：虚拟集群提供的隔离比基于命名空间的多租户更强，但不如完全独立的物理集群。
- 运营开销：虚拟集群减少了管理多个完整 Kubernetes 集群的运营开销。
- 可扩展性：与启动新的物理集群相比，虚拟集群可以更快地扩展，并且资源开销更低。
- 功能奇偶校验：虽然虚拟集群旨在提供完整的 Kubernetes 功能，但某些需要低级别访问的功能可能不可用或工作方式可能不同。
虚拟集群的未来
虚拟集群的未来看起来很有希望，未来将出现一些趋势和发展：
- 增强集成：预计与云原生工具和平台的更紧密集成，将使虚拟集群在复杂环境中的使用更加无缝。
- 改进性能：持续的优化可能会降低虚拟集群的性能开销。
- 扩展用例：随着技术的成熟，虚拟集群的新用例将会出现，可能出现在边缘计算和混合云场景中。
- 标准化：可能会有努力来标准化不同提供商和平台上的虚拟集群实现。
- 高级网络功能：未来的发展可能会为虚拟集群带来更复杂的网络功能，解决当前的局限性。
- AI/ML 集成：虚拟集群可以在更大的 Kubernetes 生态系统中为 AI/ML 工作负载提供隔离环境方面发挥作用。
结论
虚拟集群或 vCluster 代表了 Kubernetes 生态系统管理的重大进步。通过提供一个强大的抽象层，支持在共享基础设施内创建隔离的、功能齐全的 Kubernetes 环境，虚拟集群解决了运行大规模、多租户 Kubernetes 部署的组织所面临的许多挑战。虚拟集群的架构，强调 Syncer 组件和虚拟控制平面，展示了一种资源管理和隔离的复杂方法。虽然挑战依然存在，特别是在性能和复杂网络场景方面，但改进多租户、资源优化和管理简化的优势使得虚拟集群成为许多用例的有吸引力的解决方案。
随着技术的不断发展，我们可以预期虚拟集群将在塑造云原生基础设施的未来方面发挥越来越重要的作用，从而能够在各种场景中实现更灵活、高效和安全的 Kubernetes 部署。对于云原生行业的技术专家来说，理解和利用虚拟集群技术对于设计和实施下一代 Kubernetes 解决方案至关重要。
