【玩转腾讯云】K8s存储 —— Attach/Detach Controller与TKE现网案例分析

k8s中涉及存储的组件主要有：attach/detach controller、pv controller、volume manager、volume plugins、scheduler。每个组件分工明确：

attach/detach controller：负责对volume进行attach/detach
pv controller：负责处理pv/pvc对象，包括pv的provision/delete（cbs intree的provisioner设计成了external provisioner，独立的cbs-provisioner来负责cbs pv的provision/delete）
volume manager：主要负责对volume进行mount/unmount
volume plugins：包含k8s原生的和各厂商的的存储插件
- 原生的包括：emptydir、hostpath、flexvolume、csi等
- 各厂商的包括：aws-ebs、azure、我们的cbs等
scheduler：涉及到volume的调度。比如ebs、csi关于单node最大可attach磁盘数量的predicate策略

这里借其他博客的图，展示一下kubernetes的存储架构：

控制器模式是k8s非常重要的概念，一般一个controller会去管理一个或多个API对象，以让对象从实际状态/当前状态趋近于期望状态。

所以attach/detach controller的作用其实就是去attach期望被attach的volume，detach期望被detach的volume。后续结合现网案例（也向社区提交了pr），深入理解下ad controller。

数据结构

对于ad controller来说，理解了其内部的数据结构，再去理解逻辑就事半功倍。ad controller在内存中维护2个数据结构：

actualStateOfWorld —— 表征实际状态（后面简称asw）
desiredStateOfWorld —— 表征期望状态（后面简称dsw）

很明显，对于声明式API来说，是需要随时比对实际状态和期望状态的，所以ad controller中就用了2个数据结构来分别表征实际状态和期望状态。

actualStateOfWorld

actualStateOfWorld 包含2个map：

attachedVolumes：包含了那些ad controller认为被成功attach到nodes上的volumes
nodesToUpdateStatusFor：包含要更新node.Status.VolumesAttached 的nodes

attachedVolumes

如何填充数据？

1、在启动ad controller时，会populate asw，此时会list集群内所有node对象，然后用这些node对象的node.Status.VolumesAttached 去填充attachedVolumes。

2、之后只要有需要attach的volume被成功attach了，就会调用MarkVolumeAsAttached（GenerateAttachVolumeFunc 中）来填充到attachedVolumes中。

如何删除数据？

1、只有在volume被detach成功后，才会把相关的volume从attachedVolumes中删掉。（GenerateDetachVolumeFunc 中调用MarkVolumeDetached)

nodesToUpdateStatusFor

如何填充数据？

1、detach volume失败后，将volume add back到nodesToUpdateStatusFor

代码语言：txt复制

- `GenerateDetachVolumeFunc` 中调用`AddVolumeToReportAsAttached`

如何删除数据？

1、在detach volume之前会先调用RemoveVolumeFromReportAsAttached 从nodesToUpdateStatusFor中先删除该volume相关信息

desiredStateOfWorld

desiredStateOfWorld 中维护了一个map：

nodesManaged：包含被ad controller管理的nodes，以及期望attach到这些node上的volumes。

nodesManaged

如何填充数据？

1、在启动ad controller时，会populate asw，list集群内所有node对象，然后把由ad controller管理的node填充到nodesManaged

2、ad controller的nodeInformer watch到node有更新也会把node填充到nodesManaged

3、另外在populate dsw和podInformer watch到pod有变化（add, update）时，往nodesManaged 中填充volume和pod的信息

4、desiredStateOfWorldPopulator 中也会周期性地去找出需要被add的pod，此时也会把相应的volume和pod填充到nodesManaged

如何删除数据？

1、当删除node时，ad controller中的nodeInformer watch到变化会从dsw的nodesManaged 中删除相应的node

2、当ad controller中的podInformer watch到pod的删除时，会从nodesManaged 中删除相应的volume和pod

3、desiredStateOfWorldPopulator 中也会周期性地去找出需要被删除的pod，此时也会从nodesManaged 中删除相应的volume和pod

流程简述

ad controller的逻辑比较简单：

1、首先，list集群内所有的node和pod，来populate actualStateOfWorld (attachedVolumes )和desiredStateOfWorld (nodesManaged)

2、然后，单独开个goroutine运行reconciler，通过触发attach, detach操作周期性地去reconcile asw（实际状态）和dws（期望状态）

触发attach，detach操作也就是，detach该被detach的volume，attach该被attach的volume

3、之后，又单独开个goroutine运行DesiredStateOfWorldPopulator ，定期去验证dsw中的pods是否依然存在，如果不存在就从dsw中删除

现网案例

接下来结合现网的一个案例，来详细看看reconciler的逻辑。

问题描述

一个statefulsets(sts)引用了多个pvc cbs，我们更新sts时，会删除旧pod，创建新pod，如果新pod调度到和旧pod相同的节点，此时如果有多个cbs被同时调度到某一个node上挂载，就可能会让这些pod一直处于ContainerCreating 。

现象

kubectl describe pod

kubelet log

kubectl get node xxx -oyaml 的volumesAttached和volumesInUse

代码语言：txt复制

volumesAttached:
  - devicePath: /dev/disk/by-id/virtio-disk-6w87j3wv
    name: kubernetes.io/qcloud-cbs/disk-6w87j3wv
volumesInUse:
  - kubernetes.io/qcloud-cbs/disk-6w87j3wv
  - kubernetes.io/qcloud-cbs/disk-7bfqsft5

初步分析

从pod的事件可以看出来：ad controller认为cbs attach成功了，然后kubelet没有mount成功。
但是从kubelet日志却发现Volume not attached according to node status ，也就是说kubelet认为cbs没有按照node的状态去挂载。这个从node info也可以得到证实：volumesAttached 中的确没有这个cbs盘（disk-7bfqsft5）。
node info中还有个现象：volumesInUse 中还有这个cbs。说明没有unmount成功

很明显，cbs要能被pod成功使用，需要ad controller和volume manager的协同工作。所以这个问题的定位首先要明确：

volume manager为什么认为volume没有按照node状态挂载，ad controller却认为volume attch成功了？
volumesAttached和volumesInUse 在ad controller和kubelet之间充当什么角色？

这里只对分析volume manager做简要分析。

根据Volume not attached according to node status 在代码中找到对应的位置，发现在GenerateVerifyControllerAttachedVolumeFunc 中。仔细看代码逻辑，会发现
- volume manager的reconciler会先确认该被unmount的volume被unmount掉
- 然后确认该被mount的volume被volume
  - 此时会先从volume manager的dsw缓存中获取要被mount的volumes（volumesToMount的podsToMount ）
  - 然后遍历，验证每个volumeToMount是否已经attach了
    - 这个volumeToMount是由podManager中的podInformer加入到相应内存中，然后desiredStateOfWorldPopulator周期性同步到dsw中的
  - 验证逻辑中，在GenerateVerifyControllerAttachedVolumeFunc中会去遍历本节点的node.Status.VolumesAttached，如果没有找到就报错（Volume not attached according to node status）
所以可以看出来，volume manager就是根据volume是否存在于__node.Status.VolumesAttached 中来判断volume有无被attach成功。
那谁去填充node.Status.VolumesAttached ？ad controller的数据结构nodesToUpdateStatusFor 就是用来存储要更新到node.Status.VolumesAttached 上的数据的。
所以，如果ad controller那边没有更新node.Status.VolumesAttached，而又新建了pod，__desiredStateOfWorldPopulator 从podManager中的内存把新建pod引用的volume同步到了volumesToMount中，在验证volume是否attach时，就会报错（Volume not attached according to node status）
- 当然，之后由于kublet的syncLoop里面会调用WaitForAttachAndMount 去等待volumeattach和mount成功，由于前面一直无法成功，等待超时，才会有会面timeout expired 的报错

所以接下来主要需要看为什么ad controller那边没有更新node.Status.VolumesAttached。

详细分析

接下来详细分析下ad controller的逻辑，看看为什么会没有更新node.Status.VolumesAttached，但从事件看ad controller却又认为volume已经挂载成功。

reconciler详细流程

从流程简述中表述可见，ad controller主要逻辑是在reconciler中。

reconciler定时去运行reconciliationLoopFunc，周期为100ms。
reconciliationLoopFunc的主要逻辑在reconcile()中：

1、首先，确保该被detach的volume被detach掉

代码语言：txt复制

 - 遍历asw中的`attachedVolumes`，对于每个volume，判断其是否存在于dsw中
   - 去dsw.nodesManaged中判断node和volume是否存在
   - 存在的话，再判断volume是否存在
 - 如果volume存在于asw，且不存在于dsw，则意味着需要进行detach
 - 之后，根据`node.Status.VolumesInUse`来判断volume是否已经unmount完成，unmount完成或者等待6min timeout时间到后，会继续detach逻辑
 - 在执行detach volume之前，会先调用`RemoveVolumeFromReportAsAttached`从asw的`nodesToUpdateStatusFor`中去删除要detach的volume
 - 然后patch node，也就等于从`node.status.VolumesAttached`删除这个volume
 - 之后进行detach，detach失败主要分2种
   - 如果真正执行了`volumePlugin`的具体实现`DetachVolume`失败，会把volume add back到`nodesToUpdateStatusFor`（之后在attach逻辑结束后，会再次patch node）
   - 如果是operator_excutor判断还没到backoff周期，就会返回`backoffError`，直接跳过`DetachVolume`
 - backoff周期起始为500ms，之后指数递增至2min2s。已经detach失败了的volume，在每个周期期间进入detach逻辑都会直接返回`backoffError`

2、之后，确保该被attach的volume被attach成功

代码语言：txt复制

 - 遍历dsw的`nodesManaged`，判断volume是否已经被attach到该node，如果已经被attach到该node，则跳过attach操作
    - 去asw.attachedVolumes中判断是否存在，若不存在就认为没有attach到node
    - 若存在，再判断node，node也匹配就返回`attachedConfirmed`
    - 而`attachedConfirmed`是由asw中`AddVolumeNode`去设置的，`MarkVolumeAsAttached`设置为true。（true即代表该volume已经被attach到该node了）
 - 之后判断是否禁止多挂载，再由operator_excutor去执行attach

3、最后，UpdateNodeStatuses去更新node status

案例分析

前提
- 单个cvm不支持并发attach/detach多块cbs
- sts cbs(pvc)，pod recreate前后调度到相同的node
首先，删除sts，pod被删除时，由于pod引用多块cbs，而cbs又不支持并发detach，所以必定有cbs detach失败，失败后就会backoff重试。
1. 由于detach失败，该volume也不会从asw的attachedVolumes中删除
由于detach时，
1. 先从node.status.VolumesAttached中删除volume，之后才去执行detach
2. detach时返回backoffError不会把该volumeadd back node.status.VolumesAttached
之后，我们在backoff周期中（假如就为第一个周期的500ms中间）再次创建sts，pod被调度到之前的node
而pod一旦被创建，就会被添加到dsw的nodesManaged
reconciler详细流程中的第2步，会去判断volume是否被attach，此时发现该volume同时存在于asw和dws中，并且由于detach失败，也会在检测时发现还attach，从而设置attachedConfirmed为true
ad controller就认为该volume被attach成功了
之后再一次进入reconciler详细流程中第1步的detach逻辑进行判断时，发现要detach的volume已经存在于dsw.nodesManaged了，这样volume同时存在于asw和dsw中了，实际状态和期望状态一致，被认为就不需要进行detach了。
这样，该volume之后就再也不会被add back到node.status.VolumesAttached。所以就出现了现象中的node info中没有该volume，而ad controller又认为该volume被attach成功了
由于kubelet(volume manager)与controller manager是异步的，而它们之间交互是依据node.status.VolumesAttached ，所以volume manager在验证volume是否attach成功，发现node.status.VolumesAttached中没有这个voume，也就认为没有attach成功，所以就有了现象中的报错Volume not attached according to node status
之后kubelet的syncPod在等待pod所有的volume attach和mount成功时，就超时了(现象中的另一个报错timeout expired wating...)。
所以pod一直处于ContainerCreating

小结

所以，该案例出现的原因是：
- sts cbs，使用多块cbs的pod recreate时间被调度到相同的node
- 由于detach失败，backoff期间创建sts，导致ad controller中的dsw和asw数据一致，从而认为volume被attach成功，不再需要被detach。
- 又由于detach时，是先从node.status.VolumesAttached中删除该volume，再去执行真正的DetachVolume。backoff期间直接返回backoffError，跳过DetachVolume，不会add back
- 所以ad controller认为volume不再需要被attach时，node.status.VolumesAttached中就永远没有了该volume
- 而kubelet与ad controller交互就通过node.status.VolumesAttached，所以kubelet认为没有attach成功，新创建的pod就一直处于ContianerCreating了
据此，我们可以发现关键点在于node.status.VolumesAttached和以下两个逻辑：
1. detach时backoffError，不会add back
2. detach是先删除，失败再add back
所以只要想办法能在任何情况下add back就不会有问题了。根据以上两个逻辑就对应有2种解决方案：
1. backoffError时，也add back
2. 一进入detach逻辑就判断是否backoffError（处于backoff周期中），是就跳过之后所有detach逻辑，不删除就不需要add back了。
当然这两个解决方案，我们团队都有实现，都有提到kubernetes社区：
1. pr #72914
  - 有个缺点：patch node的请求数增加了10 次/(s * volume)
2. pr #88572

总结

AD Controller负责存储的Attach、Detach。通过比较asw和dsw来判断是否需要attach/detach。最终attach和detach结果会体现在node.status.VolumesAttached。
以上描述的现网案例，有一定前提：
- pod重建前后调度到相同node
- 需要在detach的backoff周期中重新创建pod
需要强调的是：现网案例的现象，不只是cbs VolumePlugin的问题，而是一个VolumePlugins共有的问题。理论上，只要磁盘还存在，任何原因导致的detach失败都会造成该现象。

容器云上实践

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