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20191229_kube-apiserver-and-etcd.md

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Restore Kubernetes Objects from ETCD

相對於使用公有雲的 Kubernetes，維運 On-Premise Kubernetes 有著較多的的眉角。不過，自建的 Kubernetes 也有它獨特的優點，特別是能直接摸得到 ETCD 這件事，這也是為什麼值得寫一篇文章來分享的小技巧。

Kubernetes Objects 與它的 store

維運 Kubernetes cluster 時，最常用的指令為 kubectl。kubectl其實就是個 HTTP Client，透過它來與 Kubernetes 的 kube-apiserver 溝通。kube-apiserver 提供 HTTP 端點，接收 Kubernetes object 的 CRUD 與各種的功能。

這些 CRUD 的動作，會反應在 Kubernetes 的 key-value store 內，其實就是對 ETCD 進行操作。因此，我們使用 kubectl 進行各種 object 的修改，並不是直接去變更 Kubernetes cluster 的狀態，而是向 Kubernetes 宣告期望的狀態。因此，Kubernetes object 的內容，其實是對於系統狀態的許願。

那麼誰會去滿足這個願望呢？在 Kubernetes 內有著各式各樣的 controller，不同的 controller 會關注不同的 Kubernetes object 內容，並做出適當的反應來改變 cluster 的狀態，這其實就是個簡單的訂閱與通知的模型。為了實現這樣的模型，巧妙地運用了 ETCD 的 Watcher 獲得 object 更新的事件來即時反應期望狀態的改變。

Kubernetes Disaster Recovery

在維運中，儘管再小心，反覆注意還是有機會失手誤刪 Kubernetes Object，通常重要的設定檔因此消失。為了避免這樣的情況發生，會建議 Operation 執行者，重大修改前先備份資料。

kubectl get cm my-config -o yaml > my-config.yaml

它可能是個簡單的 ConfigMap 或一個客製化的 CRD 內容。不過，我們仍難以完全避免意外發生，因為能修改狀態的不只直接執行 kubectl 的情況。例如：

  • 一個升級用的 script
  • 使用 package manager (helm upgrade)

變更的範圍有時不是那麼容易確認，這是有機會漏掉該備份的資訊的。這也是為什麼，若有辦法透過 ETCD 的備份來回復資料成為 On-Premise Kubernetes 終極救星。

試著在 Google 搜尋 "Kubernetes Disaster Recovery"，內容多為教你如何備份 ETCD，並由 ETCD 範例還原狀態。其實已經接近我們需要的內容了，但是有幾個問題：

  • ETCD Snapshot 保存著 Kubernetes Cluster 全局的狀態，但 operation 做到一個不上不下的階段時，全部回溯似乎不太對。
  • 完整的 Recovery 需要重啟每一個 control plane 的 component，這是期望避免的。

因此，需求應該是能否保持 Kubernetes 持續運作，另外使用 ETCD Snapshot 取得需要的 Kubernetes Object 內容就好。

運用 docker 建立 kube-apiserver

在前一段落我們探索出來的需求其實是：

  • 能有另一組 kubernetes cluster 讓維運人員操作 kubectl 取得 yaml 檔 (就是 dump 出來的 kubernetes object)

要達成這個目標，其實就是：

  • 建立出相同的網路環境 (IP 至少要與 certificate 內記錄的相同)
  • 透過 ETCD Snapshot 建立出一組新的 ETCD Service (使用與原 cluster 一樣的 IP)
  • 啟動 kube-apiserver 並接上 ETCD Service (使用與原 cluster 一樣的 certificate)
  • kubectl 使用原 cluster 的 kubeconfig 進行操作

網路環境

為了重現看似一樣的網路環境，使用 docker 是最為直接且相關的選擇。畢竟，目前 kubernetes 的 container runtime 還是以 docker 為大宗，我們能利用 docker network create 的功能，建出需要的 subnet：

$ docker network create --help

Usage:	docker network create [OPTIONS] NETWORK

Create a network

Options:
      --attachable           Enable manual container attachment
      --aux-address map      Auxiliary IPv4 or IPv6 addresses used by Network driver (default map[])
      --config-from string   The network from which copying the configuration
      --config-only          Create a configuration only network
  -d, --driver string        Driver to manage the Network (default "bridge")
      --gateway strings      IPv4 or IPv6 Gateway for the master subnet
      --ingress              Create swarm routing-mesh network
      --internal             Restrict external access to the network
      --ip-range strings     Allocate container ip from a sub-range
      --ipam-driver string   IP Address Management Driver (default "default")
      --ipam-opt map         Set IPAM driver specific options (default map[])
      --ipv6                 Enable IPv6 networking
      --label list           Set metadata on a network
  -o, --opt map              Set driver specific options (default map[])
      --scope string         Control the network's scope
      --subnet strings       Subnet in CIDR format that represents a network segment

ETCD 啟動參數

透過 docker inspect 取得 ETCD 的啟動參數是相當容易的：

$ docker inspect etcd | jq .[].Args
[
  "--peer-client-cert-auth",
  "--client-cert-auth",
  "--listen-client-urls=https://0.0.0.0:2379",
  "--listen-peer-urls=https://0.0.0.0:2380",
  "--trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem",
  "--cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11.pem",
  "--peer-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11.pem",
  "--peer-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11-key.pem",
  "--data-dir=/var/lib/rancher/etcd/",
  "--name=etcd-k8s01",
  "--election-timeout=5000",
  "--initial-advertise-peer-urls=https://10.40.0.11:2380",
  "--peer-trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem",
  "--key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11-key.pem",
  "--heartbeat-interval=500",
  "--advertise-client-urls=https://10.40.0.11:2379,https://10.40.0.11:4001",
  "--initial-cluster=etcd-k8s01=https://10.40.0.11:2380,etcd-k8s02=https://10.40.0.12:2380",
  "--initial-cluster-token=etcd-cluster-1",
  "--initial-cluster-state=new"
]

值得注意的是

  • --initial-cluster 列表中，可能會有多台 ETCD，它們的設定會有一些不同，請個別取得它們的設定。

kube-apiserver 啟動參數

kube-apiserver 參數的取消也如同 ETCD 一樣：

$ docker inspect kube-apiserver | jq .[].Args
[
  "kube-apiserver",
  "--insecure-port=0",
  "--etcd-prefix=/registry",
  "--kubelet-client-certificate=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver.pem",
  "--runtime-config=authorization.k8s.io/v1beta1=true",
  "--authorization-mode=Node,RBAC",
  "--allow-privileged=true",
  "--requestheader-allowed-names=kube-apiserver-proxy-client",
  "--etcd-cafile=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem",
  "--etcd-keyfile=/etc/kubernetes/ssl/kube-node-key.pem",
  "--etcd-servers=https://10.40.0.11:2379,https://10.40.0.12:2379",
  "--proxy-client-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-proxy-client-key.pem",
  "--audit-log-path=-",
  "--bind-address=0.0.0.0",
  "--requestheader-extra-headers-prefix=X-Remote-Extra-",
  "--secure-port=6443",
  "--client-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem",
  "--tls-private-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-key.pem",
  "--tls-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver.pem",
  "--delete-collection-workers=3",
  "--kubelet-preferred-address-types=InternalIP,ExternalIP,Hostname",
  "--requestheader-username-headers=X-Remote-User",
  "--service-account-lookup=true",
  "--storage-backend=etcd3",
  "--service-node-port-range=30000-32767",
  "--tls-cipher-suites=TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256,TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384,TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305,TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256,TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384,TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305",
  "--v=4",
  "--anonymous-auth=false",
  "--profiling=false",
  "--requestheader-group-headers=X-Remote-Group",
  "--service-account-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-service-account-token-key.pem",
  "--service-cluster-ip-range=10.233.0.0/18",
  "--enable-admission-plugins=NamespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAccount,TaintNodesByCondition,Priority,DefaultTolerationSeconds,DefaultStorageClass,PersistentVolumeClaimResize,MutatingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuota,NodeRestriction",
  "--cloud-provider=",
  "--etcd-certfile=/etc/kubernetes/ssl/kube-node.pem",
  "--requestheader-client-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-requestheader-ca.pem",
  "--kubelet-client-key=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-key.pem",
  "--proxy-client-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-proxy-client.pem",
  "--advertise-address=10.40.0.11"
]

用 docker-compose 組裝 kube-apiserver

將參數整理與複製檔案的工作，寫成簡單的 script (這是以 rke 建立出來的 kubernetes 作為測試對象)：

$ ls -l
total 16
-rwxrwxr-x 1 phuser phuser  928 Dec 31 04:00 build-compose.sh
-rw-rw-r-- 1 phuser phuser 2487 Dec 31 04:00 compose-generator.py
-rw-rw-r-- 1 phuser phuser  507 Dec 31 04:00 README.md
-rw-rw-r-- 1 phuser phuser 2100 Dec 31 04:00 script-generator.py

透過 script 產生出的 compose 目錄，結構如下：

$ tree compose
compose
├── docker-compose.yml
├── k8s01
│   ├── env.json
│   ├── etcd-restore-and-up.sh
│   ├── ip.txt
│   └── net.txt
├── k8s02
│   ├── env.json
│   ├── etcd-restore-and-up.sh
│   ├── ip.txt
│   └── net.txt
├── kube-api
│   └── entrypoint.sh
├── README.md
└── ssl
    ├── kube-apiserver-key.pem
    ├── kube-apiserver.pem
    ├── kube-apiserver-proxy-client-key.pem
    ├── kube-apiserver-proxy-client.pem
    ├── kube-apiserver-requestheader-ca-key.pem
    ├── kube-apiserver-requestheader-ca.pem
    ├── kube-ca-key.pem
    ├── kube-ca.pem
    ├── kubecfg-kube-apiserver-proxy-client.yaml
    ├── kubecfg-kube-apiserver-requestheader-ca.yaml
    ├── kubecfg-kube-controller-manager.yaml
    ├── kubecfg-kube-node.yaml
    ├── kubecfg-kube-proxy.yaml
    ├── kubecfg-kube-scheduler.yaml
    ├── kube-controller-manager-key.pem
    ├── kube-controller-manager.pem
    ├── kube-etcd-10-40-0-11-key.pem
    ├── kube-etcd-10-40-0-11.pem
    ├── kube-etcd-10-40-0-12-key.pem
    ├── kube-etcd-10-40-0-12.pem
    ├── kube-node-key.pem
    ├── kube-node.pem
    ├── kube-proxy-key.pem
    ├── kube-proxy.pem
    ├── kube-scheduler-key.pem
    ├── kube-scheduler.pem
    ├── kube-service-account-token-key.pem
    └── kube-service-account-token.pem

在 compose 中，共有 3 個 service

  • 2 個 ETCD
  • 1 個 kube-apiserver
version: "2"
services:
  kube-api:
    image: rancher/hyperkube:v1.15.3-rancher1
    entrypoint:
      - sh
      - -c
      - sleep 5; sh /data/kube-api/entrypoint.sh
    networks:
      k8s: {}
    volumes:
      - ./ssl:/etc/kubernetes/ssl
      - ./:/data

  k8s01:
    image: rancher/coreos-etcd:v3.3.10-rancher1
    entrypoint: sh /data/k8s01/etcd-restore-and-up.sh
    networks:
      k8s:
        ipv4_address: 10.40.0.11
    volumes:
      - ./ssl:/etc/kubernetes/ssl
      - ./:/data
    environment:
      - ETCDCTL_API=3
      - ETCDCTL_CACERT=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem
      - ETCDCTL_CERT=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11.pem
      - ETCDCTL_KEY=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11-key.pem
      - ETCDCTL_ENDPOINTS=https://127.0.0.1:2379
      - ETCD_UNSUPPORTED_ARCH=x86_64
      - PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin


  k8s02:
    image: rancher/coreos-etcd:v3.3.10-rancher1
    entrypoint: sh /data/k8s02/etcd-restore-and-up.sh
    networks:
      k8s:
        ipv4_address: 10.40.0.12
    volumes:
      - ./ssl:/etc/kubernetes/ssl
      - ./:/data
    environment:
      - ETCDCTL_API=3
      - ETCDCTL_CACERT=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem
      - ETCDCTL_CERT=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-12.pem
      - ETCDCTL_KEY=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-12-key.pem
      - ETCDCTL_ENDPOINTS=https://127.0.0.1:2379
      - ETCD_UNSUPPORTED_ARCH=x86_64
      - PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin

networks:
  k8s:
    ipam:
      config:
        - subnet: 10.40.0.0/16

操作迷你的 kubernetes cluster

有了 docker-compose 之後，我們只差 ETCD Snapshot 就能還原出 kubernetes cluster。以 rke 建出的 cluster 為例，它每日都會產生一份備份，我們能使用它，並將解壓縮的檔放入 compose/etcd_snapshot.db

phuser@dev-gce-qrtt1-1:~$ ls -l /opt/rke/etcd-snapshots/*
-rw------- 1 root root 1060553 Dec 28 09:42 /opt/rke/etcd-snapshots/2019-12-28T09:42:08Z_etcd.zip
-rw------- 1 root root 1046622 Dec 28 21:42 /opt/rke/etcd-snapshots/2019-12-28T21:42:08Z_etcd.zip
-rw------- 1 root root 1050976 Dec 29 09:42 /opt/rke/etcd-snapshots/2019-12-29T09:42:08Z_etcd.zip
-rw------- 1 root root 1062207 Dec 29 21:42 /opt/rke/etcd-snapshots/2019-12-29T21:42:08Z_etcd.zip
-rw------- 1 root root 1061092 Dec 30 09:42 /opt/rke/etcd-snapshots/2019-12-30T09:42:08Z_etcd.zip
-rw------- 1 root root 1070693 Dec 30 21:42 /opt/rke/etcd-snapshots/2019-12-30T21:42:08Z_etcd.zip

將 compose 目錄複製回你的操作環境後，啟動服務：

docker-compose up

這就是一個能直接用 kubectl 操作的迷你版的 kubernetes cluster 囉：

docker-compose top
compose_k8s01_1
PID    USER   TIME                                                                             COMMAND
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
5429   root   0:00   sh /data/k8s01/etcd-restore-and-up.sh
5786   root   0:06   etcd --data-dir=/opt/nobody_knows_where_is --name=etcd-k8s01 --initial-advertise-peer-urls=https://10.40.0.11:2380 --initial-
                     cluster=etcd-k8s01=https://10.40.0.11:2380,etcd-k8s02=https://10.40.0.12:2380 --initial-cluster-token=etcd-cluster-1 --listen-client-
                     urls=https://0.0.0.0:2379 --listen-peer-urls=https://0.0.0.0:2380 --trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem --cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-
                     etcd-10-40-0-11.pem --peer-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11.pem --peer-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11-key.pem --peer-
                     trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem --key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-11-key.pem --advertise-client-
                     urls=https://10.40.0.11:2379,https://10.40.0.11:4001

compose_k8s02_1
PID    USER   TIME                                                                             COMMAND
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
5365   root   0:00   sh /data/k8s02/etcd-restore-and-up.sh
5784   root   0:05   etcd --data-dir=/opt/nobody_knows_where_is --initial-advertise-peer-urls=https://10.40.0.12:2380 --initial-
                     cluster=etcd-k8s01=https://10.40.0.11:2380,etcd-k8s02=https://10.40.0.12:2380 --name=etcd-k8s02 --initial-cluster-token=etcd-cluster-1 --cert-
                     file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-12.pem --peer-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-12.pem --advertise-client-
                     urls=https://10.40.0.12:2379,https://10.40.0.12:4001 --listen-client-urls=https://0.0.0.0:2379 --key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-etcd-10-40-0-12-key.pem
                     --listen-peer-urls=https://0.0.0.0:2380 --peer-trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem --peer-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-
                     etcd-10-40-0-12-key.pem --trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem

compose_kube-api_1
PID    USER   TIME                                                                             COMMAND
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
5423   root   0:00   sh -c sleep 5; sh /data/kube-api/entrypoint.sh
5828   root   0:00   sh /data/kube-api/entrypoint.sh
5829   root   0:12   kube-apiserver --insecure-port=0 --etcd-prefix=/registry --kubelet-client-certificate=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver.pem --runtime-
                     config=authorization.k8s.io/v1beta1=true --authorization-mode=Node,RBAC --allow-privileged=true --requestheader-allowed-names=kube-apiserver-proxy-client
                     --etcd-cafile=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem --etcd-keyfile=/etc/kubernetes/ssl/kube-node-key.pem --etcd-
                     servers=https://10.40.0.11:2379,https://10.40.0.12:2379 --proxy-client-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-proxy-client-key.pem --audit-log-path=-
                     --bind-address=0.0.0.0 --requestheader-extra-headers-prefix=X-Remote-Extra- --secure-port=6443 --client-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-ca.pem --tls-
                     private-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-key.pem --tls-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver.pem --delete-collection-workers=3 --kubelet-
                     preferred-address-types=InternalIP,ExternalIP,Hostname --requestheader-username-headers=X-Remote-User --service-account-lookup=true --storage-backend=etcd3
                     --service-node-port-range=30000-32767 --tls-cipher-suites=TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256,TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384,TLS_ECDHE_ECDSA_W
                     ITH_CHACHA20_POLY1305,TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256,TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384,TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305 --v=4 --anonymous-
                     auth=false --profiling=false --requestheader-group-headers=X-Remote-Group --service-account-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-service-account-token-key.pem
                     --service-cluster-ip-range=10.233.0.0/18 --enable-admission-plugins=NamespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAccount,TaintNodesByCondition,Priority,DefaultTol
                     erationSeconds,DefaultStorageClass,PersistentVolumeClaimResize,MutatingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuota,NodeRestriction --cloud-
                     provider= --etcd-certfile=/etc/kubernetes/ssl/kube-node.pem --requestheader-client-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-requestheader-ca.pem
                     --kubelet-client-key=/etc/kubernetes/ssl/kube-apiserver-key.pem --proxy-client-cert-file=/etc/kub

接著取得原 cluster 的 KUBECONFIG，並做點小修改。因為，我們並沒有特別將 kube-apiserver 放在原先的 IP，需將 server 位置改為 127.0.0.1，直接在 kube-api container 內使用)：

$ compose docker-compose exec kube-api bash
root@a2b7e4bd5ec0:/# export KUBECONFIG=/data/k8s-config

root@a2b7e4bd5ec0:/# kubectl get node
NAME    STATUS   ROLES                      AGE     VERSION
k8s01   Ready    controlplane,etcd,worker   4d21h   v1.15.3
k8s02   Ready    controlplane,etcd,worker   4d21h   v1.15.3
k8s03   Ready    worker                     4d21h   v1.15.3

最後的提醒

針對自建 Kubernetes 的情境，由 ETCD 回復部分資料是可行的，但仍希望這「最終手段」沒有被用上的時候。至於，Managed Kubernetes 下要怎麼處理誤刪後的救援呢？目前也許能只能向各大 cloud provider 許願，希望他們直接支援對應的回復功能。