聊聊宿主机管理

作者：薛继鹏 2023-10-31 21:03:49

云计算

云原生 为了解决这个问题，弹性云开发了宿主生命周期管理平台(mmachine)。通过不断优化和改进，mmachine 缩短了机器上线的耗时，提高了效率，并通过定制下线标准、并发漂移等方式，缩短了机器下线周期，在保障稳定性的前提前下，加速退还弹性伸缩、机器置换等项目节省下来的资源。

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2020年，机器上线需要在八个服务间反复横跳，而且全程手动操作。伴随滴滴业务规模上云，弹性云新增大量物理机，上线操作至少有百次，这时暴露了一个问题：如果按这个速度上线机器，需要大量人力投入到上机器中。因此，弹性云急需一个平台来管理宿主的上下线。

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从无到有

DevOps，标准先行

在 DevOps 实践中，标准化是非常重要的一环。弹性云的所有机器都是围绕服务树管理的。由于之前是由人工管理，弹性云机器在服务树上的挂载情况非常混乱。因此，为了机器管理更标准，弹性云首先定义了服务树节点标准和规范，将宿主机生命周期与服务树节点进行关联。具体而言：

• 机器上线：机器由 backup 节点挂载到 kube-node-init 节点初始化，然后挂载到线上 kube-node 节点进行报警关联；
• 机器维修：线上机器挂载到 maintain 节点进行维修，维修完成挂载 kube-node-init 节点进行上线；
• 机器下线：容器漂移后，线上机器挂载到 pre-offline.backup 节点进行关机退换。 

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流程拆解，需求分析

标准定义好后，就是对平台需求进行分析，我们首先将宿主机上线、下线和维修的流程进行拆解，如下图所示：  

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通过分析拆解后的流程，我们得出机器管理平台至少需要具备以下功能：

• 整个流程耗时较长且为流式任务，所以任务需要异步执行。
• 平台依赖许多第三方服务，需要支持跳过、重试、暂停等功能，以灵活应对下游异常场景。
• 各流程之间有重复的步骤，步骤需要能被自由组合，以提升程序的灵活性。
• 按照 double-check 原则，任务需要以工单形式展现。

架构设计，代码开发

在软件开发中，程序分层是一种常见的软件架构模式，它可以使软件系统更模块化、可扩展和易于维护。需求明确后就可以进入开发流程，从平台的产品形态来看，平台将来的使用流程是：用户创建工单，审批通过后用户执行工单，程序感知到执行动作，执行任务，程序实时反馈任务进度，任务异常时通知用户，用户介入处理，任务执行完成后，工单结束。因此，平台可以分成4层：

• 准入层：用户访问控制，机器准入控制。
• 控制层：工单控制，工单创建、执行、关闭等。
• 调度层：任务调度、分发。
• 执行层：组合步骤，执行任务，反馈状态。

组内服务大多由 go 语言开发，所以此次开发也选择了 go 语言。准入层、控制层可以使用常见的 web 框架，调度层和执行层需要一个异步任务调度框架。

在 go 语言中，优秀的 web 框架很多，但是调度框架却少得可怜。在对比了几个框架后，最终选择了 star 最多的异步任务框架 machinery。但是在使用过程中发现，虽然 machinery 支持任务流、任务重试等功能，但是对任务暂停、跳过等功能缺乏支持，需要再封装一些功能。在经历了一段时间的尝试后，我发现读代码比写代码要难上许多，再加上 go 原生对并发和异步支持比较好，最终决定调度层还是自己实现一个。虽然最终的开发周期有所加长，但是程序的可维护性和可扩展性会更好些。就这样，第一版宿主生命周期管理服务 (mmachine) 在 2 个月后上线了。  

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宿主下线，维修

在第一版宿主生命周期管理中只上线了机器上线的功能，基本上实现了机器上线由人工到无人值守的转变，但是机器的下线，维修还是由人工支持。

由于历史原因，弹性云部分服务间通过容器 IP 进行通信，所以部分容器无法变 IP 漂移，在机器下线时很难把机器上的容器漂空。人工下线时会把可漂容器漂移走，不可漂容器在联系业务侧进行服务迁移，从经验来看，人工 push 业务服务迁移都要花费很长时间，如果通过程序来 push，那效果比人工也不会好太多。

那么一台机器，要达到什么状态，就认为这个机器可以下线且不会对在线业务造成影响呢？于是我们定义了一个新的标准-1、2、10原则。在机器下线时，对于未漂移容器的集群进行反查：

• 当机器存在副本数小于5且非 running 容器数大于1的集群，机器不可被下线；
• 当机器存在副本数大于5小于20且非 running 容器数大于2的集群，机器不可被下线；
• 当机器存在副本数大于20个且非 running 容器数大于总副本数10%的集群，机器不可被下线。

机器下线时，首先对机器上的容器进行漂移，在正式下线前对机器进行兜底检查，在不打破1、2、10原则的前提下，弹性云会对机器进行关机操作。

得益于调度器设计的灵活性，将机器下线和机器上线的步骤整合后就成为了机器维修的流程（下线-报修-上线），而且机器维修需操作的机器比较明确所以自动化程度也相对较高，几乎不需要人工介入处理，具体策略如下：

• 报修：周一至周五每个机房报修 1 台机器。
• 上线：每周一、三、五扫描维修完成机器，上线机器。

效率提升

在第一阶段弹性云完成了宿主生命周期管理服务(mmachine)从0到1的建设，机器上线耗时也从天级别缩短到小时级别，但是在服务使用过程中我们发现服务还有很多可优化点。

上线流程优化

在第一版的机器上线流程中，所有机器都在一个工单中。然而，一台机器上线失败将会影响整个工单的进度。例如，如果在上线 100 台机器时，有1台机器重装失败，那么其他 99 台机器必须等失败机器修复完成才能继续上线。这严重影响了机器上线的效率。实际上，机器上线并没有相互依赖性，因此可以将上线流程由串行改为并行，以大大缩短单台机器的上线时间。因此，我们重新设计了上线工单，以减少机器相互影响所带来的时间消耗。

然而，如果将上线流程改为并行，那么下游服务也需要支持并行。但在重构过程中，我们发现有两个关键点无法并行处理：

• 机器上线需要进行重装，而重装操作必须在所有机器都完成后才能结单。
• 上线依赖部署系统来初始化脚本，而部署系统不支持单模块的并发操作。

因此，我们与系统部门合作，将每台机器的重装状态暴露出来，并将初始化脚本由部署系统改为使用 Zeus 执行，解决了下游无法并行处理的问题，并将上线流程升级为每台宿主对应一个任务流，各个任务流之间相互独立，经过优化后，弹性云的宿主上线耗时由之前的小时级缩短到分钟级。

备机管理

虽然机器上线的流程得到了极大的缩短，但在真实机器交付的过程中，机器上线只是整个交付过程中的一步。从发现资源不足到机器上到线上的完整流程包括以下几个步骤："资源不足->申请机器->交付机器->重装机器->上线->调度容器"。当线上流量突增时，通过这个流程补充机器无异于远水救近火。然而，从弹性云的视角来看，交付流程可以简化为"资源不足->加入资源->调度容器"，只要能提前完成"加入资源"这一步，就能实现分钟级的资源交付。

通过分析，我们发现系统部门有部分用于日常资源交付的备机。同时，弹性云的离线集群计算资源相对紧缺。离线集群在弹性云中属于隔离集群，而隔离集群和公共集群的本质是通过 Kubernetes 的 taint 特性来控制的。如果备机一直运行在离线隔离集群中，当线上资源不足时，只需移除备机上的 taint，即可将其加入公共集群，从而实现分钟级的资源交付。此外，离线容器对稳定性要求不高，因此当备机需要用于非弹性云业务线交付时也可以快速退回。因此，弹性云与系统部门合作开发了备机管理模块，具体功能如下：

• 自动上线：当备机交付到弹性云备机池后，它们会被自动上线到离线资源池。离线服务检测到有空闲容量自动扩容服务。
• 快速补充：当线上资源不足时，备机管理模块通过修改 taint 将机器转移到弹性云的公共资源池中。
• 快速退还：当系统部门需要备机时，可以快速缩容离线服务并将机器退回。

通过这种方式，弹性云的容量得到了保障，公司的备机池得到了充分利用，备机的利用率也得到了提升。

云上管理

随着云原生在公司的开展，弹性云机器管理也迎来了新的挑战。在 IDC 内，物理机的单次上线数量通常不超过几百台，而云上的弹性伸缩每天需要扩缩数千台虚拟机。IDC 内物理机的上线频率、数量与云上存在显著差异，而且云上资源用于承载核心链路的流量，因此扩容效率也需要更快。随着云上机器数量的增加，问题也逐渐暴露出来：

• 全流程服务有 8 个下游服务，而不同的下游服务具有不同的限速策略。
• 机器初始化时间过长，单次初始化耗时超过 5 分钟。
• 单次上线超过千台机器时，工单可能会卡死。

为了解决限速的问题，根据不同限速策略全流程做了最大限度地兼容。例如：当挂载的机器超过 200 台时，全流程会将机器按每组 200 台进行分组挂载，并确保容器的检查频率不超过 10 毫秒/台。

对于耗时问题，利用云上的镜像功能，将需要部署的服务提前打入镜像中。这样在上线虚拟机时，无需对机器进行初始化，大大缩短了机器上线的时间。然而，这种情况下的机器上线流程与之前完全不同。得益于调度器最初的设计便利性，我们为云上虚拟机上线单独增加了一套任务流，并将上线流程从 23 步精简到 10 步，大幅缩短了机器上线的时间。

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对工单卡死的问题，通过排查发现瓶颈主要出现在 etcd 和 mysql 上。在调度器设计之初，为了确保步骤执行的连贯性，调度器会持续获取未关闭的 MySQL 任务并尝试在 etcd 上获取锁。已获取到锁的进程执行任务，未获取到锁的任务会不断尝试获取。在高并发情况下，这种模式可能导致锁丢失。因此，针对任务，我们在数据库中新增了 isRunning 字段，用于判断任务是否已在运行。对正在运行的任务，调度器不再获取任务列表，也不再尝试抢锁。此外，我们对数据库关键字段添加了索引以减少任务查询耗费的时间。虽然这样做会损失部分任务执行的连贯性，但却换来了稳定性的极大提升。通过一系列优化措施，云上虚机的上线效率也提升到了1.5分钟/千台，满足了日常弹性伸缩的需求。

成本优化

弹性云成本主要集中在三部分，即服务器费用、定价服务费用和人力费用。其中，服务器费用每个月占了总成本的大部分。为了降低成本，弹性云可以采取容器治理和宿主缩容等措施来减少服务器定价支出，并降低对弹性云平台服务器的投入。弹性云机器资源可分为三类：线上实际使用资源、线上 buffer 资源和低负载（闲置）资源。通过对这些资源进行优化，有效降低了弹性云机器方面的成本。

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机器下线加速

经过之前的优化，弹性云机器的上线耗时已基本符合预期。由于机器下线和各业务的稳定性相关，下线耗时仍处于一个较高的水位。随着各类成本优化项目的开展，弹性云在2023年预计退还大量机器，但根据以往的经验来看，完全退还这些机器可能需要约2年时间，这个速度显然无法满足需求。机器下线耗时较长的原因主要有两个：

• 机器下线时需要按机器串行漂移容器，每台宿主机器漂移容器约需10分钟，每天最多可漂移50台机器。
• 弹性云存在一些容器无法漂移，并且还存在许多无主容器。在机器下线时，这些无主容器没有人处理，由于不清楚其影响范围，这些机器也不能轻易关机。

为了提升容器漂移速度，我们对下线流程进行了优化。将漂移方式由“按机器串行漂移”改造为“按集群并行漂移”，在不打破1、2、10原则的前提下尽可能地漂移容器。在确保稳定性的前提下，容器漂移速度由每天50台提升到了每小时100台。针对无主容器，我们与 SRE 及各业务线同学合作进行清理，并对长期无人处理的容器制定了下线标准，即：

• 每天向负责人发送通知，连续三次通知后，对不符合兜底策略的集群负责人进行拉群通知。
• 在拉群通知后观察一天，对仍未处理的集群，关闭对应宿主机并观察三天。
• 如果在三天内用户反馈异常，我们将在一小时内对容器进行恢复操作。如果三天后仍然无人反馈，将进行机器退还操作。

通过新的漂移流程和下线标准，可以有效提升弹性云机器的下线宿主，同时也能确保各优化项目的稳定推进。

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低负载资源治理

弹性云2022年低负载时间大于10天的机器存在不少，优化低负载机器的数量能降低部分弹性云成本，低负载资源在弹性云可分为以下两类：

• 预期内低负载：新机房交付还未投入使用、控制面机器利用率较低等
• 预期外低负载：机器交付忘记上线、测试后忘记退还等原因导致机器处于闲置状态，部分机器过保、维修后无法上线且未进行置换、退换等。

全流程为此开发了闲置资源管控模块，自动对闲置机器操作人进行通知。指定用户可对预期内低负载机器进行豁免，而长期未豁免的机器将自动退还。这样可以最终消化存量的预期外低负载机器并减少新增情况。

总结

在弹性云的发展过程中，宿主机的生命周期管理是一个重要的问题。最初，机器的上线操作是手动进行的，导致上线速度缓慢。

为了解决这个问题，弹性云开发了宿主生命周期管理平台(mmachine)。通过不断优化和改进，mmachine  缩短了机器上线的耗时，提高了效率，并通过定制下线标准、并发漂移等方式，缩短了机器下线周期，在保障稳定性的前提前下，加速退还弹性伸缩、机器置换等项目节省下来的资源。通过自动报修、低负载治理等模块，mmachine  将资源充分利用起来，提升了弹性云平台的整体资源利用率，降低了弹性云服务器的成本。

新闻名称：聊聊宿主机管理
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