如何在 Kubernetes 集群集成 Kata

1. Kata 解决什么问题

安全性和隔离性是 Kata Container 显著区别于 Docker Container 的地方。

Kata Container 来源于 Intel Clear Containers 和 Hyper runV 项目的合并。Intel Clear Containers 借助 Intel VT-x 技术使用轻量级虚拟机提供容器，解决安全性问题，同时性能优异。而 Hyper runV 对标的是 Docker 的 runc ，提供容器的运行时，遵循 OCI runtime 规范。

2. Kubernetes 中的 Kata

2.1 OCI 和 CRI-O

OCI 标准是为了避免容器标准被 Docker 独家挟持而出现的。

CRI 标准将 Kubelet 与运行时解耦，实现 CRI 标准的容器管理程序都可以用于 Pod 创建。

CRI-O 插件同时实现了 CRI 和 OCI 标准，可以用于替换 Containerd 直接与 runc 等 OCI runtime 对接。

如下图：

2.2 Kata 与 Containerd

为了兼容 OCI 标准，Docker 将管理运行时的功能从 Docker Daemon 中剥离出来，形成了 Containerd 。在运行容器时，可以不用 Docker 的 runc ，而替换为 kata-runtime 。

2.3 Kata 与 Kuberntes 的集成

如下图，Kata 主要替换的是 OCI runtime 层，其他部分与基于 Docker runc 的 Kubernetes 并无差异。同时，基于 kata-runtime 的 Pod 和基于 runc 的 Pod 可以共存于集群之中。

目前的主要问题是，Kata 不支持 host 网络。而 Kubernetes 中，etcd、nodelocaldns、kube-apiserver、kube-scheduler、metrics-server、node-exporter、kube-proxy、calico、kube-controller-manager 等，也就是 Static Pod 和 Daemonset 都会使用 host 网络。所以在安装部署时，依然使用 runc 作为默认的运行时，而将 kata-runtime 作为可选的运行时给特定的负载使用。

3. Kubernetes 集群集成 Kata

3.1 安装 Kubernetes 集群

使用 Kubeadm 安装集群非常方便，可以参考之前的文档使用 Kubeadm 安装 Kubernetes 集群。

也可以直接参考官方文档，https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm/install-kubeadm/ 。

由于，Kata 需要硬件虚拟化支持，IaaS 厂商一般没有开启相关的功能。我使用的是物理机，只能使用国内的网络。下面的脚本，可以用来提前下载相关镜像。

查询镜像列表

kubeadm config images list

k8s.gcr.io/kube-apiserver:v1.17.9
k8s.gcr.io/kube-controller-manager:v1.17.9
k8s.gcr.io/kube-scheduler:v1.17.9
k8s.gcr.io/kube-proxy:v1.17.9
k8s.gcr.io/pause:3.1
k8s.gcr.io/etcd:v3.3.12
k8s.gcr.io/coredns:1.6.9

下载镜像

images=(
  kube-apiserver:v1.17.9
  kube-controller-manager:v1.17.9
  kube-scheduler:v1.17.9
  kube-proxy:v1.17.9
  pause:3.1
  etcd:v3.3.12
  coredns:1.6.9
)

for imageName in ${images[@]} ; do
    docker pull registry.cn-beijing.aliyuncs.com/google_containers/$imageName
    docker tag registry.cn-beijing.aliyuncs.com/google_containers/$imageName k8s.gcr.io/$imageName
    docker rmi registry.cn-beijing.aliyuncs.com/google_containers/$imageName
done

查看安装的 Kubernetes 版本

kubectl version

Client Version: version.Info{Major:"1", Minor:"17", GitVersion:"v1.17.9", GitCommit:"4fb7ed12476d57b8437ada90b4f93b17ffaeed99", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2020-07-15T16:18:16Z", GoVersion:"go1.13.9", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}
Server Version: version.Info{Major:"1", Minor:"17", GitVersion:"v1.17.9", GitCommit:"4fb7ed12476d57b8437ada90b4f93b17ffaeed99", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2020-07-15T16:10:45Z", GoVersion:"go1.13.9", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

3.2 安装 Kata 命令行工具

以 CentOS 操作系统为例：

source /etc/os-release
yum -y install yum-utils
ARCH=$(arch)
BRANCH="${BRANCH:-master}"
yum-config-manager --add-repo "http://download.opensuse.org/repositories/home:/katacontainers:/releases:/${ARCH}:/${BRANCH}/CentOS_${VERSION_ID}/home:katacontainers:releases:${ARCH}:${BRANCH}.repo"
yum -y install kata-runtime kata-proxy kata-shim

3.3 检测硬件是否支持 Kata

Kata 对硬件的要求需要满足以下任意条件：

Intel VT-x technology.
ARM Hyp mode (virtualization extension).
IBM Power Systems.
IBM Z mainframes.

安装完 kata-runtime 之后，执行检测命令：

kata-runtime kata-check

System is capable of running Kata Containers
System can currently create Kata Containers

这里的输出表示，运行环境支持 Kata Containers 。

3.4 配置并测试 Docker

配置 kata-runtime 参数

`1`	`vim /etc/docker/daemon.json`

新增如下内容，默认依然使用 runc，但是通过指定 runtime 参数可以使用 Kata 。

{
  "runtimes": {
    "kata-runtime": {
      "path": "/usr/bin/kata-runtime"
    }
  }
}

重启 Docker 服务

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2

systemctl daemon-reload
systemctl restart docker

测试 Kata 是否安装成功

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2
3

docker run --runtime=kata-runtime  busybox uname -a

Linux 249a23f53475 5.4.60-65.1.container #1 SMP Thu Jan 1 00:00:00 UTC 1970 x86_64 GNU/Linux

1
2
3

docker run busybox uname -a

Linux b4812ed8990c 3.10.0-1127.el7.x86_64 #1 SMP Tue Mar 31 23:36:51 UTC 2020 x86_64 GNU/Linux

kata-runtime 容器使用的内核版本与宿主机不同，这就说明 kata-runtime 配置成功了。

3.5 配置 Kubelet

新增配置文件

mkdir -p  /etc/systemd/system/kubelet.service.d/
cat << EOF | sudo tee  /etc/systemd/system/kubelet.service.d/0-containerd.conf
[Service]
Environment="KUBELET_EXTRA_ARGS=--container-runtime=remote --runtime-request-timeout=15m --container-runtime-endpoint=unix:///run/containerd/containerd.sock"
EOF

重启生效

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2

systemctl daemon-reload
systemctl restart kubelet

这里使用的是 containerd 。如果使用 CRI-O ，配置会不一样。

3.6 给 Kubernetes 提供 kata-runtime

通过直接创建 Container 可以使用 kata-runtime 。但在集群中，我们该如何告诉 Kubernetes 哪些负载需要使用 kata-runtime 呢？根据不同的版本，Kata 提供了不同的方式。

首先都需要生成 containerd 配置文件

`1`	`containerd config default > /etc/containerd/config.toml`

RuntimeClass 的方式

这种方式对相关组件版本有要求：

Kata Containers v1.5.0 or above (including 1.5.0-rc)
Containerd v1.2.0 or above
Kubernetes v1.12.0 or above

在 config.toml 配置文件中，增加如下内容：

    [plugins.cri.containerd]
      no_pivot = false
    [plugins.cri.containerd.runtimes]
      [plugins.cri.containerd.runtimes.runc]
         runtime_type = "io.containerd.runc.v1"
         [plugins.cri.containerd.runtimes.runc.options]
           NoPivotRoot = false
           NoNewKeyring = false
           ShimCgroup = ""
           IoUid = 0
           IoGid = 0
           BinaryName = "runc"
           Root = ""
           CriuPath = ""
           SystemdCgroup = false
      [plugins.cri.containerd.runtimes.kata]
         runtime_type = "io.containerd.kata.v2"
      [plugins.cri.containerd.runtimes.katacli]
         runtime_type = "io.containerd.runc.v1"
         [plugins.cri.containerd.runtimes.katacli.options]
           NoPivotRoot = false
           NoNewKeyring = false
           ShimCgroup = ""
           IoUid = 0
           IoGid = 0
           BinaryName = "/usr/bin/kata-runtime"
           Root = ""
           CriuPath = ""
           SystemdCgroup = false

这里 [plugins.cri.containerd.runtimes.kata] 中的 kata 将被作为 RuntimeClass handler 关键字。

使用 untrusted_workload_runtime 的方式

对于不符合上述版本要求的环境，可以使用之前的方式。

在配置文件中新增如下内容：

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    [plugins.cri.containerd.untrusted_workload_runtime]
      runtime_type = "io.containerd.runtime.v1.linux"
      runtime_engine = "/usr/bin/kata-runtime"

最后，都需要重启 containerd。

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2

containerd systemctl daemon-reload
systemctl restart containerd

4. 使用 kata-runtime

4.1 RuntimeClass 方式

创建 RuntimeClass

kata-runtime.yaml

kind: RuntimeClass
apiVersion: node.k8s.io/v1beta1
metadata:
  name: kata-containers
handler: kata

也可以为 runc 创建 RuntimeClass

kubectl get runtimeclass

NAME              CREATED AT
kata-containers   2020-08-30

创建负载 kata-pod.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: kata-nginx
spec:
  runtimeClassName: kata-containers
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx
      ports:
        - containerPort: 80

`1`	`kubectl apply -f kata-pod.yaml`

查看负载

4.2 untrusted_workload_runtime 的方式

untrusted_workload_runtime 使用 annotations 告诉 Kubernetes 集群哪些负载需要使用 kata-runtime。

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2

annotations:
  io.kubernetes.cri.untrusted-workload: "true"

下面是一个示例 kata-pod-untrusted.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: kata-nginx-untrusted
  annotations:
    io.kubernetes.cri.untrusted-workload: "true"
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx
      ports:
        - containerPort: 80

`1`	`kubectl apply -f kata-pod-untrusted.yaml`

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