Kubernetes 原生的管理能力目前仍然停留在單集群級別。每一個集群可以穩定地自治運行，但是卻缺乏橫貫多個集群的統籌管理能力。Kubefed是開源的多集群管理方案，可應用于突破單集群性能瓶頸、異地多集群、混合云管理等場景。通過CRD+Operator的方式定義一系列自定義聯邦資源，并通過自定義Controller實現跨集群資源協調能力。
kubefed簡介
1.1 kubfed介紹
Kubefed（Federation v2）即 Kubernetes 聯邦，是開源的多集群解決方案，目前的版本是 v0.8.1，處于beta階段。Federation v1版本因為在擴展性、權限管理、架構等方便存在一定缺陷而被廢棄。v2版本對v1版本架構進行了優化，使用CRD+operator的方式定義一系列自定義聯邦資源，并通過自定義controller實現跨集群資源協調能力。
Kubefed可應用于突破單集群性能瓶頸、控制故障爆炸半徑、異地多集群、混合云管理等場景，集群建立聯邦后，可以將用戶的k8s資源在多集群中分發并管理。
1.2 Kubfed組成
Kubefed組件圖
Kubefed所有組件部署在一個集群中，該集群作為Host集群，kubefed通過api訪問其他成員集群的kube-apiserver實現對成員集群的管理，kubefed所在集群也可以配置為成員集群。
Kubefed主要由三個組件組成：
Kubefed admission webhook：提供了準入控制，作用在CR的創建過程的校驗階段
Kubefed controller-manager：kubefed控制平面，處理自定義資源以及協調不同集群間的資源狀態
Kubfedctl：二進制管理工具，實現用戶和kubefed的交互，比如集群注冊、資源注冊等
2 kubefed CRD
2.1 Kubefed CRD介紹
Kubefed通過crd實現了對任意資源的聯邦管理，相對于Federation v1需要通過擴展api-server的實現，大大提高了靈活性和擴展性。
Kubefed中CRD API GROUP如下表格所示：
2.2 kubefed CRD的交互
CRD組成及交互圖
對集群資源聯邦化的實現主要是通過兩種CRD來完成，分別是 FederatedTypeConfig 和 Federated。
FederatedTypeConfig定義了 Federated和kubernetes api資源的關聯關系。而 Federated用來定義怎么去聯邦化對應的kubernetes api資源。
一個典型的deployment的FederatedTypeConfig示例如下：
apiVersion: types.kubefed.io/v1beta1
kind: FederatedDeployment
metadata:
name: fed-deploy
namespace: fed-ns
spec:
template:
{deployment-define}
overrides:
- clusterName: cluster-1
clusterOverrides:
- path: /spec/replicas
value: 10
- path: /spec/template/spec/containers/0/image
value: nginx:1.17.0-alpine
placement:
clusters:
- name: cluster-1
- name: cluster-2
status:
clusters:
- name: cluster -1
- name: cluster -2
conditions:
- lastTransitionTime: "2021-12-13T09:40:27Z"
status: "True"
type: Propagation
Federated Type CRD包含三個部分：
Template:該資源本身的定義，用于集群中該資源的創建
Placement:分發策略，定義該資源部署于哪些集群中
Overrides：對template中的字段進行覆蓋重寫，用于對資源的配置更新。如示例中對名稱為cluster-1的member cluster中deployment的副本數和鏡像進行了重新配置。Override中未選擇的集群使用template的定義，保持不變。
用戶通過kubefedctl enable命令生成指定該資源類型的FederatedTypeConfig CRD，通過 kubefedctl federate或者使用定義好的yaml文件對資源進行聯邦部署。
2.3 集群資源調度CRD
RSP（ReplicaSchedulingPreference）可以被視為對用戶更友好的分發副本的機制，方便用戶定義資源在不同集群的部署策略。用戶只需要創建RSP資源和關聯的聯合資源（僅填充spec.template）可以將副本在各集群之前按照定義策略分發。
RSP模塊可以對Federated Type CRD中placement和Overrides字段內容進行重寫，rs重寫數據來源于用戶配置的調度文件。
一個典型的RSP文件定義示例如下，該RSP文件定義了一個deployment應用負載在部署時，各集群的部署策略。
apiVersion: scheduling.kubefed.io/v1alpha1
kind: ReplicaSchedulingPreference
metadata:
name: fed-deploy
namespace: fed-ns
spec:
targetKind: FederatedDeployment
totalReplicas: 20
clusters:
"*":
weight: 1
maxReplicas: 15
cluster-1:
weight:
minReplicas: 3
maxReplicas: 10
RSP文件中主要包含以下字段：
targetKind：定義該RSP文件應用的聯邦資源類型，目前僅支持FederatedDeployment和FederatedReplicaSet。
totalReplicas：資源的總副本數，各個集群按照用戶配置的權重或者比例進行資源計算時，會先根據總數進行計算得到一個初步結果，若集群中配置了最大值或最小值與計算得到的值沖突，則會使用用戶配置的最大值或者最小值。因此實際的總副本數可能會和配置的總副本數不一致。
2.3 kubefed 實現原理
kubefed使用自定義CRD和自定義controller 實現聯邦集群的資源管理，原理如下圖所示：
Kubfed控制面主要由三個自定義controller組成：
ClusterController: 集群控制器，用戶通過kubefedctl join/unjoin 來加入/刪除集群，當成功加入時，會建立一個 KubefedCluster 組件來儲存集群相關信息，如 API Endpoint、CA Bundle 等。這些信息會被用在 KubeFed Controller 訪問各 Kubernetes 集群，以確保能夠建立 Kubernetes API 資源。并定時調用各集群的/healthz接口，維護可用集群列表，用于應用分發前的集群選擇與過濾。
FederateTypeConfigController:聯邦資源控制器，用于管理各集群間資源分發與狀態監控。聯邦資源控制器會為每種聯邦資源類型創建一個資源分發控制器，和狀態收集控制器，實現該類資源的聯邦功能。StatusController和SyncController 都使用了FederatedInformer用來感知所有member cluster中某中聯邦資源的變更。如果變更則從HostCluster中獲取最新的資源定義同步到各memberCluster中。
SchedulerManage：調度控制器，用于創建適用于ReplicaSet和Deployment的RSPController，RSPController。當用戶創建RSP資源后，RSP Controller 會收到通知，匹配對應 namespace/name 的 FederatedDeployment 與 FederatedReplicaSet 是否存在，若存在的話，會根據rsp中設定的策略計算出每個集群預期的副本數，之后覆寫 Federated 資源中的 spec.overrides 內容以重新定義每個集群的副本數，最后再由 KubeFed Sync Controller 來同步至每個集群。
3 總結
Kubefed通過crd與自定義controller實現了對任意資源的聯邦，并支持用戶自定義調度策略，易于擴展和維護。
目前多集群管理除了kubefed項目還有華為推出的karmada、阿里和redhat推出的OCM(open cluster management)項目，相對于karmada部署資源時host cluster上必須要部署，kubefed可以選擇不部署在host cluster，減少了控制面所在集群的負擔，但在資源管理和資源調度上karmada比kubefed有優勢。另外kubefed相對于ocm，聯邦化資源會產生較多的crd，在維護各集群中crd的api版本增加了負擔。因此需要用戶根據實際使用場景選擇合適的多集群管理方案。
