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基于 MIPS 架构的 Kubernetes 方案

作者: 石光银，尹东超，展望，江燕，蔡卫卫，高传集，孙思清（浪潮）

背景

MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages) 是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构 (ISA)，出现于 1981 年，由 MIPS 科技公司开发。如今 MIPS 架构被广泛应用于许多电子产品上。

Kubernetes 官方目前支持众多 CPU 架构诸如 x86, arm/arm64, ppc64le, s390x 等。然而目前还不支持 MIPS 架构，始终是一个遗憾。随着云原生技术的广泛应用，MIPS 架构下的用户始终对 Kubernetes on MIPS 有着迫切的需求。

成果

多年来，为了丰富开源社区的生态，我们一直致力于在 MIPS 架构下适配 Kubernetes。随着 MIPS CPU 的不断迭代优化和性能的提升，我们在 mips64el 平台上取得了一些突破性的进展。

多年来，我们一直积极投入 Kubernetes 社区，在 Kubernetes 技术应用和优化方面具备了丰富的经验。最近，我们在研发过程中尝试将 Kubernetes 适配到 MIPS 架构平台，并取得了阶段性成果。成功完成了 Kubernetes 以及相关组件的迁移适配，不仅搭建出稳定高可用的 MIPS 集群，同时完成了 Kubernetes v1.16.2 版本的一致性测试。

Kubernetes on MIPS

图一 Kubernetes on MIPS

K8S-MIPS 组件构建

几乎所有的 Kubernetes 相关的云原生组件都没有提供 MIPS 版本的安装包或镜像，在 MIPS 平台上部署 Kubernetes 的前提是自行编译构建出全部所需组件。这些组件主要包括：

  • golang
  • docker-ce
  • hyperkube
  • pause
  • etcd
  • calico
  • coredns
  • metrics-server

得益于 Golang 优秀的设计以及对于 MIPS 平台的良好支持，极大地简化了上述云原生组件的编译过程。首先，我们在 mips64el 平台编译出了最新稳定的 golang, 然后通过源码构建的方式编译完成了上述大部分组件。

在编译过程中，我们不可避免地遇到了很多平台兼容性的问题，比如关于 golang 系统调用 (syscall) 的兼容性问题, syscall.Stat_t 32 位 与 64 位类型转换，EpollEvent 修正位缺失等等。

构建 K8S-MIPS 组件主要使用了交叉编译技术。构建过程包括集成 QEMU 工具来实现 MIPS CPU 指令的转换。同时修改 Kubernetes 和 E2E 镜像的构建脚本，构建了 Hyperkube 和 MIPS 架构的 E2E 测试镜像。

成功构建出以上组件后，我们使用工具完成 Kubernetes 集群的搭建，比如 kubespray、kubeadm 等。

名称 版本 MIPS 镜像仓库
MIPS 版本 golang 1.12.5 -
MIPS 版本 docker-ce 18.09.8 -
MIPS 版本 CKE 构建 metrics-server 0.3.2 registry.inspurcloud.cn/library/cke/kubernetes/metrics-server-mips64el:v0.3.2
MIPS 版本 CKE 构建 etcd 3.2.26 registry.inspurcloud.cn/library/cke/etcd/etcd-mips64el:v3.2.26
MIPS 版本 CKE 构建 pause 3.1 registry.inspurcloud.cn/library/cke/kubernetes/pause-mips64el:3.1
MIPS 版本 CKE 构建 hyperkube 1.14.3 registry.inspurcloud.cn/library/cke/kubernetes/hyperkube-mips64el:v1.14.3
MIPS 版本 CKE 构建 coredns 1.6.5 registry.inspurcloud.cn/library/cke/kubernetes/coredns-mips64el:v1.6.5
MIPS 版本 CKE 构建 calico 3.8.0 registry.inspurcloud.cn/library/cke/calico/cni-mips64el:v3.8.0 registry.inspurcloud.cn/library/cke/calico/ctl-mips64el:v3.8.0 registry.inspurcloud.cn/library/cke/calico/node-mips64el:v3.8.0 registry.inspurcloud.cn/library/cke/calico/kube-controllers-mips64el:v3.8.0

注: CKE 是浪潮推出的一款基于 Kubernetes 的容器云服务引擎

K8S-MIPS Cluster Components

图二 K8S-MIPS 集群组件

CPU Architecture

图三 CPU 架构

Cluster Node Information

图四 集群节点信息

运行 K8S 一致性测试

验证 K8S-MIP 集群稳定性和可用性最简单直接的方式是运行 Kubernetes 的 一致性测试。

一致性测试是一个独立的容器，用于启动 Kubernetes 端到端的一致性测试。

当执行一致性测试时，测试程序会启动许多 Pod 进行各种端到端的行为测试，这些 Pod 使用的镜像源码大部分来自于 kubernetes/test/images 目录下，构建的镜像位于 gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/。由于镜像仓库中目前并不存在 MIPS 架构的镜像，我们要想运行 E2E 测试，必须首先构建出测试所需的全部镜像。

构建测试所需镜像

第一步是找到测试所需的所有镜像。我们可以执行 sonobuoy images-p e2e 命令来列出所有镜像，或者我们可以在 /test/utils/image/manifest.go 中找到这些镜像。尽管 Kubernetes 官方提供了完整的 Makefile 和 shell 脚本，为构建测试映像提供了命令，但是仍然有许多与体系结构相关的问题未能解决，比如基础映像和依赖包的不兼容问题。因此，我们无法通过直接执行这些构建命令来制作 mips64el 架构镜像。

多数测试镜像都是使用 golang 编写，然后编译出二进制文件，并基于相应的 Dockerfile 制作出镜像。这些镜像对我们来说可以轻松地制作出来。但是需要注意一点：测试镜像默认使用的基础镜像大多是 alpine, 目前 Alpine 官方并不支持 mips64el 架构，我们暂时未能自己制作出 mips64el 版本的 alpine 础镜像，只能将基础镜像替换为我们目前已有的 mips64el 基础镜像，比如 debian-stretch,fedora, ubuntu 等。替换基础镜像的同时也需要替换安装依赖包的命令，甚至依赖包的版本等。

有些测试所需镜像的源码并不在 kubernetes/test/images 下,比如 gcr.io/google-samples/gb-frontend:v6 等，没有明确的文档说明这类镜像来自于何方，最终还是在 github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes-engine-samples 这个仓库找到了原始的镜像源代码。但是很快我们遇到了新的问题，为了制作这些镜像，还要制作它依赖的基础镜像，甚至基础镜像的基础镜像，比如 php:5-apache、redis、perl 等等。

经过漫长庞杂的的镜像重制工作，我们完成了总计约 40 个镜像的制作 ，包括测试镜像以及直接和间接依赖的基础镜像。 最终我们将所有镜像在集群内准备妥当，并确保测试用例内所有 Pod 的镜像拉取策略设置为 imagePullPolicy: ifNotPresent。

这是我们构建出的部分镜像列表：

  • docker.io/library/busybox:1.29
  • docker.io/library/nginx:1.14-alpine
  • docker.io/library/nginx:1.15-alpine
  • docker.io/library/perl:5.26
  • docker.io/library/httpd:2.4.38-alpine
  • docker.io/library/redis:5.0.5-alpine
  • gcr.io/google-containers/conformance:v1.16.2
  • gcr.io/google-containers/hyperkube:v1.16.2
  • gcr.io/google-samples/gb-frontend:v6
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/agnhost:2.6
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/apparmor-loader:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/dnsutils:1.1
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/echoserver:2.2
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/ipc-utils:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/jessie-dnsutils:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/kitten:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/metadata-concealment:1.2
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/mounttest-user:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/mounttest:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/nautilus:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/nonewprivs:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/nonroot:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/resource-consumer-controller:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/resource-consumer:1.5
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/sample-apiserver:1.10
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/test-webserver:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/volume/gluster:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/volume/iscsi:2.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/volume/nfs:1.0
  • gcr.io/kubernetes-e2e-test-images/volume/rbd:1.0.1
  • registry.k8s.io/etcd:3.3.15 (镜像自发布以来已更改（以前使用的仓库为 "k8s.gcr.io"))
  • registry.k8s.io/pause:3.1 (镜像自发布以来已更改（以前使用的仓库为 "k8s.gcr.io"))

最终我们执行一致性测试并且得到了测试报告，包括 e2e.log，显示我们通过了全部的测试用例。此外，我们将测试结果以 pull request 的形式提交给了 k8s-conformance 。

Pull request for conformance test results

图五 一致性测试结果的 PR

后续计划

我们手动构建了 K8S-MIPS 组件以及执行了 E2E 测试，验证了 Kubernetes on MIPS 的可行性，极大的增强了我们对于推进 Kubernetes 支持 MIPS 架构的信心。

后续，我们将积极地向社区贡献我们的工作经验以及成果，提交 PR 以及 Patch For MIPS 等， 希望能够有更多的来自社区的力量加入进来，共同推进 Kubernetes for MIPS 的进程。

后续开源贡献计划：

  • 贡献构建 E2E 测试镜像代码
  • 贡献构建 MIPS 版本 hyperkube 代码
  • 贡献构建 MIPS 版本 kubeadm 等集群部署工具