Kubernetes的稳定性框架是什么
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引言
使用Kubernetes 1.15版本，通过API（/metrics）查询Kubernetes监控指标时，在某些指标的 HELP 信息中，可以看到诸如 “[ALPHA]” 、“[STABLE]” 、“（Deprecated）”等字样，用来标明监控指标的稳定性，以便于用户跟据自身需求来放心的使用这些指标来监控集群。
一个典型的指标如下所示：
# HELP rest_client_request_latency_seconds [ALPHA] (Deprecated) Request latency in seconds. Broken down by verb and URL.
# TYPE rest_client_request_latency_seconds histogram
rest_client_request_latency_seconds_bucket{url="https://[::1]:6443/%7Bprefix%7D",verb="GET",le="0.001"} 36
rest_client_request_latency_seconds_bucket{url="https://[::1]:6443/%7Bprefix%7D",verb="GET",le="0.002"} 148
rest_client_request_latency_seconds_bucket{url="https://[::1]:6443/%7Bprefix%7D",verb="GET",le="0.004"} 166
rest_client_request_latency_seconds_bucket{url="https://[::1]:6443/%7Bprefix%7D",verb="GET",le="0.008"} 172与其他API的标识一样，ALPHA意味着该监控指标还处理于实验阶段，可能随时会改变，而且不保证会通知用户，用户需要谨慎使用。Deprecated意味着该监控指标已被弃用，在将来的版本中会被删除，用户需要尽快停止使用或使用替代的监控指标。
本文编写时间为1.16版本发布前夕，既有的监控指标还未全部迁移到该框架中，所以只有部分监控指标会有稳定性标识。
本文希望从监控指标稳定性框架的开发背景讲起，接着介绍该框架的实现原理，以帮助开发者更详细的了解和使用这个特性。
背景
很多集群监控系统都使用Kubernetes提供的监控指标来监控集群运行状况，然而Kubernetes提供的指标没有任何稳定性的保证，也就是说Kubernetes随时有可能修改这些指标，用户升级新的Kubernetes版本后，有可能原有的监控指标已被修改或直接删除，这给用户带来了困扰，这种用户的困扰引起了社区关注。
为了解决这个问题，社区进行了广泛的讨论，总结下来有这两种主流的思路：
使用版本标记：为监控指标划分版本标识，比如
/metrics/v1beta1、/metrics/v1等；使用文档标记：提供文档标记那些稳定的监控指标；
这两种思路都有相应的优缺点：
使用版本标记的办法更类似于Kubernetes API的做法，这种做法优点是可以同时支持多个版本，缺点是实现起来非常笨重；
使用文档标记优点是实现简单，把稳定的监控指标记录到文档中即可，缺点是后续迭代时仍然会不可避免的破坏这个规则，从工程角度讲，非常难以管理。
最后，结合这两个思路的优缺点，社区使用了一个更具创新性的方案，也就是本文要介绍的稳定性框架，该框架在实现层面相对使用版本标记更简单，在工程层面比使用文档标记更易于管理。
愿景
与每个公司成立时都需要一个愿景或口号一样，监控指标稳定性框架也有自己的愿景：
提供一种描述监控指标稳定性的机制；
提供多种监控稳定性描述；
两个愿景，一个是帮助Kubernetes开发人员定义自己的监控指标，一个是如何向用户呈现稳定性保证。
同时，以下内容不在框架的考虑范围：
不定义某个具体的监控指标稳定级别；
不负责检查具体的监控指标是否符合规范；
事实上，本框架不考虑的这些内容也很重要，会在社区其他事项中去做，只是本框架不负责这些内容。
实现原理
旧的实现
我们或许都听说过Prometheus已成为Kubernetes监控的事实标准，这体现在Kubernetes的很多组件（kube-scheduler、kubelet、kube-controller-manager和kube-apiserver等）都使用Prometheus客户端来生成Prometheus格式的监控指标。
使用Prometheus，对于每个监控指标一般会先初始化一个实例，再添加到全局的注册表中，最后当用户使用API访问时，http handler 负责把这些监控指标导出。
初始化实例：
var authenticatedUserCounter = prometheus.NewCounterVec(
prometheus.CounterOpts{
Name: "authenticated_user_requests",
Help: "Counter of authenticated requests broken out by username.",
},
[]string{"username"},
)添加到注册表：
prometheus.MustRegister(authenticatedUserCounter)
http handler 使用的也是 Prometheus提供的handler:
// Install adds the DefaultMetrics handler
func (m DefaultMetrics) Install(c *mux.PathRecorderMux) {
register()
c.Handle("/metrics", prometheus.Handler())
}由上可以看到，原有的监控标标严重依赖Prometheus的特性，而新的框架设计将会对监控指标的定义、初始化、注册过程进行封装，即各组件不再直接使用Prometheus，而是使用新的框架，尽管新的框架还是使用Prometheus来实现，但提供了更多个性化的设计。
新的实现：监控指示定义
在监控指标定义环节，新框架提供了新的指标参数结构体，以便于增加稳定性标识。
比如，曾经使用Prometheus定义一个计数器时会使用prometheus.CounterOpts结构体，如下所示：
var someMetricDefinition = prometheus.CounterOpts{
Name: "some_metric",
Help: "some description",
}新框架则提供了一个经过扩展的参数结构体kubemetrics.CounterOpts，新增加了StabilityLevel和DeprecatedVersion等字段用于表示稳定性和弃用标示。
表示一个监控指标被废弃，可以如下定义：
var deprecatedMetricDefinition = kubemetrics.CounterOpts{
Name: "some_deprecated_metric",
Help: "some description",
StabilityLevel: kubemetrics.STABLE, // 自定义字段，稳定性标识
DeprecatedVersion: "1.15", // 自定义字段，弃用标识
}表示一个ALPHA监控指标，可以如下定义：
var alphaMetricDefinition = kubemetrics.CounterOpts{
Name: "some_alpha_metric",
Help: "some description",
StabilityLevel: kubemetrics.ALPHA,
DeprecatedVersion: "1.15", // 可选字段，标明将在哪个版本弃用
}与Prometheus一致，新框架对4种监控指标分别做了扩展：
CounterOpts
GaugeOpts
HistogramOpts
SummaryOpts
本节暂不对每种监控指标展开介绍，还是聚焦在阐述新框架的实现思路上。
新的实现：监控指标初始化
曾经，使用Prometheus来初始化监控指标（获取监控指标实例），将使用一系列的prometheus.NewXXX()方法，如下所示：
var someCounterVecMetric = prometheus.NewCounterVec(
someMetricDefinition, // 指标定义
[]string{"some-label", "other-label"}, // 指标的label
}一方面，由于新的框架扩展了指标定义结构体，无法继续使用prometheus.NewXXX()方法，另一方面新框架也希望能在指标初始化时扩展自定义行为（比如处理定义环节加入的字段），所以新框架中也提供了类似的一系列方法。
使用新框架的方法来初始化实例示例如下：
var deprecatedMetric = kubemetrics.NewCounterVec(
deprecatedMetricDefinition, // 扩展的指标定义
[]string{"some-label", "other-label"},
}同样与Prometheus保持一致，新框架也提供了所有的初始化方法：
NewCounter() 和 NewCounterVec()
NewGauge() 和 NewGaugeVec()
NewHistogram() 和 NewHistogramVec()
NewSummary() 和 NewSummaryVec()
同样，本节暂不对每种初始化方法展开介绍，这部分内容留到后面的章节中。
新的实现：监控指标注册
曾经，使用Prometheus来注册一个监控指标实例时，实际上是注册到一个全局的注册表，如下所示：
prometheus.MustRegister(someCounterVecMetric)
新框架中对注册也进行了封装，以便增加自定义的行为，比如废弃版本检查，注册逻辑伪代码如下：
import version "k8s.io/apimachinery/pkg/version"
type Registry struct {
promregistry *prometheus.Registry
KubeVersion version.Info
}
func (r *Registry) MustRegister(metric kubemetrics.Metric) {
if metricutils.compare(metric.DeprecatedVersion).isLessThan(r.KubeVersion) { // 如果废弃版本比当前版本低，检查废弃规则，不满足则不再注册
// check if binary has deprecated metrics enabled otherwise
// no-op registration
return
} else if metricutils.compare(metric.DeprecatedVersion).isEqual(r.KubeVersion) { // 如果废弃版本与当前版本一致，则把弃用信息增加到指标的 HELP 信息中并记录 warning 日志
// append deprecated text to description
// emit warning in logs
// continue to actual registration
}
// 如果是 ALPHA 监控指标，增加相应的标识到 HELP 信息中
r.promregistry.MustRegister(metric.realMetric) // 最后还是使用Prometheus来完成注册
}使用新框架注册，如下所示：
kubemetrics.MustRegister(deprecatedMetric) kubemetrics.MustRegister(alphaMetric)
由上综述，可以看到在编程层面，既有的监控指标可以方便的迁移到新框架，如果监控指标没有个性化的需求，那么其行为与原Prometheus完全一致，如果有个性化的需求，通过简单的配置就可完成，具体的实现细节全部由新框架负责。
稳定性声明
当前版本（kubernetes 1.15 & 1.16）提供两个级别的稳定性，用来阐述每个监控指标的稳定性：
Alpha
Stable
需要额外提及的时，在当前的设计中并没有考虑 Beta 级别，新框架作者表示将来有需要时再添加，添加也会非常简单。
Alpha 级别的监控指标，基本上不提供任何稳定性的保证，它们可以随时被修改，而且新框架引入后，既有的监控指标都将标记为这个级别。
Stable 级别的监控指示，基本上可以保证“不再修改”，除非将来被废弃。这里所说的“不再修改”指以下三个内容不会修改：
监控指标本身不会被删除或重命名；
监控指标类型不会被修改；
监控指标的lable列表不会增加或减少；
针对Stable级别的监控指标，lable列表不会改变，但lable 值是可以改变的。比如，某个指标用于记录鉴权的次数，使用"result"作为lable进行区分，lable 值原来是"success"和"failure"，是允许增加新的lable 值的，比如增加一个"error"（不是简单的鉴权失败，而是出现某种异常）。
比如，你之前得到的指标将会由：
authentication_attempts{result="success"} 1345
authentication_attempts{result="failure"} 100变成：
authentication_attempts{result="success"} 1345
authentication_attempts{result="failure"} 100
authentication_attempts{result="error"} 1 // 增加新的lable 值一般来讲，这种变化对用户的冲击不会很大。
针对Stable级别的监控指标，删除或增加 lable 是不允许的，如果必须要这么做，需要先把当前的指标废弃，再提供一个新的监控指标。
对于用户来讲，新框架还提供了一个由用户显式的屏蔽某些监控指标的能力，默认情况下，所有的监控指标都会被注册并最终通过API提供给用户，但使用新框架后，用户可以通过相应组件的启动参数显式的关掉某些监控指标，比如：
--disable-metrics=somebrokenmetric,anothermetric
稳定性保证
把一个监控指标标记为 Stable 意味着对广大用户做出了一个承诺，这跟 API 是一致的。所以将某个监控指标标记为 Stable 或者 废弃某个监控指标时，需要非常谨慎的 review。
然而，跟据Kubernetes社区的组织划分，各个组件分别有不同的 group (准确叫法是SIG)来负责相应的组件开发，各group的 reviewer 可能并不完全了解新框架所引入的这个理念，所以各group很有可能将来破坏之前做出的稳定性承诺。而每个相关监控指标的修改都由负责监控的group来review，代价会非常大，而变得不可取。
针对这个问题，kubernetes社区又提供了让人眼前一亮的方法，即引入新的一致性测试。 即，生成一份现有的稳定性列表，并存放到某个由监控组管理的目录中，增加新的CI工作流收集最新的稳定性监控指标，二者对比，如果不一致，CI 会失败并拒绝合入，除非显式的修改稳定性列表。CI可以保证当显式的修改稳定性列表时，必须经过监控组的批准。
弃用规则
每个Stable的监控指标，在决定要将其废弃后，可以在监控指标定义处显式的指定将要弃用的版本（DeprecatedVersion）。某个指标标记为废弃后不会马上被删除，需要留给用户一个适配的窗口，在接下来的某些版本中才会真正被删除。
被废弃的监控指标都会经历如下阶段（每个阶段代表一个kubernetes minor版本）：
Stable metric -> Deprecated metric -> Hidden metric -> Deletion
比如，某个监控指标在1.16版本进入 Stable 阶段，将在 1.17版本弃用，那么在各版本其状态如下：
1.16（Stable metric）：可正常使用；
1.17（Deprecated metric）：标记为弃用，当前版本仍然可以用，但是用户需要准备适配；
1.18（Hidden metric）：默认不开启该监控指标，管理员可通过参数显式的启用该指标；
1.19（Deletion）：彻底删除，无法再使用；
弃用阶段
比如，某个监控指标将在1.17版本废弃，那么1.17版本（或更早的版本）开发时可以这样设置：
var someCounter = kubemetrics.CounterOpts{
Name: "some_counter",
Help: "this counts things",
StabilityLevel: kubemetrics.STABLE,
DeprecatedVersion: "1.17", // this metric is deprecated when the Kubernetes version == 1.17
}使用1.17之前的版本，监控指标信息如下：
# HELP some_counter this counts things # TYPE some_counter counter some_counter 0
那么用户在使用1.17版本时，将会看到相应的指标信息中出现弃用信息：
# HELP some_counter (Deprecated from 1.17) this counts things # TYPE some_counter counter some_counter 0
此外，当监控指标被标记为废弃后，虽然能正常使用，但是在相应的组件日志中可以看到告警日志。
隐藏阶段
当监控指标被弃用的下一个版本，即DeprecatedVersion == current_kubernetes_version - 1时，该监控指标默认会被隐藏：即不会自动注册。
被隐藏的指标可以通过相应组件的启动参数（--enable-hidden-metrics=really_deprecated_metric）来显式的启用。
如果用户忘记在上个版本中做好适配，仍然可以在本版本中继续使用，这无疑给用户延长了适配窗口。
另外，需要特别提及的几点是：
被标记为弃用的监控指标仍然尊守之前的稳定性约定，除了增加弃用标记外不会修改指标内容；
本弃用规则是针对Stable监控指标的，不对 Alpha 监控指标做强制要求。
处于 Alpha 阶段的监控指标也可以标记废弃版本号，它可以帮助使用 Alpha 监控指标的用户准确的了解某个监控指标何时会被删除，仅用于说明，被删除前可以不遵循弃用规则；
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