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Kubernetes & Airflow HA 基礎架構設計說明

Kubernetes 平台高可用
確保 Control Plane 具備容錯能力，避免單一 Master 失效導致平台不可控。
Airflow 服務高可用
透過 Kubernetes 的調度與自我修復能力，確保工作流程服務不中斷。
狀態與資料層高可用
針對 Airflow Metadata Database，設計具備自動 Failover 能力的資料庫架構。
消除單一故障點（SPOF）
從流量入口、平台控制層到狀態儲存層，避免任何單點失效。

2. 整體架構總覽

本架構以 On-Premise 或 Private Cloud 環境下 Kubernetes 與 Apache Airflow 的 HA 為設計核心，透過多層次的 HA 機制，確保平台在任一元件或節點失效時，仍可持續提供服務。

整體HA架構可分為四個層級：

平台入口層（Platform Ingress HA）
使用 Keepalived + HAProxy 提供虛擬 IP（VIP）與流量入口HA。
容器平台層（Kubernetes HA）
Kubernetes Control Plane 採用多 Master 架構，確保叢集控制能力不中斷。
工作流程層（Airflow on Kubernetes）
Airflow 元件以 Pod 形式運行，透過 Kubernetes 調度與自我修復能力達成服務高可用。
狀態與資料層（Stateful Services HA）
Metadata Database 採用 PostgreSQL + Patroni，並使用獨立 Etcd 作為分散式共識（DCS）。

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ Layer 1: 平台入口層 (Ingress HA)                  │
│   VIP + Keepalived + HAProxy                    │
│   → 消除流量入口單點故障                           │
└─────────────────────────────────────────────────┘
                    ↓
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ Layer 2: 容器平台層 (Kubernetes HA)               │
│   Multi-Master + K8s Etcd                       │
│   → 消除集群控制平面單點故障                        │
└─────────────────────────────────────────────────┘
                    ↓
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ Layer 3: 工作流程層 (Airflow on K8s)              │
│   Scheduler + API Server + Worker Pods         │
│   → 透過 K8s 實現服務自動恢復                       │
└─────────────────────────────────────────────────┘
                    ↓
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ Layer 4: 狀態與資料層 (Stateful Services HA)      │
│   PostgreSQL + Patroni + Patroni Etcd          │
│   → 資料庫自動 Failover                           │
└─────────────────────────────────────────────────┘

整體架構

graph TB
    %% ===== 外部使用者 =====
    User[用戶 / 運維人員]

    %% ===== Layer 1: Ingress HA =====
    subgraph L1["Layer 1: 平台入口層"]
        VIP[VIP: 10.10.0.83]
        subgraph HAProxy_Cluster["HAProxy + Keepalived"]
            F01[doris-f01Keepalived + HAProxy]
            F02[doris-f02Keepalived + HAProxy]
            F03[doris-f03Keepalived + HAProxy]
        end
    end

    %% ===== Layer 2: K8s HA =====
    subgraph L2["Layer 2: 容器平台層"]
        subgraph K8s_Masters["Kubernetes Control Plane"]
            M1[Master 1API + Controller + Scheduler]
            M2[Master 2API + Controller + Scheduler]
            M3[Master 3API + Controller + Scheduler]
        end
        subgraph K8s_Etcd["K8s Etcd Cluster"]
            KE1[etcd:2379]
            KE2[etcd:2379]
            KE3[etcd:2379]
        end
    end

    %% ===== Layer 3: Airflow =====
    subgraph L3["Layer 3: 工作流程層"]
        subgraph Airflow["Airflow on Kubernetes"]
            AF_Web[Webserver Pod]
            AF_Sch[Scheduler Pod]
            AF_Wrk[Worker Pods]
        end
    end

    %% ===== Layer 4: Database HA =====
    subgraph L4["Layer 4: 狀態與資料層"]
        subgraph PG_Cluster["PostgreSQL + Patroni"]
            PG1[Primarydoris-f01]
            PG2[Replicadoris-f02]
            PG3[Replicadoris-f03]
        end
        subgraph Patroni_Etcd["Patroni Etcd (DCS)"]
            PE1[etcd:12379]
            PE2[etcd:12379]
            PE3[etcd:12379]
        end
    end

    %% ===== 連接關係 =====
    User --> VIP
    VIP --> F01 & F02 & F03
    F01 & F02 & F03 --> M1 & M2 & M3
    M1 & M2 & M3 --> KE1 & KE2 & KE3
    M1 & M2 & M3 --> Airflow
    Airflow --> PG_Cluster
    PG_Cluster -.-> Patroni_Etcd

    %% ===== 樣式 =====
    classDef layer1 fill:#e1f5ff,stroke:#01579b
    classDef layer2 fill:#f3e5f5,stroke:#4a148c
    classDef layer3 fill:#e8f5e9,stroke:#1b5e20
    classDef layer4 fill:#fff3e0,stroke:#e65100
    
    class L1 layer1
    class L2 layer2
    class L3 layer3
    class L4 layer4

3. 平台入口HA設計

Keepalived + HAProxy

設計原則

VIP 為唯一入口
任一節點失效時，自動切換入口主機
流量入口 HA 與後端服務角色解耦

VRRP 選舉概念

graph TD
    Client --> VIP
    VIP -->|Priority 100| doris-f01
    VIP -.->|Priority 90| doris-f02
    VIP -.->|Priority 80| doris-f03

Keepalived 透過 VRRP 協定競選 Master
僅 Master 節點綁定 VIP
Backup 節點持續監聽並待命

流量轉發流程

graph TD
    Client --> VIP
    VIP --> Keepalived
    Keepalived --> HAProxy
    HAProxy --> Backend

HAProxy 在所有節點上運行
只有持有 VIP 的節點實際接收流量
VIP 切換 ≠ 服務重啟

4. Kubernetes Control Plane HA

設計說明

Kubernetes Control Plane 為整體平台基礎
使用 Kubernetes 內建 Etcd
與 Patroni Etcd 完全隔離

Kubernetes Control Plane HA架構

graph TD
    %% ===== Client =====
    User[User / Operator]

    %% ===== K8s API VIP =====
    API_VIP(VIP: K8s API)
    User --> API_VIP

    %% ===== Kubernetes Control Plane HA =====
    subgraph CP["Kubernetes Control Plane HA"]
        direction TB

        %% --- API Servers ---
        subgraph APIS["API Servers"]
            API1[kube-apiserver]
            API2[kube-apiserver]
            API3[kube-apiserver]
        end

        %% --- Controllers & Scheduler ---
        subgraph CTRL["Controller & Scheduler"]
            CM1[kube-controller-manager]
            SCH1[kube-scheduler]
            CM2[kube-controller-manager]
            SCH2[kube-scheduler]
            CM3[kube-controller-manager]
            SCH3[kube-scheduler]
        end

        %% --- etcd State Backend ---
        subgraph ETCD["etcd Cluster (State Backend)"]
            KE1[etcd]
            KE2[etcd]
            KE3[etcd]
        end
    end

    %% ===== Connections =====
    API_VIP --> API1
    API_VIP --> API2
    API_VIP --> API3

    API1 --> KE1
    API2 --> KE2
    API3 --> KE3

    CM1 --> API1
    SCH1 --> API1

    CM2 --> API2
    SCH2 --> API2

    CM3 --> API3
    SCH3 --> API3

邊界原則

Kubernetes Etcd：
- 僅供 K8s 使用
- Port：2379 / 2380
Patroni Etcd：
- 僅供 PostgreSQL HA 使用
- Port：12379 / 12380
嚴禁共用 Etcd

5. Airflow on Kubernetes HA設計

元件	角色	運行方式	HA 機制
Webserver	提供 Web UI 與 REST API	Deployment (2 replicas)	K8s 自動重建
Scheduler	解析 DAG、產生 Task Instance	Deployment (2 replicas)	Leader Election
Triggerer	處理 Deferrable Operator	Deployment (1-2 replicas)	K8s 自動重建
Worker	執行 Task	KubernetesExecutor: 動態 Pod CeleryExecutor: StatefulSet	短生命週期

6. Metadata Database HA設計

PostgreSQL + Patroni + Etcd

設計重點

Metadata DB 為 Airflow 核心依賴
使用 Patroni 管理 PostgreSQL 角色
Etcd 作為 DCS（Distributed Configuration Store）

Airflow Metadata Database HA架構

graph TD
    User[User / Client]

    %% ===== 流量入口 =====
    VIP(VIP 10.10.0.83)
    User --> VIP

    subgraph ENTRY["Ingress HA (Keepalived + HAProxy)"]
        subgraph F01["doris-f01"]
            K1[Keepalived]
            H1[HAProxy]
        end
        subgraph F02["doris-f02"]
            K2[Keepalived]
            H2[HAProxy]
        end
        subgraph F03["doris-f03"]
            K3[Keepalived]
            H3[HAProxy]
        end
    end

    VIP --> K1 --> H1

    %% ===== Kubernetes =====
    subgraph K8S["Kubernetes Cluster"]
        API[K8s API Server]
        subgraph AIRFLOW["Airflow Components"]
            AF_API[Airflow API Server]
            AF_SCH[Airflow Scheduler]
            AF_WK[Airflow Workers Pods]
        end
    end

    H1 --> AF_API
    AF_SCH --> AF_WK

    %% ===== DB =====
    subgraph DB["PostgreSQL HA (Patroni)"]
        PG1[Primary]
        PG2[Replica]
        PG3[Replica]
    end

    %% ===== DCS =====
    subgraph DCS["Patroni Etcd (DCS)"]
        E1[Etcd f01]
        E2[Etcd f02]
        E3[Etcd f03]
    end

    AF_API --> DB
    AF_SCH --> DB

    PG1 --> PG2
    PG1 --> PG3

    PG1 -.-> DCS
    PG2 -.-> DCS
    PG3 -.-> DCS

7. 故障情境與自動切換流程

Kubernetes Control Plane Failover
- kube-apiserver 為無狀態服務，可由多個實例同時提供服務
- 當單一 Master 節點失效時，其餘 Master 持續提供 API 能力
- Controller Manager 與 Scheduler 透過 Leader Election 機制自動切換
平台入口（VIP）Failover

sequenceDiagram
    participant Client
    participant F01 as doris-f01
    participant F02 as doris-f02

    Client->>F01: 存取 VIP
    Note over F01: Keepalived 停止
    F02->>F02: 接手 VIP
    Client->>F02: 流量自動切換

Metadata Database Failover
- Patroni 偵測 Primary 不可用
- Etcd 重新選舉 Leader
- Replica 升級為新 Primary
- Airflow 自動重新連線
Airflow 服務連續性
- Airflow Scheduler 與 API Server 為無狀態服務，可由 Kubernetes 自動重建
- Worker Pod 為短生命週期任務執行單元，單一 Pod 失效不影響整體流程
- Metadata Database 透過 Patroni 提供自動 Failover
- 各層 HA 機制相互獨立，避免連鎖性故障

8. 總結

本架構透過多層HA設計，確保 Apache Airflow 及 Kubernetes 的運作：

可自動容錯
可長期穩定運行

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Kubernetes & Airflow HA 基礎架構設計說明

目錄

1. 設計背景與目標

2. 整體架構總覽

3. 平台入口HA設計

4. Kubernetes Control Plane HA設計

5. Airflow on Kubernetes HA設計

6. Metadata Database HA設計

7. 故障情境與自動切換流程

8. 總結

1. 設計背景與目標

2. 整體架構總覽

整體架構

3. 平台入口HA設計

4. Kubernetes Control Plane HA

Kubernetes Control Plane HA架構

5. Airflow on Kubernetes HA設計

6. Metadata Database HA設計

Airflow Metadata Database HA架構

7. 故障情境與自動切換流程

8. 總結

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目錄

1. 設計背景與目標

2. 整體架構總覽

3. 平台入口HA設計

4. Kubernetes Control Plane HA設計

5. Airflow on Kubernetes HA設計

6. Metadata Database HA設計

7. 故障情境與自動切換流程

8. 總結

1. 設計背景與目標

2. 整體架構總覽

整體架構

3. 平台入口HA設計

4. Kubernetes Control Plane HA

Kubernetes Control Plane HA架構

5. Airflow on Kubernetes HA設計

6. Metadata Database HA設計

Airflow Metadata Database HA架構

7. 故障情境與自動切換流程

8. 總結

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