初识Kubernetes

Posted 2022-03-22 谷雨道长

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一、Kubernetes 是什么？

Kubernetes 是的缩写为：K8s（K12345678s）这个缩写是因为 k 和 s 之间有八个字符的关系。

Kubernetes 是一个可移植的、可扩展的开源平台，用于管理容器化的工作负载和服务，可促进声明式配置和自动化。 Kubernetes 拥有一个庞大且快速增长的生态系统。Kubernetes 的服务、支持和工具广泛可用。

作用
用于自动部署、扩展和管理“容器化(containerized) 应用程序"的开源系统。
可以理解成K8S是负责自动化运维管理多个容器化程序(比如Docker)的集群，是一个生态极其丰富的容器编排框架工具。

由来
K8S由google的Borg系统(博格系统，google内部使用的大规模容器编排工具)作为原型，后经Go语言延用Borg的思路重写并捐献给CNCF基金会开源。

Kubernetes 这个名字源于希腊语，意为“舵手”或“飞行员”。

官网: 
https://kubernetes.io

GitHub:
https://github.com/kubernetes/kubernetes

二、为什么需要 Kubernetes，它能做什么?

容器是打包和运行应用程序的好方式。在生产环境中，你需要管理运行应用程序的容器，并确保不会停机。 例如，如果一个容器发生故障，则需要启动另一个容器。如果系统处理此行为，会不会更容易？

这就是 Kubernetes 来解决这些问题的方法！ Kubernetes 为你提供了一个可弹性运行分布式系统的框架。 Kubernetes 会满足你的扩展要求、故障转移、部署模式等。 例如，Kubernetes 可以轻松管理系统的 Canary 部署。

1.K8S的目标是让部署容器化应用简单高效。

K8S解决了裸跑Docker 的若干痛点

单机使用，无法有效集群
随着容器数量的上升，管理成本攀升
没有有效的容灾、自愈机制
没有预设编排模板，无法实现快速、大规模容器调度
没有统一的配置管理中心工具
没有容器生命周期的管理工具
没有图形化运维管理工具

2.Kubernetes 为你提供

K8s提供了容器编排，资源调度，弹性伸缩，部署管理，服务发现等一系列功能。

弹性伸缩
使用命令、UI或者基于CPU使用情况自动快速扩容和缩容应用程序实例，保证应用业务高峰并发时的高可用性:业务低峰时回收资源，以最小成本运行服务。

自我修复
Kubernetes 重新启动失败的容器、替换容器、杀死不响应用户定义的 运行状况检查的容器，并且在准备好服务之前不将其通告给客户端。

服务发现和负载均衡
Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址公开容器，如果进入容器的流量很大， Kubernetes 可以负载均衡并分配网络流量，从而使部署稳定。

自动部署和回滚
你可以使用 Kubernetes 描述已部署容器的所需状态，它可以以受控的速率将实际状态 更改为期望状态。例如，你可以自动化 Kubernetes 来为你的部署创建新容器， 删除现有容器并将它们的所有资源用于新容器。

存储编排
Kubernetes 允许你自动挂载你选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等。

自动完成装箱计算
Kubernetes 允许你指定每个容器所需 CPU 和内存（RAM）。 当容器指定了资源请求时，Kubernetes 可以做出更好的决策来管理容器的资源。

密钥与配置管理
Kubernetes 允许你存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 ssh 密钥。 你可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应用程序配置，也无需在堆栈配置中暴露密钥。

任务批处理运行
提供一次性任务，定时任务:满足批量数据处理和分析的场景。

3.Kubernetes 集群架构与组件

当你部署完 Kubernetes, 即拥有了一个完整的集群。
一个 Kubernetes 集群由一组被称作节点的机器组成。这些节点上运行 Kubernetes 所管理的容器化应用。集群具有至少一个工作节点。

工作节点托管作为应用负载的组件的 Pod。控制平面管理集群中的工作节点和 Pod。 为集群提供故障转移和高可用性，这些控制平面一般跨多主机运行，集群跨多个节点运行。

K8S是属于主从设备模型(Master-slave 架构)，即有Master 节点负贵集群的调度、管理和运维，Slave 节点是集群中的运算工作负载节点。在K8S中，主节点一般被称为Master 节点，而从节点则被称为Worker Node 节点，每个Node 都会被Master 分配一些工作负载。

Master组件可以在群集中的任何计算机.上运行，但建议Master节点占据一个独立的服务器。因为Master是整个集群的大脑，如果Master所在节点宕机或不可用，那么所有的控制命令都将失效。除了Master,在K8S集群中的其他机器被称为Worker Node 节点，当某个Node宕机时，其上的工作负载会被Master自动转移到其他节点上去。

三、核心组件

1.Master 组件

Kube-apiserver
用于暴露Kubernetes API， 任何资源请求或调用操作都是通过kube-apiserver 提供的接口进行。以HTTP Restful API提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给API Server 处理后再提交给Etcd存储。

可以理解成API Server是K8S的请求入口服务。API Server 负责接收K8S所有请求(来自UI界面或者CLI命令行工具)，然后根据用户的具体请求，去通知其他组件干活。可以说API Server是K8S集群架构的大脑。

Kube-controller-manager
运行管理控制器，是K8S集群中处理常规任务的后台线程，是K8S集群里所有资源对象的自动化控制中心。
在K8S集群中，一个资源对应一个控制器，而Controllermanager就是负责管理这些控制器的。

由一系列控制器组成，通过APIserver监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，比如当某个Node意外宕机时，Controller
Manager会及时发现并执行自动化修复流程，确保集群始终处于预期的工作状态。

这些控制器主要包括

控制器	说明
NodeController(节点控制器)	负责在节点出现故障时发现和响应。
Replication Controller (副本控制器)	负责保证集群中一个RC (资源对象Replication Controller) 所关联的Pod副本数始终保持预设值。可以理解成确保集群中有且仅有N个Pod实例，N是RC中定义的Pod副本数量。
Endpoints Controller (端点控制器)	填充端点对象 (即连接Services 和Pods) ，负责监听 Service 和对应的Pod副本的变化。可以理解端点是一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务，则必须知道它的endpoint
service Account & Token Controllers (服务帐户和令牌控制器)	为新 的命名空间创建默认帐户和 API访问令牌。
ResourceQuotaController(资源配额控制器)	确保指定的资源对象在任何时候都不会超量占用系统物理资源。
Namespace Controller (命名空间控制器)	管理namespace 的生命周期。
Service Controller (服务控制器)	属于K8S集群与外部的云平台之间的一个接口控制器。

Kube- scheduler
是负贵资源调度的进程，根据调度算法为新创建的Pod选择一个合适的Node节点。

可以理解成K8S所有Node 节点的调度器。当用户要部署服务时，scheduler 会根据调度算法选择最合适的Node 节点来部署Pod。

预算策略(predicate)
优选策略(priorities)

==API Server 接收到请求创建一批 Pod ，API Server 会让 Controller-manager 按照所预设的模板去创建 Pod，Controller-manager 会通过 API Server 去找 Scheduler 为新创建的 Pod 选择最适合的 Node 节点。比如运行这个 Pod 需要 2C4G 的资源，Scheduler 会通过预算策略在所有 Node 节点中挑选最优的。Node 节点中还剩多少资源是通过汇报给 API Server 存储在 etcd 里，API Server 会调用一个方法找到 etcd 里所有 Node 节点的剩余资源，再对比 Pod 所需要的资源，在所有 Node 节点中查找哪些 Node 节点符合要求。 如果都符合，预算策略就交给优选策略处理，优选策略再通过 CPU 的负载、内存的剩余量等因素选择最合适的 Node 节点，并把 Pod 调度到这个 Node 节点上运行。==

2.配置存储中心

etcd
K8S的存储服务。etcd是分布式键值存储系统，存储了K8S 的关键配置和用户配置，K8S 中仅API Server才具备读写权限，其他组件必须通过apI Server 的接口才能读写数据。

1.master节点的请求处理过程：
1）首页用户通过证书认证后使用kubectl命令行工具向API Server发送请求，API Server接收到请求后会写入到etcd中，API Server会让Controller-manager按照所预设的模板（多少实例、生命周期等）去创建Pod，Controller-manager通过 API Server读取etcd中用户的预设信息，再通过API Server去找 Scheduler可以为新创建的Pod选择最适合的Node节点。scheduler会通过API Server在Etcd存储中心中找到node节点存储的元信息、剩余资源等，通过预算策略和优选策略在所有Node节点中挑选最优的
2）scheduler确定node节点后通过API Server交给这个Node节点上的kubelet进行pod资源的创建，kubelet同时也会对所在node的资源信息和pod状态进行监控与API server进行交互将pod状态信息存储到etcd中
3）node节点上的kube-proxy是service资源的载体，负责pod的代理和负载均衡等功能，如果需要将pod发布出去，需要通过kube-proxy创建网络规则承载使用service作为负载均衡的访问入口，负载均衡所关联的pod节点，实现服务发布

3.Node 组件

Kubelet
Node节点的监视器，以及与Master节点的通讯器。Kybelet 是Master节点安插在Node 节点上的“眼线”，它会定时向API Server 汇报自己
Node节点上运行的服务的状态，并接受来自Master节点的指示采取调整措施。

从Master 节点获取自己节点上Pod的期望状态(比如运行什么容器、运行的副本数量、网络或者存储如何配置等)直接跟容器引擎交互实现容器的生命周期管理，如果自己节点.上Pod的状态与期望状态不一致，则调用对应的容器平台接口(即docker的接口)达到这个状态。

管理镜像和容器的清理工作，保证节点上镜像不会占满磁盘空间，退出的容器不会占用太多资源。

Kube-Proxy
在每个Node节点上实现Pod网络代理，是Kubernetes service 资源的载体，负责维护网络规则和四层负载均衡工作。
负责写入规则至iptables、ipvs实现服务映射访问的。

Kube-Proxy本身不是直接给Pod 提供网络，Pod的网络是由Kubelet 提供的，Kube-Proxy 实际上维护的是虚拟的Pod集群网络。
Kube-apiserver通过监控Kube-Proxy 进行对Kubernetes Service 的更新和端点的维护。

在K8S集群中微服务的负载均衡是由Kube-proxy 实现的。Kube-proxy 是K8S集群内部的负载均衡器。它是一个分布式代理服务器，在K8S的每个节点上都会运行一个Kube-proxy 组件。

docker或rocket
容器引擎，运行容器，负责本机的容器创建和管理工作。

四、Kubernetes 核心概念

Kubernetes包含多种类型的资源对象: Pod、 Labelr Service、 Replication Controller 等。

所有的资源对象都可以通过Kubernetes 提供的kubect1 工具进行增、删、改、查等操作，并将其保存在etcd中持久化存储。

Kubernets其实是一个高度自动化的资源控制系统，通过跟踪对比etcd存储里保存的资源期望状态与当前环境中的实际资源状态的差异，来实现自动控制和自动纠错等高级功能。

Pod
Pod是Kubernetes创建或部署的最小/最简单的基本单位，一个Pod代表集群上正在运行的一个进程。
可以把Pod理解成豌豆荚，而同一Pod内的每个容器是一 颗颗豌豆。

一个Pod由一个或多个容器组成，Pod 中容器共享网络、存储和计算资源，在同一台Docker 主机上运行。
一个Pod里可以运行多个容器，又叫边车模式(sideCara) 模式。而在生产环境中一般都是单个容器或者具有强关联互补的多个容器组成一个Pod。

同一个Pod之间的容器可以通过localhost 互相访问，并且可以挂载Pod内所有的数据卷;但是不同的Pod之间的容器不能用localhost访问，也不能挂载其他Pod 的数据卷。

Pod控制器
Pod控制器是Pod启动的一种模版，用来保证在K8S里启动的Pod应始终按照用户的预期运行(副本数、生命周期、健康状态检查等)。

K8S内提供了众多的Pod控制器，常用的有以下几种
Deployment: 无状态应用部署。Deployment 的作用是管理和控制Pod和ReplicaSet， 管控它们运行在用户期望的状态中。

Replicaset: 确保预期的Pod 副本数量。ReplicaSet 的作用就是管理和控制Pod， 管控他们好好干活。但是，ReplicaSet 受控于Deployment。

Daemonset: 确保所有节点运行同一类Pod， 保证每个节点.上都有一个此类Pod 运行，通常用于实现系统级后台任务。

tatefulset: 有状态应用部署

Job: 一次性任务。 根据用户的设置， Job管理的Pod把任务成功完成就自动退出了。

Cronjob: 周期性计划性任务

Label
标签，是K8S特色的管理方式，便于分类管理资源对象。
Label可以附加到各种资源对象上，例如Node、 Pod、 Service、 RC等，用于关联对象、查询和筛选。
一个Label 是一个key-value 的键值对，其中key与value 由用户自己指定。
一个资源对象可以定义任意数量的Label，同一个Label也可以被添加到任意数量的资源对象中，也可以在对象创建后动态添加或者删除。
可以通过给指定的资源对象捆绑一个或多个不同的Label，来实现多维度的资源分组管理功能。

与Label 类似的，还有Annotation (注释)
区别在于有效的标签值必须为63个字符或更少，并且必须为空或以字母数字字符( [a-z0-9A-Z] )开头和结尾，中间可以包含横杠(-)、下划线(_)、点(.)和字母或数字。注释值则没有字符长度限制。

Label选择器 (Label selector )
给某个资源对象定义一个Label， 就相当于给它打了一个标签;随后可以通过标签选择器(Label selector) 查询和筛选拥有某些Label的资源对象。
标签选择器目前有两种:基于等值关系(等于、不等于)和基于集合关系(属于、不属于、存在)。

Service
在K8S的集群里，虽然每个pod会被分配- -个单独的IP地址，但由于Pod是有生命周期的(它们可以被创建，而且销毁之后不会再启动)，随时可能会
因为业务的变更，导致这个IP地址也会随着Pod 的销毁而消失。

service就是用来解决这个问题的核心概念。
K8S中的Service 并不是我们常说的“服务"的含义，而更像是网关层，可以看作一组提供相同服务的Pod的对外访问接口、流量均衡器。

Service作用于哪些Pod 是通过标签选择器来定义的。
在K8S集群中，Service 可以看作一组提供相同服务的Pod 的对外访问接口。客户端需要访问的服务就是

Service 对象。每个Service都有一个 固定的虚拟ip (这个ip也被称为Cluster IP) ，自动并且动态地绑定后端的Pod, 所有的网络请求直接访问Service 的虚拟ip，Service 会自动向后端做转发。

Service除了提供稳定的对外访问方式之外，还能起到负载均衡( Load Balance) 的功能，自动把请求流量分布到后端所有的服务上，Service可以做到对客户透明地进行水平扩展(scale)。而实现service 这一功能的关键，就是kube-proxy。kube-proxy运行在每个节点上，监听API Server中服务对象的变化,

可通过以下三种流量调度模式:userspace(废弃)、iptables(濒临废弃)、ipvs(推荐，性能最好)来实现网络的转发。

Service是K8S服务的核心，屏蔽了服务细节，统一对外暴露服务接口，真正做到了“微服务”。比如我们的一个服务A，部署了3个副本，也就是3个Pod;对 于用户来说，只需要关注一个Service的入口就可以，而不需要操心究竞应该请求哪一个Pod。优势非常明显:一方面外部用户不需要感知因为Pod上服务的意外崩溃、K8S重新拉起Pod 而造成的IP变更，外部用户也不需要感知因升级、变更服务带来的Pod替换而造成的IP变化。

Ingress
Service主要负责K8S集群内部的网络拓扑，那么集群外部怎么访问集群内部呢?这个时候就需要Ingress 了 。Ingress 是整个K8S集群的接入层，负责集群内外通讯。
Ingress 是K8S集群里工作在OSI网络参考模型下，第7层的应用，对外暴露的接口，典型的访问方式是http/https.
Service只能进行第四层的流量调度，表现形式是ip+port。Ingress则可以调度不同业务域、不同URL访问路径的业务流量。
比如:客户端请求http:/ /www. kgc. com:port —> Ingress —> Service —> Pod

Name
由于K8S 内部，使用“资源”来定义每一种逻辑概念(功能)，所以每种“资源”，都应该有自己的“名称”。
“资源”有api 版本(apiversion) 、类别(kind)、元数据(metadata) 、定义清单(spec) 、状态(status) 等配置信息。
“名称”通常定义在“资源”的“元数据”信息里。在同一个namespace 空间中必须是唯一的。

Namespace
随着项目增多、人员增加、集群规模的扩大，需要一种能够逻辑.上隔离K8S 内各种“资源”的方法，这就是Namespace。
Namespace是为了把一个K8S集群划分为若干个资源不可共享的虚拟集群组而诞生的。
不同Namespace 内的“资源”名称可以相同，相同Namespace 内的同种“资源”，“ 名称”不能相同。
合理的使用K8S的Namespace，可以使得集群管理员能够更好的对交付到K8S里的服务进行分类管理和浏览。
K8S里默认存在的Namespace 有: default、 kube-system、 kube-public等。
查询K8S里特定“资源”要带上相应的Namespace。

总结
k8s组件
master上

• 1）、kube-apiserver Kubernetes API，集群的统一入口， 各组件协调者，以RESTful API提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给 API Server 处理后再提交给Etcd存储。
• 2）、kube-controller-manager 处理集群中常规后台任务，一个资源对应一个控制器，而ControllerManager就是负责管理这些控制器的。
• 3）、kube-scheduler 根据调度算法为新创建的Pod选择一个Node节点，可以任意部署，可以部署在同一个节点上，也可以部署在不同的节点上。
• 4）、etcd 分布式键值存储系统。用于保存集群状态数据，比如Pod、Service等 对象信息
• node上
• 1）、kubelet 是Master在Node节点上的Agent，管理本机运行容器的生命周期，比如创建容器、pod挂载数据卷、下载secret、获取容器和节点状态等工作。kubelet将每个Pod转换成一组容器。
• 2）、kube-proxy 在Node节点上实现Pod网络代理，维护网络规则和四层负载均衡工作。
• 3）、docker或rocket 容器引擎、运行容器。