云原生Kubernetes入门详细讲解

Posted 2022-08-06 dvlinker

目录

1、Kubernetes是什么

2、Kubernetes不是什么

3、Kubernetes架构与分层

4、Kubernetes 集群架构

5、Kubernetes 集群组件

5.1、K8s 在 Master 上的组件

5.2、K8s 在 Node 上的组件

6、Kubernetes API

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       在云原生技术与生态快速发展的今天，越来越多的IT厂商都在拥抱和使用云原生，各大互联网公司也在自主筹建自己的云原生架构与产品体系。云原生不是一个产品，而是一套技术体系与一套方法论，云原生既包含技术（微服务、容器等基础设施），也包含管理（DevOps、持续交付、资源重组等）。Docker和Kubernetes作为云原生的两大基础设施，Docker实现了容器，Kubernetes则实现了容器编排系统。今天我们就来讲述一下Kubernetes的基础内容。

1、Kubernetes是什么

       Kubernetes（以下简称 K8s）是一个管理容器化工作单元和服务的可移植、可扩展的开源平台，它是一个大规模容器集群管理工具，它能够方便地进行配置与自动化部署。K8s 迄今已经形成一个巨大且快速增长的生态系统，相关的服务、技术支持和工具得到了广泛应用。

       google创造了K8s，于2014年6月将之开源，google云计算专家Eric Brewer在旧金山的发布会为这款新的开源工具揭牌，它的名字Kubernetes在希腊语中的意思是领航员，这个名字与它在容器集群管理中的作用相契合，负担着全局调度和运行监控的职责。K8s是google 多年产品运维经验及社区最佳实践的结晶。

      K8s是一个完备的分布式系统支撑平台。K8s具有完备的集群管理能力，包括多层次的安全防护和准入机制/多租户应用支撑能力、透明的服务注册和服务发现机制、内建智能负载均衡器、强大的故障发现和自我修复功能、服务滚动升级和在线扩容能力、可扩展的资源自动调度机制，以及多粒度的资源配额管理能力。

       同时，K8s提供了完善的管理工具，这些工具覆盖了包括开发、测试部署、运维监控在内的各个环节。因此，K8s是一个全新的基于容器技术的分布式架构解决方案，并且是一个一站式的完备的分布式系统开发和支撑平台。

K8s 的主要特点可归纳为: 
1）是一个容器平台（a container platform） 
2）是一个微服务平台(a microservices platform) 
3）是一个可移植的云平台

2、Kubernetes不是什么

       K8s不是一个传统的、包含所有功能的PaaS系统。因为K8s运行在容器级，而不是在硬件层面。它和其它PaaS产品一样提供了一些普遍适用的特性，如部署、伸缩、负载平衡、日志和监控等。不同于一个单块（ monolithic）系统，这些默认的解决方案在 K8s 中是以插件形式可选的

       K8s 保留了用户的选择和灵活性：

1）K8s 没有限制应用运行的类型，只要应用可以在容器中运行，则也能在 K8s 中运
行。
2）K8s 不部署源码，也不构建应用。
3）K8s 不提供应用级的服务，如中间件，软件框架等。但这些服务可运行在 K8s 之上。
4）K8s 并不指定记录、监视或报警解决方案。
5）K8s 仅提供了一个可声明的 API 用于定义任意接口定义。
6） K8s 不提供也没有采用任何机器配置、维护、管理、自愈系统。

       K8s其实并不是一个纯粹的编排系统。事实上，它没有把编排作为所考虑的一个必要功能。编排往往用于工作流，然而 K8s 由一组独立的、可组合的控制流程组成，这样使得系统更容易使用、更强大、健壮、有弹性、可扩展。

3、Kubernetes架构与分层

       K8s 在架构方面主要分为5层，包括生态系统、接口层、治理层、应用层及内核层，如下所示，下图中的最底层主要是一些接口，包括运行时接口等相关信息：

生态系统：主要分为两部分的集群管理调度，包括Kubernetes外部的日志，监控以及CICD等方面，同时也包括Kubernetes内部的CRI,镜像仓库管理方面的调度。

接口层：kubectl命令行工具、客户端SDK以及集群联邦。

治理层：系统度量（如基础设施、容器和网络的度量），自动化（如自动扩展、动态Provision等）

应用层：部署（无状态应用、有状态应用、批处理任务、集群应用等）和路由（服务发现、DNS解析等）

内核层：核心层主要包括API和执行环境，能够对外提供api,帮助构建应用，对内提供插件式应用执行环境。

4、Kubernetes 集群架构

       K8s 将一组计算机资源组成一个高可用集群，使得就像在一个统一单元上工作一样。K8s
能够将容器化应用自动部署到集群的计算机资源中，并能根据用户要求对容器化应用进行自
动调度。

        一个 K8s 集群是一个典型的主从结构，有 master 和 node 两种类型的节点组成，其结构
如下所示：

其中，Master 是集群的管理节点，协调集群中的所有活动，如调度应用、维护应用状态、对
容器进行伸缩管理以及更新容器中应用等。

       Node 是集群中的一台物理计算机或虚拟机，上面部署了运行应用程序的容器，目前容器主要使用Docker来实现。每个 Node 由一个 Kubelet 作为 Node 的代理与 Master 进行通信。

5、Kubernetes 集群组件

5.1、K8s 在 Master 上的组件

      K8s 在 Master 上的组件包括：

1）kube-apiserver：提供用于 K8s 前端控制的 API，apiserver 为实现高可用性，被设计
为可水平扩展。
2）etcd: 是一个高可用的“名-值对”协同系统⑤，K8s 中的元数据信息都保存在 etcd
中。
3）kube-scheduler：对集群内的 Pod⑥资源进行调度，调度可以人工定义也可以由系统
自动完成，
4）kube-controller-manager：实现对 K8s 中多种控制器的管理，K8s 中管理器包括：

• Node Controller: 负责通知与发现 Node 不可用的情况。
• Replication Controller: 根据系统要求维护正确的 Pod 复制数目
• Endpoints Controller: 管理端点(Endpoint)对象
• Service Account & Token Controllers: 对新的名空间创建新的账号与 API访问 token

5）cloud-controller-manager: 从 K8s 的 1.6 版本后才提供，是与云环境交互的控制器。
cloud-controller-manager 仅管理由云提供商定义的控制器，这些特定的控制器不可 在 kube-controller-manager 中运行（可在启动 kube-controller-manager 时在 external参数中加入--cloud-provider 选项以阻止这些特定的控制器运行）。管理器允许云提供商的代码和 K8s 的内核各自演进(无依赖关系，在之前的版本中，K8s 的内核依赖于云提供商的特定功能代码)。在以后的版本中，与特定云提供商相关的代码由云提供商自行维护，运行时连接到 cloud-controller-manager。 下列控制器是云提供商提供的：

• Node Controller: 管理云中的 Node 节点
• Route Controller: 设置云中路由控制
• Service Controller: 对云中的负载均衡器增删改查
• Volume Controller: 管理云中的数据卷

5.2、K8s 在 Node 上的组件

        K8s 在 Node 上的组件包括：

1）Kubelet: 是集群中每个 Node 的代理，由它来保证容器运行在 Pod 中。Kubelet 并不能管理非 K8s 创建的容器。
2）kube-proxy：保证了K8s 中定义的服务能够正确运行。
3）Container Runtime：容器运行时，保证了K8s支持的容器能够在运行时上正确运行。

       未加入 cloud controller manager 的 K8s 集群架构如下所示：

这种架构中 K8s 需要使用云提供商提供的插件来与云环境交互。

       加入 cloud controller manager 的 K8s 集群架构如下所示：

6、Kubernetes API

       REST API 是 K8s 的基本元素，K8s 组件通过对 API Server 的 API 调用完成组件间的通信与
功能操作。K8s 中的任何操作都能在 API 中找到入口。这些 API 可被 kubectl 或 kubeadm 这样的工具间接调用，也可直接通过 REST 方式进行调用。

       如果要开发 K8s 客户端程序，可以使用 K8s 提供的客户端开发库。客户端开发库支持Java、Go、js、Perl、php、Python、Ruby、Scala、.Net多种编程语言。此外，K8s 中支持多个 API 版本，常以版本号作为路径前缀，如“/api/v1”。