新一代分布式架构Kubernetes(K8S)入门知识点总结

Posted 2021-12-04 _雪辉_

一、什么是K8S？

• K8S是一个全新基于容器技术的分布式架构方案。在Docker技术的基础上，为容器化的应用提供部署运行、资源调度、服务发现和动态伸缩等一系列完整功能，提高了大规模容器集群管理的便捷性；
• 遵循K8S涉及思想，架构的运维难度和成本将大幅度降低；
• K8S是一个开放的平台，不局限任何语言没有限定任何接口；
• K8S是一个完备的分布式系统支撑平台，具有完备的集群管理能力，多层次的安全防护和准入机制、多租户应用支撑能力、透明的服务注册和发现机制、內建智能负载均衡器、强大的故障发现和自我修复能力、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提供完善的管理工具，涵盖了包括开发、部署测试、运维监控在内的各个环节；

二、K8S核心概念

2.1 service

  在K8S中，Service是分布式集群架构的核心，一个Service对象拥有如下关键特征：

• 拥有一个唯一指定的名字
• 拥有一个虚拟IP（Cluster IP、Service IP、或VIP）和端口号
• 能够提供某种远程服务能力
• 被映射到了提供这种服务能力的一组容器应用上

  Service的服务进程目前都是基于Socket通信方式对外提供服务，虽然一个Service通常由多个相关的服务进程来提供服务，每个服务进程都有一个独立的Endpoint（IP+Port）访问点，但K8S能够让我们通过服务连接到指定的Service上。有了K8S内建的透明负载均衡和故障恢复机制，不管后端有多少服务进程，也不管某个服务进程是否会由于发生故障而重新部署到其他机器，都不会影响我们队服务的正常调用，更重要的是这个Service本身一旦创建就不会发生变化，意味着在K8S集群中，我们不用为了服务的IP地址的变化问题而头疼了。

2.2 pod

  容器提供了强大的隔离功能，所有有必要把为Service提供服务的这组进程放入容器中进行隔离。为此，Kubernetes设计了Pod对象，将每个服务进程包装到相对应的Pod中，使其成为Pod中运行的一个容器。为了建立Service与Pod间的关联管理，Kubernetes给每个Pod贴上一个标签Label，然后给相应的Service定义标签选择器Label Selector，这样就能巧妙的解决了Service于Pod的关联问题。

2.3 node

  POD运行在node环境中，node可以是物理机也可以是虚拟机。
  在集群管理方面，Kubernetes将集群中的机器划分为一个Master节点和一群工作节点Node，其中，在Master节点运行着集群管理相关的一组进程kube-apiserver、kube-controller-manager和kube-scheduler，这些进程实现了整个集群的资源管理、Pod调度、弹性伸缩、安全控制、系统监控和纠错等管理能力，并且都是全自动完成的。Node作为集群中的工作节点，运行真正的应用程序，在Node上Kubernetes管理的最小运行单元是Pod。Node上运行着Kubernetes的kubelet、kube-proxy服务进程，这些服务进程负责Pod的创建、启动、监控、重启、销毁以及实现软件模式的负载均衡器。

2.3.1 Master 节点的主要组件：

• kube-apiserver
    负责对外提供集群各类资源的增删改查及 Watch 接口，它是 Kubernetes 集群中各组件数据交互和通信的枢纽。当收到一个创建 Pod 写请求时，它的基本流程是对请求进行认证、限速、授权、准入机制等检查后，写入到 etcd 即可。
• kube-scheduler
    调度器组件，负责集群 Pod 的调度。基本原理是通过监听 kube-apiserver 获取待调度的 Pod，然后基于一系列筛选和评优算法，为 Pod 分配最佳的 Node 节点。
• kube-controller-manager
    包含一系列的控制器组件，比如 Deployment、StatefulSet 等控制器。控制器的核心思想是监听、比较资源实际状态与期望状态是否一致，若不一致则进行协调工作使其最终一致。
• etcd 组件
    Kubernetes 的元数据存储。

2.3.2 Node 节点的主要组件：

• kubelet
    负责 Pod 的创建运行，部署在每个节点上的 Agent 的组件。基本原理是通过监听 APIServer 获取分配到其节点上的 Pod，然后根据 Pod 的规格详情，调用运行时组件创建 pause 和业务容器等。
• kube-proxy
    部署在每个节点上的网络代理组件。基本原理是通过监听 APIServer 获取 Service、Endpoint 等资源，基于 Iptables、IPVS 等技术实现数据包转发等功能。

  在Kubernetes集群中，它解决了传统IT系统中服务扩容和升级的两大难题。只需为需要扩容的Service关联的Pod创建一个Replication Controller简称（RC），则该Service的扩容及后续的升级等问题将迎刃而解。在一个RC定义文件中包括以下3个关键信息。

• 目标Pod的定义
• 目标Pod需要运行的副本数量（Replicas）
• 要监控的目标Pod标签（Label）

  在创建好RC后，Kubernetes会通过RC中定义的的Label筛选出对应Pod实例并实时监控其状态和数量，如果实例数量少于定义的副本数量，则会根据RC中定义的Pod模板来创建一个新的Pod，然后将新Pod调度到合适的Node上启动运行，知道Pod实例的数量达到预定目标，这个过程完全是自动化。

Kubernetes优势:

• 容器编排
• 轻量级
• 开源
• 弹性伸缩
• 负载均衡