kubernetes

Posted 2023-02-09 阳光小王子

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kubernetes

• Kubernetes 概述
• Kubernetes 特性
• • 弹性伸缩
  • 自我修复
  • 服务器发现和负载均衡
  • 自动发布（默认滚动发布模式）和回滚
  • 集中化配置管理和很秘钥管理
  • 存储编排，支持外挂存储并对外挂存储资源进行编排
  • 任务批量处理
• Kubernetes 集群架构与组件
• • 架构
  • Master节点
  • • Kube-API Server
    • Kube-controller-manager
    • Kube-scheduler
    • 工作流程
  • 存储中心 etcd
  • Node 节点
  • • Kubelet
    • Kube-Proxy
• Kubernetes 核心概念
• • pod
  • pod控制器
  • Lable
  • Label选择器(Label selector)
  • service
  • Ingress
  • Name
  • Namespace
• 总结

Kubernetes 概述

• Kubernetes 是Google在2014年开源的一个容器集群管理系统，Kubernetes简称K8S
• K8S用于容器化应用程序的部署，扩展和管理
• 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
• Kubernetes目标是让部署容器化应用简单高效
• PS：官方网站: http://www.kubernetes.io

Kubernetes 特性

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

在节点故障时重新启动失败的容器，替换和重新部署，保证预期的副本数量：杀死健康检查失败的容器，并且在未准备好之前不会处理客户端请求，确保线上服务不中断

服务器发现和负载均衡

K8S为多个容器提供一个统一访问入口 (内部IP地址和一个DNS名称)，并且负载均衡关联的所有容器，使得用户无需考虑容器IP问题

自动发布（默认滚动发布模式）和回滚

K8S采用滚动更新策略更新应用，一次更新一个Pod，而不是同时删除所有Pod，如果更新过程中出现问题，将回滚更改，确保业务升级不受影响

集中化配置管理和很秘钥管理

管理机密数据和应用程序配置，而不需要把敏感数据暴露在镜像里，提高敏感数据安全性。并可以将一些常用的配置存储在K8S中，方便应用程序使用

存储编排，支持外挂存储并对外挂存储资源进行编排

挂载外部存储系统，无论是来自本地存储，公有云(如AWS)，还是网络存储 (如NFS、GlusterFS、 Ceph)都作为集群资源的一部分使用，极大提高存储使用灵活性

任务批量处理

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

Kubernetes 集群架构与组件

架构

K8s 是属于主从设备模型(Master-Slave 架构)，即有Master节点负责集群的调度、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

Master节点

Kube-API Server

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controller manager就是负责管理这些控制器的

由一系列控制器组成，通过API Server 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

控制器主要包括：

• Node Controller（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AeI访问令牌
• ResourceQuota Controller(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

是负责资源调度的进程，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)

工作流程

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

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

Node 节点

Kubelet

Node 节点的监视器，以及与Master 节点的通讯器。Kubelet 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

Kubernetes 核心概念

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 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)。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

Kubernetes中Pod网络通信

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)

常用的Pod控制器

• 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

可以理解成Deployment就是总包工头，主要负责监督底下的工人 Pod干活，确保每时每刻有用户要求数量的Pod在工作。如果一旦发现某个工人 Pod 不行了，就赶紧新拉一个 Pod过来替换它。而Replicaset就是总包工头手下的小包工头

从K8S使用者角度来看，用户会直接操作Deployment 部署服务，而当Deployment被部署的时候，K8S会自动生成要求的Replicaset和Pod。用户只需要关心Deployment 而不操心ReplicaSet

资源对象Replication Controller 是 Replicaset 的前身，官方推荐用peployment 取代Replication Controller 来部署服务

• 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
• statefulset：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

Lable

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会被分配一个单独的地址，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B，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，而不需要操心究竟应该请求哪一个 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Inress 了。Incress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+Hport。 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://ww.baidu.com:port —> Ingress —> Service —> Pod

• Service与Ingress

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：
1.master节点：apiserver Controller-manager Scheduler 另外还有单独的数据库存储中心：etcd
2.work-Node节点：kubelet kube-proxy以及容器引擎

首先API Server 接收到创建Pod的请求 ，然后把用户请求写入etcd中。然后API Server 会让 Controller-manager 去创建 Pod，Controller-manager 会通过 API Server 去读取存储在etcd里面的预设模板，去创建Pod。然后通过 API Server 去找 Scheduler 为新创建的 Pod 选择最适合的 Node 节点。Scheduler 会通过API Server读取node节点相关资源。然后通过调度算法计算出Pod调度到哪个node节点上运行。然后把信息反馈给API Server。API Server 再去找对应节点的kubelet，由kubelet去创建并维护容器。kubelet会把相关信息反馈给API Server，然后API Server把相关信息存入etcd中。
外部用户通过Kube-Proxy所承载的service来提供访问入口