Kubernetes

文章目录

• Kubernetes
• • 1 Kubernetes 概述
  • • 1.2 Service分布式集群架构核心
    • 1. 3 Kubernetes优势:
  • 2 Kubernetes的核心概念
  • • 2.1 cluster
    • 2.2 Master
    • 2.3 Node
    • 2.4 Pod
    • 2.5 Replication Controller
    • 2.6 deployment
    • 2.7.replicaset
    • 2.8 daemonset
    • 2.9 statefuleset
    • 2.10 job
    • 2.11 namespace
    • 2.12 Service
    • 2.13 Label
  • 3 Kubernetes架构和组件
  • • 3.1 Kubernetes API Server
    • 3.2 Kubernetes Scheduler
    • 3.3 Kubernetes Controller
    • 3.4Replication Controller
    • 3.5 Node Controller
    • 3.6 Namespace Controller
    • 3.7 Service Controller
    • 3.8 EndPoints Controller
    • 3.9 Service Account Controller
    • 3.10 Persistent Volume Controller
    • 3.11 Daemon Set Controller
    • 3.12 Deployment Controller
    • 3.13 Job Controller
    • 3.14 Pod Autoscaler Controller
  • 4 Kubernetes Node运行节点
  • • 4.1 Kubelet
    • 4.2 Kubernetes Proxy
    • 4.3 Docker
  • 4.1 Kubelet
  • • 4.2 Kubernetes Proxy
    • 4.3 Docker

1 Kubernetes 概述

• Kubernetes（简称 k8s）是一个开源的，用于管理云平台中多个主机上的容器化的应用，k8s的目标是让部署容器化的应用简单并且高效（powerful）,k8s提供了应用部署，规划，更新，维护的一种机制。

• 首先，kubernetes一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案。Kubernetes(k8s)是Google开源的容器集群管理系统（谷歌内部:Borg）。

• 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。

• Kubernetes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，多扩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Kubernetes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。
  

1.2 Service分布式集群架构核心

• Kubernetes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
  • 能够体统某种远程服务能力
  • 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，比如Redis、Memcache、MySQL、Web Server，或者是实现了某个具体业务的一个特定的TCP Server进程，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Kubernetes能够让我们通过服务连接到指定的Service上。

• 有了Kubernetes内奸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Kubernetes集群中，我们不用为了服务的IP地址的变化问题而头疼了。

• 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，比如运行MySQL的Pod贴上name=mysql标签，给运行PHP的Pod贴上name=php标签，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。

• 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。

• 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。你只需为需要扩容的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。

1. 3 Kubernetes优势:

• 容器编排

• 轻量级

• 开源

• 弹性伸缩

• 负载均衡

2 Kubernetes的核心概念

2.1 cluster

cluster是 计算、存储和网络资源的集合，k8s利用这些资源运行各种基于容器的应用。

2.2 Master

• master是cluster的大脑，他的主要职责是调度，即决定将应用放在那里运行。master运行linux操作系统，可以是物理机或者虚拟机。为了实现高可用，可以运行多个master。
• k8s集群的管理节点，负责管理集群，提供集群的资源数据访问入口。拥有Etcd存储服务（可选），运行Api Server进程，Controller Manager服务进程及Scheduler服务进程，关联工作节点Node。
• Kubernetes API server提供HTTP Rest接口的关键服务进程，是Kubernetes里所有资源的增、删、改、查等操作的唯一入口。也是集群控制的入口进程；Kubernetes Controller Manager是Kubernetes所有资源对象的自动化控制中心；Kubernetes Schedule是负责资源调度（Pod调度）的进程

2.3 Node

• Node是Kubernetes集群架构中运行Pod的服务节点（亦叫agent或minion）。

• node节点是一个工作节点，真正来干活的；node节点定时与master进行通信，通过kubelet进程来汇报信息。

• Node是Kubernetes集群操作的单元，用来承载被分配Pod的运行，是Pod运行的宿主机。关联Master管理节点，拥有名称和IP、系统资源信息。运行docker eninge服务，守护进程kunelet及负载均衡器kube-proxy.

• 每个Node节点都运行着以下一组关键进程

  • kubelet：负责对Pod对于的容器的创建、启停等任务
  • kube-proxy：实现Kubernetes Service的通信与负载均衡机制的重要组件
  • Docker Engine（Docker）：Docker引擎，负责本机容器的创建和管理工作
  • node的职责是运行容器应用。node由master管理，node负责监控并汇报容器的状态，同时根据master的要求管理容器的生命周期。node运行在linux的操作系统上，可以是物理机或者是虚拟机。

• Node节点可以在运行期间动态增加到Kubernetes集群中，默认情况下，kubelet会想master注册自己，这也是Kubernetes推荐的Node管理方式，kubelet进程会定时向Master汇报自身情报，如操作系统、Docker版本、CPU和内存，以及有哪些Pod在运行等等，这样Master可以获知每个Node节点的资源使用情况，冰实现高效均衡的资源调度策略。、

2.4 Pod

• pod是k8s的最小工作单元。每个pod包含一个或者多个容器。pod中的容器会作为一个整体被master调度到一个node上运行。

• 运行于Node节点上，若干相关容器的组合。Pod内包含的容器运行在同一宿主机上，使用相同的网络命名空间、IP地址和端口，能够通过localhost进行通。Pod是Kurbernetes进行创建、调度和管理的最小单位，它提供了比容器更高层次的抽象，使得部署和管理更加灵活。一个Pod可以包含一个容器或者多个相关容器。

  Pod其实有两种类型：

  • 普通Pod和静态Pod，后者比较特殊，它并不存在Kubernetes的etcd存储中，而是存放在某个具体的Node上的一个具体文件中，并且只在此Node上启动。
  • 普通Pod一旦被创建，就会被放入etcd存储中，随后会被Kubernetes Master调度到摸个具体的Node上进行绑定，随后该Pod被对应的Node上的kubelet进程实例化成一组相关的Docker容器冰启动起来，在。在默认情况下，当Pod里的某个容器停止时，Kubernetes会自动检测到这个问起并且重启这个Pod（重启Pod里的所有容器），如果Pod所在的Node宕机，则会将这个Node上的所有Pod重新调度到其他节点上。

2.5 Replication Controller

• k8s通常不会直接创建pod,而是通过controller来管理pod的。controller中定义了pod的部署特性，比如有几个剧本，在什么样的node上运行等。为了满足不同的业务场景，k8s提供了多种controller，包括deployment、replicaset、daemonset、statefulset、job等。
• Replication Controller用来管理Pod的副本，保证集群中存在指定数量的Pod副本。集群中副本的数量大于指定数量，则会停止指定数量之外的多余容器数量，反之，则会启动少于指定数量个数的容器，保证数量不变。Replication Controller是实现弹性伸缩、动态扩容和滚动升级的核心。

2.6 deployment

• 是最常用的controller。deployment可以管理pod的多个副本，并确保pod按照期望的状态运行。

2.7.replicaset

• 实现了pod的多副本管理。使用deployment时会自动创建replicaset，也就是说deployment是通过replicaset来管理pod的多个副本的，我们通常不需要直接使用replicaset。

2.8 daemonset

• 用于每个node最多只运行一个pod副本的场景。正如其名称所示的，daemonset通常用于运行daemon。

2.9 statefuleset

• 能够保证pod的每个副本在整个生命周期中名称是不变的，而其他controller不提供这个功能。当某个pod发生故障需要删除并重新启动时，pod的名称会发生变化，同时statefulset会保证副本按照固定的顺序启动、更新或者删除。、

2.10 job

• 用于运行结束就删除的应用，而其他controller中的pod通常是长期持续运行的。

2.11 namespace

可以将一个物理的cluster逻辑上划分成多个虚拟cluster，每个cluster就是一个namespace。不同的namespace里的资源是完全隔离的。

2.12 Service

• k8s的 service定义了外界访问一组特定pod的方式。service有自己的IP和端口，service为pod提供了负载均衡。

• k8s运行容器pod与访问容器这两项任务分别由controller和service执行。

• Service定义了Pod的逻辑集合和访问该集合的策略，是真实服务的抽象。Service提供了一个统一的服务访问入口以及服务代理和发现机制，关联多个相同Label的Pod，用户不需要了解后台Pod是如何运行。

外部系统访问Service的问题

• 首先需要弄明白Kubernetes的三种IP这个问题

  • Node IP：Node节点的IP地址

  • Pod IP： Pod的IP地址

  • Cluster IP：Service的IP地址

• 首先,Node IP是Kubernetes集群中节点的物理网卡IP地址，所有属于这个网络的服务器之间都能通过这个网络直接通信。这也表明Kubernetes集群之外的节点访问Kubernetes集群之内的某个节点或者TCP/IP服务的时候，必须通过Node IP进行通信

• 其次，Pod IP是每个Pod的IP地址，他是Docker Engine根据docker0网桥的IP地址段进行分配的，通常是一个虚拟的二层网络。

• 最后Cluster IP是一个虚拟的IP，但更像是一个伪造的IP网络，原因有以下几点

  Cluster IP仅仅作用于Kubernetes Service这个对象，并由Kubernetes管理和分配P地址

  • Cluster IP无法被ping，他没有一个“实体网络对象”来响应
  • Cluster IP只能结合Service Port组成一个具体的通信端口，单独的Cluster IP不具备通信的基础，并
  • 他们属于Kubernetes集群这样一个封闭的空间。

• Kubernetes集群之内，Node IP网、Pod IP网于Cluster IP网之间的通信，采用的是Kubernetes自己设计的一种编程方式的特殊路由规则。

2.13 Label

• Kubernetes中的任意API对象都是通过Label进行标识，Label的实质是一系列的Key/Value键值对，其中key于value由用户自己指定。Label可以附加在各种资源对象上，如Node、Pod、Service、RC等，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上去。Label是Replication Controller和Service运行的基础，二者通过Label来进行关联Node上运行的Pod。

• 我们可以通过给指定的资源对象捆绑一个或者多个不同的Label来实现多维度的资源分组管理功能，以便于灵活、方便的进行资源分配、调度、配置等管理工作。

• 一些常用的Label如下：

  • 版本标签：“release”:“stable”,“release”:“canary”…

  • 环境标签：“environment”:“dev”,“environment”:“qa”,“environment”:“production”

  • 架构标签：“tier”:“frontend”,“tier”:“backend”,“tier”:“middleware”

  • 分区标签：“partition”:“customerA”,“partition”:“customerB”

  • 质量管控标签：“track”:“daily”,“track”:“weekly”

• Label相当于我们熟悉的标签，给某个资源对象定义一个Label就相当于给它大了一个标签，随后可以通过Label Selector（标签选择器）查询和筛选拥有某些Label的资源对象，Kubernetes通过这种方式实现了类似SQL的简单又通用的对象查询机制。

• Label Selector在Kubernetes中重要使用场景如下:

  • kube-Controller进程通过资源对象RC上定义Label Selector来筛选要监控的Pod副本的数量，从而实现副本数量始终符合预期设定的全自动控制流程

  • kube-proxy进程通过Service的Label Selector来选择对应的Pod，自动建立起每个Service岛对应Pod的请求转发路由表，从而实现Service的智能负载均衡

  • 通过对某些Node定义特定的Label，并且在Pod定义文件中使用Nodeselector这种标签调度策略，kuber-scheduler进程可以实现Pod”定向调度“的特性

3 Kubernetes架构和组件

• 服务分组，小集群，多集群

• 服务分组，大集群，单集群

Kubernetes 组件:

Kubernetes Master控制组件，调度管理整个系统（集群），包含如下组件:

3.1 Kubernetes API Server

• 作为Kubernetes系统的入口，其封装了核心对象的增删改查操作，以RESTful API接口方式提供给外部客户和内部组件调用。维护的REST对象持久化到Etcd中存储。

3.2 Kubernetes Scheduler

• 为新建立的Pod进行节点(node)选择(即分配机器)，负责集群的资源调度。组件抽离，可以方便替换成其他调度器。

3.3 Kubernetes Controller

• 负责执行各种控制器，目前已经提供了很多控制器来保证Kubernetes的正常运行。

3.4Replication Controller

• 管理维护Replication Controller，关联Replication Controller和Pod，保证Replication Controller定义的副本数量与实际运行Pod数量一致。

3.5 Node Controller

• 管理维护Node，定期检查Node的健康状态，标识出(失效|未失效)的Node节点。

3.6 Namespace Controller

• 管理维护Namespace，定期清理无效的Namespace，包括Namesapce下的API对象，比如Pod、Service等。

3.7 Service Controller

• 管理维护Service，提供负载以及服务代理。

3.8 EndPoints Controller

• 管理维护Endpoints，关联Service和Pod，创建Endpoints为Service的后端，当Pod发生变化时，实时更新Endpoints。

3.9 Service Account Controller

• 管理维护Service Account，为每个Namespace创建默认的Service Account，同时为Service Account创建Service Account Secret。

3.10 Persistent Volume Controller

• 管理维护Persistent Volume和Persistent Volume Claim，为新的Persistent Volume Claim分配Persistent Volume进行绑定，为释放的Persistent Volume执行清理回收。

3.11 Daemon Set Controller

• 管理维护Daemon Set，负责创建Daemon Pod，保证指定的Node上正常的运行Daemon Pod。

3.12 Deployment Controller

• 管理维护Deployment，关联Deployment和Replication Controller，保证运行指定数量的Pod。当Deployment更新时，控制实现Replication Controller和　Pod的更新。

3.13 Job Controller

• 管理维护Job，为Jod创建一次性任务Pod，保证完成Job指定完成的任务数目

3.14 Pod Autoscaler Controller

• 实现Pod的自动伸缩，定时获取监控数据，进行策略匹配，当满足条件时执行Pod的伸缩动作。

4 Kubernetes Node运行节点

运行管理业务容器，包含如下组件:

4.1 Kubelet

• 负责管控容器，Kubelet会从Kubernetes API Server接收Pod的创建请求，启动和停止容器，监控容器运行状态并汇报给Kubernetes API Server。

4.2 Kubernetes Proxy

• 负责为Pod创建代理服务，Kubernetes Proxy会从Kubernetes API Server获取所有的Service信息，并根据Service的信息创建代理服务，实现Service到Pod的请求路由和转发，从而实现Kubernetes层级的虚拟转发网络。

4.3 Docker

Node上需要运行容器服务

4.1 Kubelet

• 负责管控容器，Kubelet会从Kubernetes API Server接收Pod的创建请求，启动和停止容器，监控容器运行状态并汇报给Kubernetes API Server。

4.2 Kubernetes Proxy

• 负责为Pod创建代理服务，Kubernetes Proxy会从Kubernetes API Server获取所有的Service信息，并根据Service的信息创建代理服务，实现Service到Pod的请求路由和转发，从而实现Kubernetes层级的虚拟转发网络。

4.3 Docker

Node上需要运行容器服务