《深入剖析kubernetes》学习笔记（3）——各类控制器

2023-12-19 17:35:46

16. 控制器模式

  • kube-controller-manager组件，位于kubernetes架构下的master节点中，是一系列控制器的集合，在kubernetes源码的pkg/controller目录下，该目录下定义了一系列控制器

  • k8s所有控制器，都遵循相同的编排模式，即控制循环（control loop），伪代码为：

    for {
    实际状态 := 获取集群中对象 X 的实际状态（Actual State）
    期望状态 := 获取集群中对象 X 的期望状态（Desired State）
    if 实际状态 == 期望状态{
        什么都不做
    } else {
        执行编排动作，将实际状态调整为期望状态
    }
}

  • 调谐（Reconcile）

    • 是指实际状态与期望状态相比较，并对实际状态进行调整以达到期望状态的过程。
    • 调谐的过程，则被称作“Reconcile Loop”（调谐循环）或者“Sync Loop”（同步循环）

  • 补充理解，“控制器模式”和“事件驱动”的差别？

    • 可以类比select和epoll

17. 作业副本与水平扩展——deployment

  • 滚动更新是指将一个集群中正在运行的多个 Pod 版本，交替地逐一升级的过程

  • 牢记Deployment 的两层控制关系

    • Deployment 控制 ReplicaSet，一个ReplicaSet对应一个版本，
    • ReplicaSet根据replicas的值来控制 Pod的副本数

  • deployment可根据spec.RollingUpdateStrategy字段定义滚动更新策略 ，设置同一时刻扩展/收缩的数量

  • deployment定义中spec.revisionHistoryLimit，可以设置保留历史版本的数量，若为0，则无法进行滚动更新

  • deployment滚动更新常用命令：

    • kubectl create -f <deployment-name>.yaml --record //record表示记录操作历史
kubectl get deployments //查看deployment状态
kubectl rollout status deployment/<deployment-name> //查看deployment状态变化
kubectl get rs //查看deployment控制的ReplicaSet
kubectl edit deployment/<deployment-name> //编辑ETCD中的API对象
kubectl describe deployment <deployment-name> //查看deployment详情，event记录了滚动更新流程
kubectl set image deployment/<deployment-name> <container-name>=<image-name>:<image-tag> //直接修改deployment所用镜像
kubectl rollout undo deployment/<deployment-name> //回滚deployment到上一个版本
kubectl rollout history deployment/<deployment-name> //查看历史版本操作记录
kubectl rollout pause deployment/<deployment-name> //暂停deployment，此时操作不会新增replicaSet
kubectl rollout resume deploy/<deployment-name> //恢复deployment

  • 两种应用发布的方式

    • 金丝雀发布（Canary Deployment），优先发布一台或少量机器升级，等验证无误后再更新其他机器。优点是用户影响范围小，不足之处是要额外控制如何做自动更新
    • 蓝绿发布（Blue-Green Deployment），2组机器，蓝代表当前的V1版本，绿代表已经升级完成的V2版本。通过LB将流量全部导入V2完成升级部署。优点是切换快速，缺点是影响全部用户。

  • deployment假设了其下的所有pod都是相同、平等的，无所谓顺序、无所谓运行的宿主机，这是deployment的缺陷，很多场景不能覆盖

18. 理解StatefulSet(1)

  • Deployment控制器模式所能控制的Pod默认是需要保持无状态的，故需要StatefulSet来管理“有状态应用实例”，kubernetes将状态分为两种：

    • 拓扑状态，即某些服务实例需要按照特定的顺序来启动，它们的拓扑结构上产生的依赖和状态
    • 存储状态，即不同的服务实例需要不同的存储数据，比如数据库的主从关系等

  • 拓扑状态，主要是为了实现Pod的创建、重启都按照固定的顺序进行，因此需要

    • (1)为Pod进行编号，来保证Pod操作顺序
    • (2)既然Pod之间是有拓扑关系的，那么各Pod提供的服务或是有差异的，因此有必要为每个Pod创建唯一的稳定的"网络标识"（DNS记录），作为它的访问入口

  • StatefulSet可以为Pod生成带编号的，例如web-0, web-1，并严格按照标号顺序创建（滚动更新时，按编号相反顺序更新）。

  • Headless Service（即在定义Service时，指定ClusterIP=none）

    • 直接用lable选择器就可以定位到对应的Pod实例
    • 为其所代理的所有 Pod 的 IP 地址绑定上固定格式的DNS记录...svc.cluster.local，服务方即可根据该DNS名字解析得到对应的Pod IP进行访问，
    • 即使运行中某个Pod重启导致IP变化，新IP也能重新绑定到该DNS上（sevice的能力），从而不会对应用产生影响

  • 定义StatefulSet的yaml时，比deployment多一个servicename=<service-name>的字段，用来告诉StatefulSet控制器，用对应的Headless Service为Pod生成唯一DNS记录

19. 理解StatefulSet(2)

  • 为了实现StatefulSet对存储状态的管理，kubernetes提供了以下两个设计：
    • Persistent Volume Claim（PVC）用于指定持久化卷访问声明，这是一个关于访问需求的描述对象
    • Persistent Volume（PV）持久化卷用于提供具体的持久化访问能力
  • PV和PVC的概念非常类似于接口和实现：PV是具体的实现，而PVC则充当接口。
  • StatefulSet管理存储状态时，需额外添加volumeCliameTemplates字段
    • 内部定义与一般的PVC定义一致
    • 表示该StatefulSet管理的所有Pod，都会声明一个PVC，该PVC的定义来自于volumeCliameTemplates字段
    • 每个Pod的PVC都会被分配一个编号<PVC-name>-<Pod-name>
  • 当某个Pod被删除后重启，仍能访问到原先PVC里的内容，原因是：
    • Pod对应的PVC所对应的PV里的内容不会被删除，而是持久化保存着
    • Pod被删除后，StatefulSet会留意到对应Pod停止，便会重启创建对应编号的Pod
    • Pod重启后，便会尝试重新关联相同编号的PVC，进而找到与该PVC绑定的PV
  • 理解StatefulSet核心思路
    • StatefulSet可以看作一种特殊的Deployment
    • 为了区分各Pod，以保证Pod创建、重启的顺序，在创建Pod时，为每一个Pod打上了一个独特的编号（StatefulSet名-序号）
    • 为了保证每个Pod的访问入口的唯一稳定，利用Headless Service，为每一个Pod分配唯一并且稳定的“网络标识”（DNS名字）
    • 为了确保每个Pod对应的存储内容不丢失，利用PV和PVC，为每一个Pod分配唯一并且稳定的”存储空间标识“（PVC名字）

21. 守护进程DaemonSet

  • 基本概念

    • DaemonSet也是一种特殊的Controller，类似于操作系统中的守护进程，作用是在kubernetes集群上运行一些Daemon Pod，并确保在集群中的每一个节点上都有且只有一个这样的Daemon Pod。
    • 当有新的节点加入 Kubernetes 集群后，该 Pod 会自动地在新节点上被创建出来；而当旧节点被删除后，它上面的 Pod 也相应地会被回收掉。
    • 应用场景包括网络插件、存储插件的Agent组件，以及各种监控、日志组件等。

  • DaemonSet是如何保证在每个节点上有且唯一的？

    • 采用控制器模式，遍历Etcd中的所有Node，检查每个Node中是否有对应的Pod，如果没有就新建一个，有多余的删除掉。

  • 在指定Node上新创建Pod的方法？

    • 在Pod定义中加上NodeSelector字段或者NodeAffinity字段（推荐nodeAffinity，因nodeSelector已接近废弃）
    • DaemonSet Controller会在创建 Pod 的时候，自动在这个 Pod 的 API 对象里，加上 nodeAffinity 定义

  • 如何在还没有完全进入Ready状态的kubernetes集群上部署DaemonSet？

    • 一个节点在没进入Ready时，会被加上各类taint（污点）标记，例如若某节点未安装网络插件，则会被加上名为node.kubernetes.io/network-unavailable，效果为NoSchedule的“污点”
    • DaemonSet依靠sepc.toleration的声明，可以允许对某个带有unschedulable的taint的节点进行调度。
    • 补充：master节点上默认会有node.kubernetes.io/network-unavailable的“污点”

  • DaemonSet的版本管理依靠ControllerRevision实现。（ControllerRevision作为k8s中的通用版本管理对象，StatefulSet也使用它进行版本管理）

22. 离线业务：Job和CronJob

  • 在线业务和离线业务

    • Deployment、StatefulSet，以及 DaemonSet都属于“在线业务”，或者叫长作业（Long running task）
    • 一次性执行的任务，叫“离线业务”，或者叫计算作业（Batch job）

  • Job对象管理的Pod，其spec.restartPolicy只能被设置为Never或者OnFailure,（在Deployment中只能被设置为Always），从而确保pod计算完成后不会被重启。

  • job对象的spec.backoffLimit 字段里定义了重试次数上限，避免失败后无限重启。

  • 在 Job 对象中，负责并行控制的参数有两个：

    1. spec.parallelism，定义一个 Job 在同一时刻最多可以启动多少个 Pod 同时运行；
    2. spec.completions，定义 Job 至少要完成的 Pod 数目，即 Job 的最小完成数。

  • 定时任务CronJob

    • CronJob 与 Job 的关系，正如同 Deployment 与 Pod 的关系一样。CronJob 是一个专门用来管理 Job 对象的控制器。
    • 它创建和删除 Job 的依据，是 spec.schedule 字段定义的、一个标准的Unix Cron格式的表达式。
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