k8s之Pod基础概念

1、资源限制

• Pod是kubernetes中最小的资源管理组件，Pod也是最小化运行容器化应用的资源对象。一个Pod代表着集群中运行的一个进程。kubernetes中其他大多数组件都是围绕着Pod来进行支撑和扩展Pod功能的，例如，用于管理Pod运行的StatefulSet和Deployment等控制器对象，用于暴露Pod应用的Service和Ingress对象，为Pod提供存储的PersistentVolume存储资源对象等。

2、Pod的两种使用方式

• 一个Pod中运行一个容器。“每个Pod中一个容器”的模式是最常见的用法；在这种使用方式中，你可以把Pod想象成是单个容器的封装，kubernetes管理的是Pod而不是直接管理容器。
• 在一个Pod中同时运行多个容器。一个Pod中也可以同时封装几个需要紧密耦合互相协作的容器，它们之间共享资源。这些在同一个Pod中的容器可以互相协作成为一个service单位，比如一个容器共享文件，另一个“sidecar”容器来更新这些文件。Pod将这些容器的存储资源作为一个实体来管理。

3、Pod资源共享

• 一个Pod下的容器必须运行于同一节点上。现代容器技术建议一个容器只运行一个进程，该进程在容器中PID命令空间中的进程号为1，可直接接收并处理信号，进程终止时容器生命周期也就结束了。
• 若想在容器内运行多个进程，需要有一个类似Linux操作系统init进程的管控类进程，以树状结构完成多进程的生命周期管理。运行于各自容器内的进程无法直接完成网络通信，这是由于容器间的隔离机制导致，k8s中的Pod资源抽象正是解决此类问题，Pod对象是一组容器的集合，这些容器共享Network、UTS及IPC命令空间，因此具有相同的域名、主机名和网络接口，并可通过IPC直接通信。

namespace	功能说明
MNT Namespace	提供磁盘挂载点和文件系统的隔离能力
IPC Namespace	提供进程间通信的隔离能力
NET Namespace	提供网络隔离能力
UTS Namespace	提供主机名隔离能力
PID Namespace	提供进程隔离能力
User Namespace	提供用户隔离能力

4、底层容器Pause

• Pod资源中针对各容器提供网络命令空间等共享机制的是底层基础容器pause，基础容器（也可称为父容器）pause就是为了管理Pod容器间的共享操作，这个父容器需要能够准确地知道如何去创建共享运行环境的容器，还能管理这些容器的生命周期。为了实现这个父容器的构想，kubernetes中，用pause容器来作为一个Pod中所有容器的父容器。这个pause容器有两个核心的功能，一是它提供整个Pod的Linux命名空间的基础。二来启用PID命名空间，它在每个Pod中都作为PID为1进程（init进程），并回收僵尸进程。

4.1 Pause共享资源

4.1.1 网络

• 每个Pod都会被分配一个唯一的IP地址。Pod中的所有容器共享网络空间，包括IP地址和端口。Pod内部的容器可以使用localhost互相通信。Pod中的容器与外界通信时，必须分配共享网络资源（例如使用宿主机的端口映射）。

4.1.2 存储

• 可以Pod指定多个共享的Volume。Pod中的所有容器都可以访问共享的Volume。Volume也可以用来持久化Pod中的存储资源，以防容器重启后文件丢失。

4.1.3 总结

• 每个Pod都有一个特殊的被称为“基础容器”的Pause容器。Pause容器对应的镜像属于Kubernetes平台的一部分，除了Pause容器，每个Pod还包含一个或者多个紧密相关的用户应用容器。

4.2 Pause主要功能

kubernetes中的pause容器主要为每个容器提供以下功能：

• 在pod中担任Linux命名空间（如网络命令空间）共享的基础；
• 启用PID命名空间，开启init进程。

4.3 Pod与Pause结构的设计初衷

• 原因一：在一组容器作为一个单元的情况下，难以对整体的容器简单地进行判断及有效地进行行动。比如，一个容器死亡了，此时是算整体挂了么？那么引入与业务无关的Pause容器作为Pod的基础容器，以它的状态代表着整个容器组的状态，这样就可以解决该问题。
• 原因二：Pod里的多个应用容器共享Pause容器的IP，共享Pause容器挂载的Volume，这样简化了应用容器之间的通信问题，也解决了容器之间的文件共享问题。

5、Pod容器的分类

5.1 基础容器（infrastructure container）

• 维护整个 Pod 网络和存储空间

• node节点中操作

• 启动一个容器时，k8s会自动启动一个基础容器

5.2 初始化容器（initcontainers）

• Init容器必须在应用程序容器启动之前运行完成，而应用程序容器是并行运行的，所以Init容器能够提供了一种简单的阻塞或延迟应用容器的启动的方法。

Init 容器与普通的容器非常像，除了以下两点

• Init 容器总是运行到成功完成为止
• 每个 Init 容器都必须在下一个 Init 容器启动之前成功完成启动和退出
  如果 Pod 的 Init 容器失败，k8s 会不断地重启该 Pod，直到 Init 容器成功为止。然而，如果 Pod 对应的重启策略（restartPolicy）为 Never，它不会重新启动。

Init 的容器作用

因为init容器具有与应用容器分离的单独镜像，其启动相关代码具有如下优势：

• Init 容器可以包含一些安装过程中应用容器中不存在的实用工具或个性化代码。例如，没有必要仅为了在安装过程中使用类似 sed、 awk、 python 或 dig 这样的工具而去FROM 一个镜像来生成一个新的镜像。
• Init 容器可以安全地运行这些工具，避免这些工具导致应用镜像的安全性降低。
• 应用镜像的创建者和部署者可以各自独立工作，而没有必要联合构建一个单独的应用镜像。
• Init 容器能以不同于Pod内应用容器的文件系统视图运行。因此，Init容器可具有访问 Secrets 的权限，而应用容器不能够访问。
• 由于 Init 容器必须在应用容器启动之前运行完成，因此 Init 容器提供了一种机制来阻塞或延迟应用容器的启动，直到满足了一组先决条件。一旦前置条件满足，Pod内的所有的应用容器会并行启动。

5.3 应用容器（Maincontainer）

• 应用容器会在init容器完成并退出后并行启动

5.4 官网示例

https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/pods/init-containers/

6、实际操作

6.1 编写myapp.yaml

#编辑yaml配置文件
vim myapp.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myapp-pod
  labels:
    app: myapp
spec:
  containers:
  - name: myapp-container
    image: busybox:1.28
    command: ['sh', '-c', 'echo The app is running! && sleep 3600']
  initContainers:
  - name: init-myservice
    image: busybox:1.28
    command: ['sh', '-c', 'until nslookup myservice; do echo waiting for myservice; sleep 2; done;']
  - name: init-mydb
    image: busybox:1.28
    command: ['sh', '-c', 'until nslookup mydb; do echo waiting for mydb; sleep 2; done;']
    
#上述定义了一个具有 2 个 Init 容器的简单 Pod。 第一个等待 myservice 启动， 第二个等待 mydb 启动。 一旦这两个 Init容器都启动完成，Pod 将启动 spec 中的应用容器。

6.2 创建myapp.yaml配置资源

kubectl apply -f myapp.yaml
#创建myapp.yaml配置资源

kubectl get pod
#显示pod资源
#发现该pod会一直处于Init:0/2的状态

6.3 查看pod创建过程

kubectl describe pod myapp-pod
#查看创建pod详细过程
#发现开启init-myservice容器后，创建步骤停滞，查看init-myservice日志进一步查明原因

6.4 查看pod日志

kubectl logs myapp-pod -c init-myservice
#查看pod日志
#发现问题，服务器未能找到myservice域名，所以无法跳出循环

6.5 编写myservice.yaml

#编辑yaml配置文件
vim myservice.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myservice
spec:
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 1128

6.6 创建myservice.yaml配置资源

kubectl create -f myservice.yaml
#创建yaml配置资源

kubectl get pod,svc
#查看资源信息
#myservice生成后，发现myapp-pod状态变为Init:1/2且再次停滞，停滞原因与上述相同

6.7 编写mydb.yaml

#编辑yaml配置文件
vim mydb.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mydb
spec:
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 1128

6.8 创建mydb.yaml配置资源

kubectl apply -f mydb.yaml
#创建配置资源

kubectl get svc,pod
#查看pod以及service列表
#在生成mydb-service后，myapp-pod成功创建

6.9 查看myapp-pod创建全过程

kubectl describe pod myapp-pod
#查看myapp-pod创建过程

------------------------------------------------------------------------------------------------------------
#创建过程中第一次停滞，是init-myservice容器启动后，未能发现myservice域名，无法得到解析，因此陷入循环。
#第二次停滞，是init-mydb容器启动后，未能发现，mydb域名，无法得到解析，因此再次陷入循环中。
#在上述两个init容器成功并退出后，myapp-pod才开始创建，否则pod无法创建。

6.10 特别说明

• 在Pod启动过程中，Init容器会按顺序在网络和数据卷初始化之后启动。每个容器必须在下一个容器启动之前成功退出。
• 如果由于运行时或失败退出，将导致容器启动失败，它会根据Pod的restartPolicy指定的策略进行重试。然而，如果Pod的restartPolicy设置为Always，Init容器失败时会使用RestartPolicy策略。
• 在所有的Init容器没有成功之前，Pod将不会变成Ready状态。Init容器的端口将不会在Service中进行聚集。正在初始化中的Pod处于Pending状态，但应该会将Initializing状态设置为true。
• 如果Pod重启，所有Init容器必须重新执行。
• 对Init容器spec的修改被限制在容器image字段，修改其他字段都不会生效。更改Init容器的image字段，等价于重启该Pod。
• Init容器具有应用容器的所有字段。除了readinessProbe，因为Init容器无法定义不同于完成（completion）的就绪（readiness）之外的其他状态。这会在验证过程中强制执行。
• 在Pod中的每个app和Init容器的名称必须唯一；与任何其它容器共享同一个名称，会在验证时抛出错误。

7、镜像拉取策略（image PullPolicy）

Pod 的核心是运行容器，必须指定容器引擎，比如 Docker，启动容器时，需要拉取镜像，k8s 的镜像拉取策略可以由用户指定：

• IfNotPresent：在镜像已经存在的情况下，kubelet 将不再去拉取镜像，仅当本地缺失时才从仓库中拉取，默认的镜像拉取策略
• Always：每次创建 Pod 都会重新拉取一次镜像；
• Never：Pod 不会主动拉取这个镜像，仅使用本地镜像。

注意：对于标签为“:latest”的镜像文件，其默认的镜像获取策略即为“Always”；而对于其他标签的镜像，其默认策略则为“IfNotPresent”。

官方示例

https://kubernetes.io/docs/concepts/containers/images

7.1 测试操作（非循环命令）

7.1.1 创建test01.yaml配置资源，查看详细信息

#编辑yaml配置文件
vim test01.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: private-image-test-1
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx
      imagePullPolicy: Always
      command: [ "echo", "SUCCESS" ]

kubectl apply -f test01.yaml
#创建配置资源

kubectl logs private-image-test-1
#查看创建过程，即日志信息（显示：SUCCESS）
#显示 Pod 中的容器在生命周期结束后，由于 Pod 的重启策略为 Always，容器再次重启了，并且又重新开始拉取镜像

kubectl describe pod private-image-test-1
#查看pod资源详细信息

kubectl get pod -owide
#查看pod详细信息
#该pod状态为CrashLoopBackOff，说明pod进入了异常循环状态，原因是 echo 执行完进程终止，容器生命周期也就结束了

7.1.2 修改test01.yaml

#修改yaml配置文件
vim test01.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: private-image-test-1
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx:1.18
      #指定nginx版本为1.18
      imagePullPolicy: Always
#      command: [ "echo", "SUCCESS" ]
#注释掉命令

kubectl delete -f test01.yaml
#删除原有的资源

kubectl apply -f test01.yaml
#生成新的 test01.yaml 配置资源

kubectl get pod -owide
#查看pod详细信息（创建成功）

curl -I 10.244.2.84
#查看pod的应用版本

7.2 不指定版本号，查看默认拉取策略

7.2.1 不指定版本创建pod

kubectl run nginx-test1 --image=nginx
#不指定版本创建pod

7.2.2 查看默认拉取策略

kubectl get pod
#查看pod资源信息

kubectl edit pod nginx-test1
#查看资源配置清单
    imagePullPolicy: Always
    #不指定版本号，即使用缺省值latest最新版本，默认拉取策略为Always

7.2.3 查看创建过程

kubectl describe pod nginx-test1
#查看pod资源详细信息

#由于拉取策略为Always，因此不管本地有没有对应镜像，kubelet都会前往公有仓库下载最新版本应用

7.3 测试（循环命令）

7.3.1 修改test01.yaml文件

#修改yaml配置文件
vim test01.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: private-image-test-1
spec:
  containers:
    - name: nginx
     image: nginx
     #修改镜像版本为最新版本
     imagePullPolicy: IfNotPresent
     #设置镜像拉取策略为IfNotPresent
     command: [ "sh","while true;do echo SUCCESS;done;" ]
     #设置循环命令，使得pod不会自动关闭
     
kubectl delete -f test01.yaml
#删除原有的资源

kubectl apply -f test01.yaml
#生成新的test01.yaml配置资源

kubectl get pod -owide
#查看pod状态（再次进入异常循环状态）

kubectl describe pod private-image-test-1
#查看创建过程

kubectl logs private-image-test-1
#查看日志信息

7.3.2 再次修改test01.yaml

#修改yaml配置文件
vim test01.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: private-image-test-1
spec:
  containers:
    - name: nginx
     image: nginx
     imagePullPolicy: IfNotPresent
     command: [ "sh","-c","while true;do echo SUCCESS;done;" ]
     #添加“-c”选项，添加后保存退出
     
kubectl delete -f test01.yaml
#删除原有的资源

kubectl apply -f test01.yaml
#生成新的test01.yaml配置资源

kubectl get pod -owide
#查看pod状态（再次进入异常循环状态）

kubectl describe pod private-image-test-1
#查看创建过程

kubectl describe pod private-image-test-1 | grep "Image"
#查看日志信息

kubectl get pod private-image-test-1 -o yaml | grep -i restart
#查看重启策略信息

8、镜像重启策略

当 Pod 中的容器退出时通过节点上的 kubelet 重启容器。适用于 Pod 中的所有容器。

• Always：当容器终止退出后，总是重启容器，默认策略
• OnFailure：当容器异常退出（退出状态码非0）时，重启容器；正常退出则不重启容器
• Never：当容器终止退出，从不重启容器。

注意：K8S 中不支持重启 Pod 资源，只有删除重建

总结

关于pod

• pod是k8s最小创建和运行单元
• 一个pod包含一个或者多个容器（一个或多个应用容器/业务容器（如：淘宝、京东、拼多多后台）），一个根容器/父容器/基础容器—pause容器
• pod里的容器共享network、uts、ipc、user、mount等命名空间
• k8s中pod分为两种
  • 自主式/静态pod（没有自愈能力）
    • 不被控制器管理的pod、没有自愈能力，一旦pod挂掉，不会被重新拉起，而且副本数量不会因为达不到期望值而创建新的pod、数据保存在节点上，一旦挂掉，直接结束生命周期
  • 控制器管理的pod（有自愈能力）
    • 被控制器管理的pod，有自愈能力，一旦pod挂掉，会被重新拉起，而且副本数量会因为达不到期望值而创建新的pod，也就是说pod出现问题（生命周期，如：删除、故障等）会自动重新拉起新的pod

问：pod中多个容器之间如何通讯
通过本机localhost，访问pod中的容器

问：不同pod之间通讯
通过网络插件（flannel、calico）

三类容器

基础容器（pause）：初始化容器环境，开启pid=1的init进程来管理其他容器的生命周期；提供网络和存储空间的共享环境基础。
init容器：是在基础容器之后，应用容器之前运行的容器，多个init容器时串行运行的，init容器必须在上一个init容器成功运行和退出后才会运行。
应用容器（main c）：运行业务的容器，在init容器都运行成功和退出后运行，多个应用容器是并行运行的。
注意：在一个pod中，init容器和应用容器的名称都是唯一的。

• 基础容器（pause容器）

  • 给pod中的所有的应用容器提供网络（共享ip）和存储（共享存储资源的共享，作为PID=1的进程（init进程）去管理整个pod容器组的生命周期

• 初始化容器（init容器）

  • 阻塞或者延迟应用容器的启动，可以为应用容器事先提供好运行环境和工具。
  • 有多个init容器时是串行启动，每一个init容器都必须在下一个init容器启动前完成启动和退出

• 应用容器（main容器）

  • 在所有init容器启动和退出后应用容器才会启动，并行启动的，提供应用的程序业务

镜像拉取策略（imagePullPolicy）

yaml资源配置清单中，配置在containers字段下面一层。

• IfNotPresent：是带有指定标签的镜像的默认拉取策略。有限使用本地存在的镜像，如果本地没有，就会从仓库拉取镜像
• Always：是没有标签的镜像或者使用latest标签的镜像的默认拉取策略，总是从仓库拉取镜像，无论本地是否已存在镜像
• Never：总是不会从仓库拉取镜像，仅使用本地镜像

image
#nginx:latest或者nginx：镜像的标签为latest或者无标签时，默认的镜像拉取策略为always
#nginx:1.16：镜像标签为非latest时，默认的镜像拉取策略为IfNotPresent

pod容器重启策略（restartPolicy）

跟container字段在同一层

• Always：容器退出时总是重启容器，不管返回状态码如何，默认是pod容器重启策略
• OnFalure：仅在容器异常退出时，返回状态码为非0值，会重启容器
• Never：容器退出时从不重启容器，不管返回状态码如何