一、Kubernetes是什么?

kubernetes中文社区
https://www.kubernetes.org.cn/

  Kubernetes的名字来自希腊语，意思是“舵手” 或 “领航员”。K8s是将8个字母“ubernete”替换为“8”的缩写。Kubernetes是容器集群管理系统，是一个开源的平台，可以实现容器集群的自动化部署、自动扩缩容、维护等功能。Kubernetes是Google 2014年创建管理的，是Google 10多年大规模容器管理技术Borg的开源版本。

  传统的应用部署方式是通过插件或脚本来安装应用。这样做的缺点是应用的运行、配 置、管理、所有生存周期将与当前操作系统绑定，这样做并不利于应用的升级更新/回滚等 操作，当然也可以通过创建虚拟机的方式来实现某些功能，但是虚拟机非常重，并不利于 可移植性。

  新的方式是通过部署容器方式实现，每个容器之间互相隔离，每个容器有自己的文件 系统 ，容器之间进程不会相互影响，能区分计算资源。相对于虚拟机，容器能快速部署， 由于容器与底层设施、机器文件系统解耦的，所以它能在不同云、不同版本操作系统间进 行迁移。

  容器占用资源少、部署快，每个应用可以被打包成一个容器镜像，每个应用与容器间 成一对一关系也使容器有更大优势，使用容器可以在 build 或 release 的阶段，为应用创 建容器镜像，因为每个应用不需要与其余的应用堆栈组合，也不依赖于生产环境基础结构， 这使得从研发到测试、生产能提供一致环境。类似地，容器比虚拟机轻量、更“透明”， 这更便于监控和管理。

  在 Kubernetes 中，我们可以创建多个容器，每个容器里面运行一个应用实例，然后通 过内置的负载均衡策略，实现对这一组应用实例的管理、发现、访问，而这些细节都不需 要运维人员去进行复杂的手工配置和处理。

二、Kubernetes特性

• 自动装箱

  • 基于容器对应用运行环境的资源配置要求自动部署应用容器

• 自我修复(自愈能力)

  • 当容器失败时，会对容器进行重启，当所部署的Node节点有问题时，会对容器进行重新部署和重新调度
  • 当容器未通过监控检查时，会关闭此容器直到容器正常运行时，才会对外提供服务。

• 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。

• 自动部署和回滚

  • 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，确保升级不受影响业务。

• 服务发现和负载均衡

  • 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。

• 滚动更新

  • 可以根据应用的变化，对应用容器运行的应用，进行一次性或批量式更新

• 版本回退

  • 可以根据应用部署情况，对应用容器运行的应用，进行历史版本即时回退

• 密钥和配置管理

  • 在不需要重新构建镜像的情况下，可以部署和更新密钥和应用配置，类似热部署。

• 存储编排

  • 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。

• 批处理

  • 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。

三、Kubernetes集群架构与组件

Kubernetes集群主要由Master Node和Worker Node两类节点组成
K8S 是属于主从设备模型（Master-Slave 架构），即有 Master 节点负责核心的调度、管理和运维，Slave 节点则在执行用户的程序。但是在 K8S 中，主节点一般被称为Master Node ，而从节点则被称为Worker Node 或者 Node。

3.1 Master 主控节点

Master节点指的是集群控制节点，管理和控制整个集群，Master组件可以在集群中任何节点上运行。但是为了简单起见，通常在一台VM/机器上启动所有Master组件，并且不会在此VM/机器上运行用户容器。基本上Kubernetes所有的控制命令都是发给它，它来负责具体的执行过程，我们后面所有执行的命令基本都是在Master节点上运行的；

kube-apiserver

需部署在 master 节点上；是 Kubernetes 控制面的前端。集群服务的统一入口，各组件协调者，以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APIServer处理后再提交给Etcd存储。

kube-scheduler

kube-scheduler 节点调度器，根据调度算法为新创建的Pod选择一个Node节点，可以任意部署，可以部署在同一个节点上,也可以部署在不同的节点上。Scheduler在调度时会对集群的结构进行分析，当前各个节点的负载，以及应用对高可用、性能等方面的需求。

kube-controller-manager

kube-controller-manager运行管理控制器，负责执行各种控制器，处理集群中常规后台任务,维持副本期望数目，一个资源对应一个控制器，而 ControllerManager 就是负责管理这些控制器的。k8s中所有资源对象的自动化控制中心，维护管理集群的状态，比如故障检测，自动扩展，滚动更新等

cloud-controller-manager

运行与基础云提供商交互的控制器，从k8s 1.6之后出现的新功能
也包括了多个控制器：节点（Node）控制器、路由（Route）控制器、服务控制器、数据卷（Volume）控制器

etcd

etcd是Kubernetes提供默认的存储系统，保存所有集群数据，使用时需要为etcd数据提供备份计划。分布式键值存储系统，用于保存集群状态数据，比如Pod、Service等对象信息。

DNS

群集 DNS是一个DNS服务器，能够为 Kubernetes services提供 DNS记录。
由Kubernetes启动的容器自动将这个DNS服务器包含在他们的DNS searches中。

Cluster-level Logging

Cluster-level logging，负责保存容器日志，搜索/查看日志。

3.2 Node 工作节点

真正的工作节点，运行业务应用的容器；节点组件运行在Node，提供Kubernetes运行时环境，以及维护Pod。

kubelet

kubelet 节点管理工具，Worker Node 的监视器，以及与 Master Node 的通讯，是Master在Node节点上的Agent(代理)，管理本机运行容器的生命周期，比如创建容器，Pod挂载数据卷，下载secret，获取容器和节点状态等工作，kubelet 将每个Pod转换成一组容器，可以理解为当在master上执行创建、删除对象时，kubelet负责执行从kube-apiserver下达的指令，master派到node节点代表，管理本机容器。

kube-proxy

kube-proxy 网络管理器，运行在每个node节点上，管理维护node上的网络规则，提供网络代理，四层负载均衡

docker / rocket

docker用于运行容器。rkt(rocket) 运行容器，作为docker工具的替代方案。

supervisord

supervisord是一个轻量级的监控系统，用于保障kubelet和docker运行。

fluentd

fluentd 是一个守护进程，它有助于提升 集群层面日志

四、K8S核心概念

Pod

• Pod是K8s中最小的部署单元
• 一组容器的集合
• 一个Pod中的容器共享网络，命名空间
• 生命周期是短暂的（服务器重启后，就找不到了）
• 每个pod都有个根容器”的Pause容器，用于共享网络等

同一个 Pod 之间的 Container 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 Container 不能用 localhost 访问，也不能挂载其他 Pod 的数据卷。

Volume

• 数据卷 volume 是 Pod 内部的磁盘资源
• 声明在Pod容器中可访问的文件目录
• 可以被挂载到Pod中一个或多个容器指定路径下
• 支持多种后端存储抽象【本地存储、分布式存储、云存储】

Controllers

主要创建管理pod

• ReplicaSet ：确保预期的Pod副本数量，支持集合式的selector
• ReplicationController：和ReplicaSet相同，新版本建议用ReplicaSet取代
• Deployment ：无状态应用部署，无状态就是指，不需要依赖于网络或者ip
• StatefulSet ：有状态应用部署，有状态需要特定的条件
• DaemonSet ：确保所有Node运行同一个Pod
• Job ：一次性任务
• Cronjob ：定时任务

ReplicaSet

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。形象来说，ReplicaSet 就是总包工头手下的小包工头。

Deployment

• 定义一组Pod副本数目，版本等
• 通过控制器【Controller】维持Pod数目【自动回复失败的Pod】
• 通过控制器以指定的策略控制版本【滚动升级、回滚等】
• deployment不创建pod，通过replicaset创建和管理pod

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。哎，打个形象的比喻，Deployment 就是包工头，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。

Service

• 定义一组pod的访问规则
• Pod的负载均衡，提供一个或多个Pod的稳定访问地址
• 支持多种方式【ClusterIP、NodePort、LoadBalancer】
• 可以用来组合pod，同时对外提供服务

Label

标签，附加到某个资源上，用于关联对象、查询和筛选

Namespaces

命名空间，将对象逻辑上隔离，也就是说，可以通过在 K8S 集群内创建 namespace 来分隔资源和对象

• 一个集群内部的逻辑隔离机制【鉴权、资源】
• 每个资源都属于一个namespace
• 同一个namespace所有资源不能重复
• 不同namespace可以资源名重复

k8s 工作流程

客户端创建pod 流程：

1. 用户管理员创建 Pod 的请求默认是通过kubectl 客户端管理命令 api server 组件进行交互的，默认会将请求发送给 API Server。
2. API Server 会根据请求的类型选择用何种 REST API 对请求作出处理（比如：创建 Pod 时 Storage 类型是 Pods 时，其对应的就是 REST Storage API）。
3. REST Storage API 会对请求作相应的处理并将处理的结果存入高可用键值存储系统 Etcd 中。
4. 在 API Server 响应管理员kubectl 的请求后，Scheduler 会根据ETCD集群中运行 Pod情况 及 Node 信息进行判断，将需要创建的 Pod 分发到可用的 Node 节点上。然后根据一组相关规则将pod分配到可以运行它们的节点上，并更新数据库，记录pod分配情况。
5. Kubelet监控数据库变化，管理后续pod的生命周期，发现被分配到它所在的节点上运行的那些pod，就会进行docker组件的启动，docker组件会启动对应的容器（pod），会在该节点上运行这个新pod。
6. kube-proxy运行在集群各个节点主机上，管理网络通信，如服务发现、负载均衡。例如当有数据发送到主机时，将其路由到正确的pod或容器。对于从主机上发出的数据，它可以基于请求地址发现远程服务器，并将数据正确路由，在某些情况下会使用轮训调度算法(Round-robin)将请求发送到集群中的多个实例。

以部署一个nginx服务来说明kubernetes系统各个组件调用关系：

1. 首先要明确，一旦kubernetes环境启动之后，master和node都会将自身的信息存储到etcd数据库中

2. 一个nginx服务的安装请求会首先被发送到master节点的apiServer组件

3. apiServer组件会调用scheduler组件来决定到底应该把这个服务安装到哪个node节点上

在此时，它会从etcd中读取各个node节点的信息，然后按照一定的算法进行选择，并将结果告知apiServer

1. apiServer调用controller-manager去调度Node节点安装nginx服务

2. kubelet接收到指令后，会通知docker，然后由docker来启动一个nginx的pod

pod是kubernetes的最小操作单元，容器必须跑在pod中至此，

1. 一个nginx服务就运行了，如果需要访问nginx，就需要通过kube-proxy来对pod产生访问的代理
   ​ 这样，外界用户就可以访问集群中的nginx服务了

yml文件

1. 准备好一个包含应用程序的Deployment的yml文件，然后通过kubectl客户端工具发送给ApiServer。
2. ApiServer接收到客户端的请求并将资源内容存储到数据库(etcd)中。
3. Controller组件(包括scheduler、replication、endpoint)监控资源变化并作出反应。
4. ReplicaSet检查数据库变化，创建期望数量的pod实例。
5. Scheduler再次检查数据库变化，发现尚未被分配到具体执行节点(node)的Pod，然后根据一组相关规则将pod分配到可以运行它们的节点上，并更新数据库，记录pod分配情况。
6. Kubelete监控数据库变化，管理后续pod的生命周期，发现被分配到它所在的节点上运行的那些pod。如果找到新pod，则会在该节点上运行这个新pod。
7. kuberproxy运行在集群各个主机上，管理网络通信，如服务发现、负载均衡。例如当有数据发送到主机时，将其路由到正确的pod或容器。对于从主机上发出的数据，它可以基于请求地址发现远程服务器，并将数据正确路由，在某些情况下会使用轮训调度算法(Round-robin)将请求发送到集群中的多个实例。