1. 前言

K8s支持 生产级别的容器编排系统，自动化的容器部署、扩展和管理。它将组成应用程序的容器组合成逻辑单元，以便于管理和服务发现。Kubernetes 源自Google 15 年生产环境的运维经验，同时凝聚了社区的最佳创意和实践。

K8S主要讲的就是Kubernetes，首先Kubernetes首字母为K，末尾为s，中间一共有8个字母，所以简称K8s

1.1 部署发展历程

我们的项目部署也在经历下面的这样一个历程

• 传统部署 -> 虚拟化部署时代 -> 容器部署时代

• 传统部署时代：早期，组织在物理服务器上运行应用程序。无法为物理服务器中的应用程序定义资源边界，这会导致资源分配问题。例如，如果在物理服务器上运行多个应用程序，则可能会出现-一个应用程序占用大部分资源的情况，结果可能导致其他应用程序的性能下降。--种解决方案是在不同的物理服务器上运行每个应用程序，但是由于资源利用不足而无法扩展，并且组织维护许多物理服务器的成本很高。
• 虚拟化部署时代：作为解决方案，引入了虚拟化功能，它允许您在单个物理服务器的CPU.上运行多个虚拟机（VM）。虚拟化功能允许应用程序在VM之间隔离，并提供安全级别，因为一一个应用程序的信息不能被另一应用程序自由地访问。因为虚拟化可以轻松地添加或更新应用程序、降低硬件成本等等，所以虚拟化可以更好地利用物理服务器中的资源，并可以实现更好的可伸缩性。每个VM是一台完整的计算机，在虚拟化硬件之上运行所有组件，包括其自己的操作系统。
• 容器部署时代：容器类似于VM，但是它们具有轻量级的隔离属性，可以在应用程序之间共享操作系统 （OS），因此，容器被认为是轻量级的。容器与VM类似，具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和OS分发进行移植。

容器因具有许多优势而变得流行起来。下面列出了容器的一些好处：

1.2 优势

• 敏捷应用程序的创建和部署：与使用VM镜像相比，提高了容器镜像创建的简便性和效率。
• 持续开发、集成和部署：通过简单的回滚（由于镜像不可变性），提供可靠且频繁的容器镜像构建和部署。
• 关注开发与运维的分离：在构建/时而不是在部署时创建应用程序容器镜像，将应用程序与基础架构分离。
• 可观察性：不仅可以显示操作系统级别的信息和指标，还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
• 跨开发、测试和生产的环境一致性：在便携式计算机上与在云中相同地运行。
• 云和操作系统分发的可移植性：可在Ubuntu、RHEL、RHEL、CoreOS、本地、Google Kubernetes Engine和其它任何其它地方运行。
• 以应用程序为中心的管理：提高抽象级别，从在虚拟硬件上运行OS到使用逻辑资源在OS上运行应用程序。
• 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务：应用程序被分解成较小的独立部分，并且可以动态部署和管理-而不是在一台大型单机上器体运行。
• 资源隔离：可预测的应用程序性能。

1.3 Kubernetes 特性

• 自动上线和回滚：Kubernetes 会分步骤地将针对应用或其配置的更改上线，同时监视应用程序运行状况以确保你不会同时终止所有实例。如果出现问题，Kubernetes 会为你回滚所作更改。你应该充分利用不断成长的部署方案生态系统。
• 服务发现与负载均衡：无需修改你的应用程序即可使用陌生的服务发现机制。Kubernetes 为容器提供了自己的 IP 地址和一个 DNS 名称，并且可以在它们之间实现负载均衡。
• 服务拓扑（Service Topology）：基于集群拓扑的服务流量路由。
• 存储编排：自动挂载所选存储系统，包括本地存储、诸如 GCP 或 AWS 之类公有云提供商所提供的存储或者诸如 NFS、iSCSI、Gluster、Ceph、Cinder 或 Flocker 这类网络存储系统。
• Secret 和配置管理：部署和更新 Secrets 和应用程序的配置而不必重新构建容器镜像，且 不必将软件堆栈配置中的秘密信息暴露出来。
• 自动装箱：根据资源需求和其他约束自动放置容器，同时避免影响可用性。将关键性工作负载和尽力而为性质的服务工作负载进行混合放置，以提高资源利用率并节省更多资源。
• 批量执行：除了服务之外，Kubernetes 还可以管理你的批处理和 CI 工作负载，在期望时替换掉失效的容器
• IPv4/IPv6 双协议栈：为 Pod 和 Service 分配 IPv4 和 IPv6 地址
• 水平扩容：使用一个简单的命令、一个 UI 或基于 CPU 使用情况自动对应用程序进行扩缩
• 自我修复：重新启动失败的容器，在节点死亡时替换并重新调度容器，杀死不响应用户定义的健康检查的容器，并且在它们准备好服务之前不会将它们公布给客户端

2. K8S 概述

kubernetes，简称K8s，是用8 代替8 个字符“ubernete”而成的缩写。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，Kubernetes 的目标是让部署容器化的应用简单并且高效（powerful）,Kubernetes 提供了应用部署，规划，更新，维护的一种机制。

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。

总结：

• K8s是谷歌在2014年发布的容器化集群管理系统
• 使用k8s进行容器化应用部署
• 使用k8s利于应用扩展
• k8s目标实施让部署容器化应用更加简洁和高效

2.1 K8S 功能

（1）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

（2）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

    

当服务1宕机后，会使用服务2继续提供服务，但是服务2如果没有完全启动，则不会对外提供服务

如果某个服务器上的应用不响应了，Kubernetes会自动在其它的地方创建一个

（3）水平扩展

通过简单的命令、用户UI 界面或基于CPU 等资源使用情况，对应用容器进行规模扩大或规模剪裁

• 当我们有大量的请求来临时，我们可以增加副本数量，从而达到水平扩展的效果

当黄色应用过度忙碌，会来扩展一个应用

（4）服务发现

用户不需使用额外的服务发现机制，就能够基于Kubernetes 自身能力实现服务发现和负载均衡

• 对外提供统一的入口，让它来做节点的调度和负载均衡， 相当于微服务里面的网关

     

（5）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

• 添加应用的时候，不是加进去就马上可以进行使用，而是需要判断这个添加进去的应用是否能够正常使用

（6）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（类似于Git中的回滚）

（7）密钥配置管理

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。

（8）存储编排

自动实现存储系统挂载及应用，特别对有状态应用实现数据持久化非常重要

存储系统可以来自于本地目录、网络存储(NFS、Gluster、Ceph 等)、公共云存储服务

（9）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

2.2 K8S架构

用户调用工作过程

2.3 K8S架构细节

K8S架构主要包含两部分：Master（主控节点）和 node（工作节点）

• master节点架构图

    

• Node节点架构图

     

k8s 集群控制节点，对集群进行调度管理，接受集群外用户去集群操作请求；

（1）master：主控节点

• API Server：集群统一入口，以restful风格进行操作，同时交给etcd存储，提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制
• scheduler：节点的调度，选择node节点进行应用部署
• controller-manager：处理集群中常规后台任务，一个资源对应一个控制器
• etcd：存储系统，用于保存集群中的相关数据

（2）Work node:工作节点

• Kubelet：master派到 node节点的代表，用于管理本机容器的各种操作
  • 一个集群中每个节点上运行的代理，它保证容器都运行在Pod中
  • 负责维护容器的生命周期，同时也负责Volume(CSI) 和 网络(CNI)的管理
• kube-proxy：提供网络代理，负载均衡等操作

（3）容器运行环境【Container Runtime】

• 容器运行环境是负责运行容器的软件
• Kubernetes支持多个容器运行环境：Docker、containerd、cri-o、rktlet以及任何实现Kubernetes CRI (容器运行环境接口) 的软件。

（4）fluentd：是一个守护进程，它有助于提升 集群层面日志

3. K8s 的核心概念

3.1 Pod

• Pod是K8s中最小的单元，是一组容器的集合
• 共享网络【一个Pod中的所有容器共享同一网络】
• 生命周期是短暂的（服务器重启后，就找不到了）

3.2  Volume

• 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】

3.3 Controller

• 确保预期的pod副本数量【ReplicaSet】
• 无状态应用部署【Depoltment】
  • 无状态就是指，不需要依赖于网络或者ip
• 有状态应用部署【StatefulSet】
  • 有状态需要特定的条件
• 确保所有的node运行同一个pod 【DaemonSet】
• 一次性任务和定时任务【Job和CronJob】

3.4 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】

3.5 Service

     

• 定义一组pod的访问规则，可以用来组合pod，同时对外提供服务
• 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】

3.6 Label

• label：标签，用于对象资源查询，筛选

   

3.7 Namespace

命名空间，逻辑隔离

• 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

3.8 API

我们通过Kubernetes的API来操作整个集群，同时我们可以通过 kubectl 、ui、curl 最终发送 http + json/yaml 方式的请求给API Server，然后控制整个K8S集群，K8S中所有的资源对象都可以采用 yaml 或 json 格式的文件定义或描述

如下：使用yaml部署一个nginx的pod

3.9 完整的工作流程

1. 通过Kubectl提交一个创建RC（Replication Controller）的请求，该请求通过APlserver写入etcd
2. 此时Controller Manager通过API Server的监听资源变化的接口监听到此RC事件
3. 分析之后，发现当前集群中还没有它所对应的Pod实例
4. 于是根据RC里的Pod模板定义一个生成Pod对象，通过APIServer写入etcd
5. 此事件被Scheduler发现，它立即执行执行一个复杂的调度流程，为这个新的Pod选定一个落户的Node，然后通过API Server讲这一结果写入etcd中
6. 目标Node上运行的Kubelet进程通过APiserver监测到这个"新生的Pod.并按照它的定义，启动该Pod并任劳任怨地负责它的下半生，直到Pod的生命结束
7. 随后，我们通过Kubectl提交一个新的映射到该Pod的Service的创建请求
8. ControllerManager通过Label标签查询到关联的Pod实例，然后生成Service的Endpoints信息，并通过APIServer写入到etod中，
9. 接下来，所有Node上运行的Proxy进程通过APIServer查询并监听Service对象与其对应的Endponts信息，建立一个软件方式的负载均衡器来实现Service访问到后端Pod的流量转发功能

 

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