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一、Kubernetes概述

1、什么是Kubernetes

kubernetes，词根源于希腊语的舵手、飞行员。简称“k8s”，至于为什么这样叫，是因为这个单词比较长，写起来太累了，而“k”和“s”之间是8个字母，所以叫k8s。
kubernetes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，它的目标是让部署容器化的应用简单并且高效。

2、作用

k8s用于自动部署、扩展和管理“容器化(containerized)应用程序”的开源系统。
是不是有些难理解，简单来说就是k8s是负责自动化运维管理多个容器化程序（比如docker）的集群，它是一个生态及其丰富的容器编排框架。

3、由来

k8s是有Google的borg系统（博格系统，Google内部使用的大规模容器编排工具）作为原型，后经过go语言延用borg的思路重写并捐献给CNCF基金会开源。
k8s官网https://kubernetes.io
GitHub: https://github.com/kubernetes/kubernetes

二、为什么要用k8s

试想下传统的后端部署方法：把程序包（包括可执行的二进制文件、配置文件等）放到服务器上，接着运行启动脚本把程序跑起来，同时启动守护脚本定期检查程序运行状态、必要的话重新拉起程序。
如果服务的请求量上来，已部署的服务响应不过来怎么办？传统的做法往往是，如果请求量、内存、CPU超过阈值做了告警，运维人员马上再加几台服务器，部署好服务之后，接入负载均衡来分担已有服务的压力。
这样问题就出现了：从监控告警到部署服务，中间需要人力介入。那么，有没有办法自动完成服务的部署、更新、卸载和扩容、缩容呢？而这就是K8S要做的事情：自动化运维管理容器化（Docker）程序。

k8s是Google开源的容器集群管理系统，在Docker等容器技术的基础上，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。其主要功能如下:

• 使用Docker等容器技术对应用程序包装(package)、实例化 (instantiate)、运行(run)。
• 以集群的方式运行、管理跨机器的容器
• 解决 Docker跨机器容器之间的通讯问题。
• k8s的自我修复机制使得容器集群总是运行在用户期望的状态。

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三、k8s的特性

• 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。
• 自我修复
  在节点故障时重新启动失败的容器，替换和重新部署，保证预期的副本数量；杀死健康检查失败的容器，并且在未准备好之前不会处理客户端请求，确保线上服务不中断。
• 服务发现和负教均衡
  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。
• 自动发布（默认滚动发布模式)和回滚
  K8s采用滚动更新策略更新应用，一次更新一个或者部分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，确保升级不影响业务。
• 集中化配置管理和密钥管理
  管理机密数据和应用程序配置，而不需要把敏感数据暴露在镜像里，提高敏感数据安全性。并可以将一些常用的配置存储在k8s中，方便应用程序使用。
• 存储编排，支持外挂存储并对外挂存储资源进行编排
  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。
• 任务批处理运行
  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。

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四、Kubernetes集群架构与组件

1、集群架构

k8s是属于主从设备模型(Master-Slave 架构)，即有Master节点负责集群的调度、管理和运维，slave 节点是集群中的运算工作负载节点。在k8s中，主节点一般被称为 Master节点，而从节点则被称为Worker Node 节点，每个Node 都会被Master分配一些工作负载。

Master组件可以在群集中的任何计算机上运行，但建议Master 节点占据一个独立的服务器。因为 Master 是整个集群的大脑，如果 Master所在节点宕机或不可用，那么所有的控制命令都将失效。除了Master，在 K8S集群中的其他机器被称为Worker Node节点，当某个Node宕机时，其上的工作负载会被 Master自动转移到其他节点上去。

2、核心组件

master组件：

• Kube-apiserver

用于暴露Kubernetes API，任何资源请求或调用操作都是通过kube-apiserver 提供的接口进行。以HTTP 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 API Server 处理后再提交给Etcd存储。

可以理解成API Server是K8S的请求入口服务。API Server负责接收K8S所有请求（来自UI界面或者CLI命令行工具)，然后根据用户的具体请求，去通知其他组件干活。可以说 API Server是 K8S 集群架构的大脑。

• Kube-controller-manager

运行管理控制器，是 K8S 集群中处理常规任务的后台线程，是 K8S集群里所有资源对象的自动化控制中心。在K8S集群中，一个资源对应一个控制器，而Controller manager就是负责管理这些控制器的。
由一系列控制器组成，通过API Server监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，比如当某个Node 意外宕机时，Caontroller Manaer会及时发现并执行自动化修复流程，确保集群始终处于预期的工作状态。

• 这些控制器主要包括：

  • Node Controller（节点控制器）：负责在节点出现故障时发现和响应。

  • Replication Controller(副本控制器)︰负责保证集群中一个RC(资源对象Replication Controller)所关联的 Pod副本数始终保持预设值。可以理解成确保集群中有且仅有N个 Pod 实例，N是RC中定义的 Pod副本数量。

  • Endpoints Controller(端点控制器)：填充端点对象（即连接Services和Pods)，负责监听Service和对应的Pod副本的变化。可以理解端点是一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务，则必须知道它的endpoint。

  • Service Account & Token Controllers(服务帐户和令牌控制器）：为新的命名空间创建默认帐户和API访问令牌。Resourceluota Controller (资源配额控制器)：确保指定的资源对象在任何时候都不会超量占用系统物理资源。

  • Namespace Controller(命名空间控制器）：管理namespace 的生命周期。

  • Service Controller（服务控制器）：属于K8s集群与外部的云平台之间的一个接口控制器。

• Kube-scheduler
  是负责资源调度的进程，根据调度算法为新创建的 Pod选择一个合适的 Node节点。

可以理解成k8s所有Node 节点的调度器。当用户要部署服务时，Scheduler 会根据调度算法选择最合适的Mode 节点来部署Pod。

• 预选策略(predicate)
• 优选策略(priorities)

配置存储中心

• etcd
  k8s的存储服务。etcd是分布式键值存储系统，存储了k8s的关键配置和用户配置，k8s中仅API server才具备读写权限，其他组件必须通过API server的接口才能读写数据。

Node组件

• Kubelet
  Node节点的监视器，以及与Master节点的通讯器。Kaubelet 是Master节点安插在 Node节点上的"眼线"，它会定时向API Server。汇报自己 Node节点上运行的服务的状态，并接受来自 Master节点的指示采取调整措施。
         从Master节点获取自己节点上 Pod 的期望状态（比如运行什么容器、运行的副本数量、网络或者存储如何配置等），
         直接跟容器引擎交互实现容器的生命周期管理，如果自己节点上Pod的状态与期望状态不一致，如调用对应的容器平台接口（即 docker的接口)达到这个状态。
          管理镜像和容器的清理工作，保证节点上镜像不会占满磁盘空间，退出的容器不会占用太多资源。

• Kube-Proxy
  在每个 Node 节点上实现 Pod网络代理，是Kubernetes Service资源的载体，负责维护网络规则和四层负裁均衡工作。负责写入规则至iptables、ipvs实现服务映射访问的。

Kube-Proxy本身不是直接给 Pod提供网络，Pod的网络是由 Kubelet提供的，Kube-Proxy实际上维护的是虚拟的 Pod 集群网络。Kube-apiserver通过监控Kube-Proxy进行对 Kubernetes Service 的更新和端点的维护。

在K8S集群中微服务的负载均衡是由 Kube-proxy 实现的。Kube-proxy 是K8S集群内部的负载均衡器。它是一个分布式代理服务器，在K8S的每个节点上都会运行一个Kube-proxy组件。

3、k8s工作流程

       API Server接收到请求创建一批Pod ，API Server 会让Controller-manager 按照所预设的模板去创建Pod，Controller-manager 会通过apiserver 去找scheduler 为新创建的 pod选择最适合的Node 节点。比如运行这个Pod需要24G的资源。
       Scheduler会通过预选策略过滤掉不满足策略的 node节点。Node节点中还剩多少资源是通过汇报给API Server存储在etcd里，API Server会调用一个方法找到 etcd里所有Node节点的剩余资源，再对比Pod 所需要的资源，如果某个Node节点的资源不足或者不满足预选策略的条件则无法通过预选。
        预选阶段筛选出的节点，在优选阶段会根据优先策略为通过预选的 Node节点进行打分排名，选择得分最高的Node。例如，资源越富裕、负载越小的Node能具有越高的排名。

五、总结

k8s几个组件及其作用

• master节点
  • apiserver：所有服务访问的统一入口
  • controller-manager：负责根据预设模块创建pod，维持pod等资源的副本期望数目
  • scheduler：负责调度pod，通过预选策略、优选策略选择最合适的node节点分配pod
  • etcd：分布式键值对数据库，负责存储k8s集群的重要信息（持久化）
• work node节点
  • kublet：跟apiserver通信汇报当前node节点上的资源使用情况和状态，接受apiserver的指令跟容器引擎交互实现容器的生命周期管理
  • kube-proxy： 在node节点上实现pod的网络代理，维护网络规则和四层负载均衡工作，负责写入规则到iptables或ipvs实现服务的映射访问