Kubernetes学习与应用（02）——Kubernetes架构与核心概念

Kubernetes架构

Kubernetes主要核心构件：

• etcd：协同存储，负责保存整个集群的状态，通常会部署奇数个节点以保证高可用性。
• API：提供了资源操作的唯一入口，并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制。
• controller manager：负责维护集群的状态，执行故障检测、自动扩展、滚动更新等操作。
• Scheduler：负责资源的调度，按照预定的调度策略将Pod调度到相应的机器上。
• Kubelet：作为工作节点负责维护容器的生命周期，同时也负责对容器存储接口（CSI）和容器网络接口（CNI）进行管理。
• 容器运行时（对应图1中的Docker）：负责镜像管理，实现Pod和容器的真正运行。
• Proxy：负责提供集群内部的服务发现和负载均衡。

Kubernetes推荐插件：

• CoreDNS：负责为整个集群提供DNS服务。
• Ingress Controller：负责为服务提供外网入口。
• Prometheus：负责资源监控。
• Dashboard：负责提供GUI。
• Federation：负责提供跨可用区的集群。

分层设计理念及架构模型

Kubernetes的架构设计理念与Linux的分层架构设计理念类似，下图展示了Kubernetes分层架构模型。

 

Kubernetes分层架构中包含以下几部分。

• 核心层：Kubernetes的核心，负责对外提供API构建高层应用，对内提供插件式应用执行环境。
• 应用层：负责部署和路由，可部署的应用包括无状态应用、有状态应用、批处理任务、集群应用等，路由的类型主要有服务发现、DNS解析等。
• 管理层：负责自动化（如自动扩展、动态部署等），以及策略（RBAC、ResourceQuota、NetworkPolicy等）管理。
• 接口层：主要包括kubectl命令行工具、客户端SDK等用于客户端操作的库，以及集群联邦等实用工具。
• 云原生生态系统：接口层之上的负责容器集群管理调度的生态系统，该系统可以划分为两个范畴。
• Kubernetes内部：包括CRI（容器运行时接口）、CNI（容器网络接口）、CSI（容器存储接口）、镜像仓库、云供应商、身份供应商等。

集群

集群是一组节点，这些节点可以是物理服务器或者虚拟机，之上安装了Kubernetes平台。 

上图可以看到如下组件，使用特别的图标表示Service和Label：

• Pod
• Container（容器）
• Label（标签）
• Replication Controller（复制控制器）
• Service（服务）
• Node（节点）
• Kubernetes Master（Kubernetes主节点）

Pod

Pod（上图绿色方框）安排在节点上，包含一组容器和卷。同一个Pod里的容器共享同一个网络命名空间，可以使用localhost互相通信。Pod是短暂的，不是持续性实体。你可能会有这些问题：

如果Pod是短暂的，那么我怎么才能持久化容器数据使其能够跨重启而存在呢？ 是的，Kubernetes支持卷的概念，因此可以使用持久化的卷类型。 是否手动创建Pod，如果想要创建同一个容器的多份拷贝，需要一个个分别创建出来么？可以手动创建单个Pod，但是也可以使用Replication Controller使用Pod模板创建出多份拷贝，下文会详细介绍。

如果Pod是短暂的，那么重启时IP地址可能会改变，那么怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢？这时可以使用Service，下文会详细介绍。

Lable

正如图所示，一些Pod有Label。一个Label是attach到Pod的一对键/值对，用来传递用户定义的属性。比如，你可能创建了一个"tier"和“app”标签，通过Label（tier=frontend, app=myapp）来标记前端Pod容器，使用Label（tier=backend, app=myapp）标记后台Pod。然后可以使用Selectors选择带有特定Label的Pod，并且将Service或者Replication Controller应用到上面。

Replication Controller

是否手动创建Pod，如果想要创建同一个容器的多份拷贝，需要一个个分别创建出来么，能否将Pods划到逻辑组里？

Replication Controller确保任意时间都有指定数量的Pod“副本”在运行。如果为某个Pod创建了Replication Controller并且指定3个副本，它会创建3个Pod，并且持续监控它们。如果某个Pod不响应，那么Replication Controller会替换它，保持总数为3.如下面的动画所示：

如果之前不响应的Pod恢复了，现在就有4个Pod了，那么Replication Controller会将其中一个终止保持总数为3。如果在运行中将副本总数改为5，Replication Controller会立刻启动2个新Pod，保证总数为5。还可以按照这样的方式缩小Pod，这个特性在执行滚动升级时很有用。

当创建Replication Controller时，需要指定两个东西：

• Pod模板：用来创建Pod副本的模板
• Label：Replication Controller需要监控的Pod的标签。

现在已经创建了Pod的一些副本，那么在这些副本上如何均衡负载呢？我们需要的是Service。

Service

如果Pods是短暂的，那么重启时IP地址可能会改变，怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢？

Service是定义一系列Pod以及访问这些Pod的策略的一层抽象。Service通过Label找到Pod组。因为Service是抽象的，所以在图表里通常看不到它们的存在，这也就让这一概念更难以理解。

现在，假定有2个后台Pod，并且定义后台Service的名称为‘backend-service’，lable选择器为（tier=backend, app=myapp）。backend-service 的Service会完成如下两件重要的事情：

会为Service创建一个本地集群的DNS入口，因此前端Pod只需要DNS查找主机名为 ‘backend-service’，就能够解析出前端应用程序可用的IP地址。

现在前端已经得到了后台服务的IP地址，但是它应该访问2个后台Pod的哪一个呢？Service在这2个后台Pod之间提供透明的负载均衡，会将请求分发给其中的任意一个（如下面的动画所示）。通过每个Node上运行的代理（kube-proxy）完成。这里有更多技术细节。

下述动画展示了Service的功能。注意该图作了很多简化。如果你不了解网络配置，那么实现这种透明负载平衡所涉及的底层网络和路由是相对高级的。

有一个特别类型的Kubernetes Service，称为'LoadBalancer'，作为外部负载均衡器使用，在一定数量的Pod之间均衡流量。比如，对于负载均衡Web流量很有用。

Node

节点（上图橘色方框）是物理或者虚拟机器，作为Kubernetes worker，通常称为Minion。每个节点都运行如下Kubernetes关键组件：

• Kubelet：是主节点代理。
• Kube-proxy：Service使用其将链接路由到Pod，如上文所述。
• Docker或Rocket：Kubernetes使用的容器技术来创建容器。

Kubernetes Master

集群拥有一个Kubernetes Master（紫色方框）。Kubernetes Master提供集群的独特视角，并且拥有一系列组件，比如Kubernetes API Server。API Server提供可以用来和集群交互的REST端点。master节点包括用来创建和复制Pod的Replication Controller。