KUBERNETES 基础（1）

KUBERNETES 基础（1）

1. Kubernetes 初体验

1.1 简介

Kubernetes 是 Google 团队发起的⼀个开源项⽬，它的⽬标是管理跨多个主机的容器，⽤于⾃动部
署、扩展和管理容器化的应⽤程序，主要实现语⾔为 Go 语⾔。Kubernetes 的组件和架构还是相对较复杂的，如果我们⼀上来就给⼤家讲解这些概念，可能很多同学都消化不了，所以我们先让我们的同学来使⽤我们的Kubernetes，去感受下，去体验下⾥⾯的⼀些概念和⽤法，等你对这些基本概念熟悉

以后，再来给⼤家讲解Kubernetes的组件和架构应该就更加容易了。

怎样体验呢？当然最好的办法就是我们⾃⼰搭建⼀套集群了，但是如果完完全全都我们⼿动去搭建的话，第⼀是太耗时，第⼆是太复杂，可能我们现在还没有这个实⼒，没关系，我们可以使⽤⼀些⼯具来辅助我们。

1.katacoda 的课程：katacoda，可以在⽹站上帮我们启动⼀个minikube的环境（学习）

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2.需要我们自己来搭建的 - Rancher，我们之前给大家介绍过，如果你网速不好的话安装 Rancher 可能需要花费一点时间，不过这是值得的。（测试）

[root@docker ~]# docker run -d --restart=unless-stopped --name=rancher -p 80:80 -p 443:443 rancher/rancher:v2.0.0

# 查看日志
[root@docker ~]# docker logs -f rancher

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3.Docker for MAC/Windows（推荐）/minikube/（本地）

Docker for MAC/Windows 和 minikube 安装之前需要安装kubectl工具

4.kubeadm（测试）

5.二进制纯手动搭建（生产）

1.2 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，在他上面安装了Kubernetes环境。

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Master 负责管理集群, master 协调集群中的所有活动，例如调度应用程序、维护应用程序的所需状态、扩展应用程序和滚动更新。 节点是 Kubernetes 集群中的工作机器，可以是物理机或虚拟机。每个工作节点都有一个 kubelet，它是管理节点并与 Kubernetes Master 节点进行通信的代理。节点上还应具有处理容器操作的容器运行时，例如 Docker 或 rkt。一个 Kubernetes 工作集群至少有三个节点。 Master 管理集群，而节点 用于托管正在运行的应用程序。

当您在 Kubernetes 上部署应用程序时，您可以告诉 master 启动应用程序容器。Master 调度容器在集群的节点上运行。 节点使用 Master 公开的 Kubernetes API 与 Master 通信。用户也可以直接使用 Kubernetes 的 API 与集群交互。

1.3 Pod

Pod 是一组紧密关联的容器集合，它们共享 PID、IPC、Network 和 UTS namespace，是Kubernetes 调度的基本单位。Pod 的设计理念是支持多个容器在一个 Pod 中共享网络和文件系统，可以通过进程间通信和文件共享这种简单高效的方式组合完成服务。

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在 Kubernetes 中，所有对象都使用 manifest（yaml或json）来定义，比如一个简单的 nginx 服务可以定义为 nginx.yaml，它包含一个镜像为 nginx 的容器：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:  
  name: nginx  
  labels:    
    app: nginx
spec:  
  containers:  
  - name: nginx    
    image: nginx    
    ports:    
    - containerPort: 80

1.4 Label

Label 是识别 Kubernetes 对象的标签，以 key/value 的方式附加到对象上（key最长不能超过63字节，value 可以为空，也可以是不超过253字节的字符串）。 Label 不提供唯一性，并且实际上经常是很多对象（如Pods）都使用相同的 label 来标志具体的应用。 Label 定义好后其他对象可以使用 Label Selector 来选择一组相同 label 的对象（比如Service 用 label 来选择一组 Pod）。Label Selector支持以下几种方式：

  • 等式，如app=nginx和env!=production
  • 集合，如env in (production, qa)
  • 多个label（它们之间是AND关系），如app=nginx,env=test

1.5 Namespace

Namespace 是对一组资源和对象的抽象集合，比如可以用来将系统内部的对象划分为不同的项目组或用户组。常见的 pods, services,deployments 等都是属于某一个 namespace 的（默认是default），而 Node, PersistentVolumes 等则不属于任何 namespace。

1.6 Deployment

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？

Deployment 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Deployment 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 Deployment 会替换它，保持总数为3.

如果之前不响应的 Pod 恢复了，现在就有4个 Pod 了，那么 Deployment 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，Deployment 会立刻启动2个新 Pod，保证总数为5。Deployment 还支持回滚和滚动升级。

当创建 Deployment 时，需要指定两个东西：

  • Pod模板：用来创建 Pod 副本的模板
  • Label标签：Deployment 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。

1.7 Service

Service 是应用服务的抽象，通过 labels 为应用提供负载均衡和服务发现。匹配 labels 的Pod IP 和端口列表组成 endpoints，由 kube-proxy 负责将服务 IP 负载均衡到这些endpoints 上。

每个 Service 都会自动分配一个 cluster IP（仅在集群内部可访问的虚拟地址）和 DNS 名，其他容器可以通过该地址或 DNS 来访问服务，而不需要了解后端容器的运行。

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2. 基本概念与组件

2.1 基本概念

Kubernetes 中的绝大部分概念都抽象成 Kubernetes 管理的一种资源对象，下面我们一起复习一下我们上节课遇到的一些资源对象：

Master：Master 节点是 Kubernetes 集群的控制节点，负责整个集群的管理和控制。Master 节点上包含以下组件：

  • kube-apiserver：集群控制的入口，提供 HTTP REST 服务
  • kube-controller-manager：Kubernetes 集群中所有资源对象的自动化控制中心
  • kube-scheduler：负责 Pod 的调度

Node：Node 节点是 Kubernetes 集群中的工作节点，Node 上的工作负载由 Master 节点分配，工作负载主要是运行容器应用。Node 节点上包含以下组件：

  • kubelet：负责 Pod 的创建、启动、监控、重启、销毁等工作，同时与 Master 节点协作，实现集群管理的基本功能。
  • kube-proxy：实现 Kubernetes Service 的通信和负载均衡
  • 运行容器化(Pod)应用
  • Pod: Pod 是 Kubernetes 最基本的部署调度单元。每个 Pod 可以由一个或多个业务容器和一个根容器(Pause 容器)组成。一个 Pod 表示某个应用的一个实例
  • ReplicaSet：是 Pod 副本的抽象，用于解决 Pod 的扩容和伸缩
  • Deployment：Deployment 表示部署，在内部使用ReplicaSet 来实现。可以通过 Deployment 来生成相应的 ReplicaSet 完成 Pod 副本的创建
  • Service：Service 是 Kubernetes 最重要的资源对象。Kubernetes 中的 Service 对象可以对应微服务架构中的微服务。Service 定义了服务的访问入口，服务的调用者通过这个地址访问 Service 后端的 Pod 副本实例。Service 通过 Label Selector 同后端的 Pod 副本建立关系，Deployment 保证后端Pod 副本的数量，也就是保证服务的伸缩性。

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Kubernetes 主要由以下几个核心组件组成:

  • etcd 保存了整个集群的状态，就是一个数据库；
  • apiserver 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，比如故障检测、自动扩展、滚动更新等；
  • 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 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；
  • Container runtime 负责镜像管理以及 Pod 和容器的真正运行（CRI）；
  • kube-proxy 负责为 Service 提供 cluster 内部的服务发现和负载均衡；

当然了除了上面的这些核心组件，还有一些推荐的插件：

  • kube-dns 负责为整个集群提供 DNS 服务
  • Ingress Controller 为服务提供外网入口
  • Heapster 提供资源监控
  • Dashboard 提供 GUI

2.2 组件通信

Kubernetes 多组件之间的通信原理：

apiserver 负责 etcd 存储的所有操作，且只有 apiserver 才直接操作 etcd 集群
apiserver 对内（集群中的其他组件）和对外（用户）提供统一的 REST API，其他组件均通过 apiserver 进行通信

  • controller manager、scheduler、kube-proxy 和 kubelet 等均通过 apiserver watch API 监测资源变化情况，并对资源作相应的操作
  • 所有需要更新资源状态的操作均通过 apiserver 的 REST API 进行
    apiserver 也会直接调用 kubelet API（如 logs, exec, attach 等），默认不校验 kubelet 证书，但可以通过 --kubelet-certificate-authority 开启（而 GKE 通过 SSH 隧道保护它们之间的通信）

比如最典型的创建 Pod 的流程：

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  • 用户通过 REST API 创建一个 Pod
  • apiserver 将其写入 etcd
  • scheduluer 检测到未绑定 Node 的 Pod，开始调度并更新 Pod 的 Node 绑定
  • kubelet 检测到有新的 Pod 调度过来，通过 container runtime 运行该 Pod
  • kubelet 通过 container runtime 取到 Pod 状态，并更新到 apiserver 中