Kubernetes基础概念及架构和组件-CSDN博客

K8S由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GO语言延用Borg的思路重写并捐献给CNCF基金会开源。
云原生基金会CNCF于2015年12月成立隶属于Linux基金会。CNCF孵化的第一个项目就是Kubernetes随着容器的广泛使用Kubernetes已经成为容器编排工具的事实标准。

含义
词根源于希腊语的舵手、飞行员

官网
https://kubernetes.io

GitHub
https://github.com/kubernetes/kubernetes

4.为什么要用 Kubernetes

试想下传统的后端部署办法把程序包包括可执行二进制文件、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。

设想一下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。

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。

二、Kubernetes主要功能

跨主机编排容器。
更充分地利用硬件资源来最大化地满足企业应用的需求。
控制与自动化应用的部署与升级。
为有状态的应用程序挂载和添加存储器。
线上扩展或缩减容器化应用程序与它们的资源。
声明式的容器管理保证所部署的应用按照我们部署的方式运作。
通过自动布局、自动重启、自动复制、自动伸缩实现应用的状态检查与自我修复。
为多个容器提供服务发现和负载均衡使得用户无需考虑容器IP问题。

三、Kubernetes 集群架构与组件

K8S 是属于主从设备模型M/S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。

1.master核心组件:

1.1 Kube-apiserver:

是所有服务请求的统一访问入口

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。

1.2 Kube-controller-manager:

控制器管理器负责管理K8S各种资源对象的控制器通过apiserver监控整个K8S集群资源的状态并确保资源始终处于预期的工作状态

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Controller Manager 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。

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。
ResourceQuota 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。

1.3 Kube-scheduler:

资源调度器负责Pod资源的调度通过调度算法预选策略、优选策略为要部署的Pod选择最适合的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 Node 节点来部署 Pod。

预选策略predicate
优选策略priorities

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 PodController-manager 会通过 API Server 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 2C4G 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选策略为通过预选的 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 可能具有越高的排名。

1.5 etcd

K8S集群的数据库是一种键值对存储结构的分布式数据库负责存储K8S集群所有的重要信息只有apiserver有访问和读写权限

2. node组件

2.1 Kubelet

接收apiserver发来的请求创建和管理Pod和容器跟容器引擎交互实现对容器的生命周期的管理收集node节点的资源信息和Pod的运行状态发送给apiserver

Node 节点的监视器以及与 Master 节点的通讯器。Kubelet 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则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。

2.2 Kube-Proxy

作为service资源的载体实现对Pod的网络代理负责维护Pod集群网络规则和四层负载均衡工作

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载均衡工作。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。

2.3 容器引擎

容器引擎运行容器负责本机的容器创建和管理工作。

当 kubernetes 把 pod 调度到节点上节点上的 kubelet会指示 docker 启动特定的容器。接着kubelet 会通过 docker 持续地收集容器的信息然后提交到主节点上。docker 会如往常一样拉取容器镜像、启动或停止容器。不同点仅仅在于这是由自动化系统控制而非管理员在每个节点上手动操作的。

3. 架构总结

K8S有 master 和 worker node 两类节点
master节点负责K8S集群的调度和管理等运维工作有 apiserver、controller-manager、scheduler、etcd

apiserver是所有服务请求的统一访问入口

controller-manager控制器管理器负责管理K8S各种资源对象的控制器通过apiserver监控整个K8S集群资源的状态并确保资源始终处于预期的工作状态

scheduler资源调度器负责Pod资源的调度通过调度算法预选策略、优选策略为要部署的Pod选择最适合的node节点

etcdK8S集群的数据库是一种键值对存储结构的分布式数据库负责存储K8S集群所有的重要信息只有apiserver有访问和读写权限

worker node节点负责运行工作负载即容器应用有 kubelet、kuber-proxy、容器引擎/容器运行时(docker、containerd等)

kubelet接收apiserver发来的请求创建和管理Pod和容器跟容器引擎交互实现对容器的生命周期的管理收集node节点的资源信息和Pod的运行状态发送给apiserver

kuber-proxy作为service资源的载体实现对Pod的网络代理负责维护Pod集群网络规则和四层负载均衡工作

容器引擎/容器运行时运行容器

4. K8S创建Pod资源的工作流程

1用户通过客户端发送创建Pod的请求给apiserver
2apiserver接收到请求后会先把请求信息写入到etcd中保存再找controller-manager根据请求信息中的资源预设模板创建Pod资源
3controller-manager会通过apiserver找到scheduler来调度新创建的Pod资源
4scheduler通过调度算法的预选策略和优选策略筛选出最适合的node节点进行调度
5再通过apiserver找到对应的node节点上的kubelet去创建和管理Pod
6kubelet会跟容器引擎交互来管理Pod及容器的生命周期
7用户还可以通过apiserver在kube-proxy上写入iptables/ipvs网络规则创建service资源实现对Pod集群的网络代理

四、Kubernetes 核心概念

Kubernetes 包含多种类型的资源对象Pod、Label、Service、Replication Controller 等。

所有的资源对象都可以通过 Kubernetes 提供的 kubectl 工具进行增、删、改、查等操作并将其保存在 etcd 中持久化存储。
Kubernets其实是一个高度自动化的资源控制系统通过跟踪对比etcd存储里保存的资源期望状态与当前环境中的实际资源状态的差异来实现自动控制和自动纠错等高级功能。

1. Pod

Pod是 Kubernetes 创建或部署的最小/最简单的基本单位一个 Pod 代表集群上正在运行的一个进程。
可以把 Pod 理解成豌豆荚而同一 Pod 内的每个容器是一颗颗豌豆。

一个 Pod 由一个或多个容器组成Pod 中容器共享网络、存储和计算资源在同一台 Docker 主机上运行。
一个 Pod 里可以运行多个容器又叫边车模式SideCar。而在生产环境中一般都是单个容器或者具有强关联互补的多个容器组成一个 Pod。

同一个 Pod 之间的容器可以通过 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 之间的容器不能用 localhost 访问也不能挂载其他 Pod 的数据卷。

1.1 Pod控制器

Pod 控制器是 Pod 启动的一种模版用来保证在K8S里启动的 Pod 应始终按照用户的预期运行副本数、生命周期、健康状态检查等。

deployment部署无状态应用没有实时的数据需要存储同时也负责管理replicaset维持Pod副本数量符合预期数量和Pod容器化的应用进程
statefulset部署有状态应用有实时的数据需要存储
daemonset在所有的node节点上部署同一类型的Pod
job一次性的部署短期任务的Pod执行完任务后会自动退出的Pod
cronjob周期性的部署短期任务的Pod执行完任务后会自动退出的Pod

2. Label

标签是 K8S 特色的管理方式便于分类管理资源对象。
Label 可以附加到各种资源对象上例如 Node、Pod、Service、RC 等用于关联对象、查询和筛选。
一个 Label 是一个 key-value 的键值对其中 key 与 value 由用户自己指定。
一个资源对象可以定义任意数量的Label同一个Label 也可以被添加到任意数量的资源对象中也可以在对象创建后动态添加或者删除。
可以通过给指定的资源对象捆绑一个或多个不同的 Label来实现多维度的资源分组管理功能。

与 Label 类似的还有 Annotation注释。

区别在于有效的标签值必须为63个字符或更少并且必须为空或以字母数字字符[a-z0-9A-Z]开头和结尾中间可以包含横杠-、下划线_、点.和字母或数字。注释值则没有字符长度限制。

3. Label 选择器Label selector

给某个资源对象定义一个 Label就相当于给它打了一个标签随后可以通过标签选择器Label selector查询和筛选拥有某些 Label 的资源对象。
标签选择器目前有两种基于等值关系等于、不等于和基于集合关系属于、不属于、存在。

4.Service

在K8S集群内部为通过标签选择器相关联的一组Pod提供一个统一的访问入口clusterIP只支持四层代理转发

在K8S的集群里虽然每个Pod会被分配一个单独的IP地址但由于Pod是有生命周期的它们可以被创建而且销毁之后不会再启动随时可能会因为业务的变更导致这个 IP 地址也会随着 Pod 的销毁而消失。Service 就是用来解决这个问题的核心概念。
K8S 中的 Service 并不是我们常说的“服务”的含义而更像是网关层可以看作一组提供相同服务的Pod的对外访问接口、流量均衡器。
Service 作用于哪些 Pod 是通过标签选择器来定义的。
在 K8S 集群中Service 可以看作一组提供相同服务的 Pod 的对外访问接口。客户端需要访问的服务就是 Service 对象。每个 Service 都有一个固定的虚拟 ip这个 ip 也被称为 Cluster IP自动并且动态地绑定后端的 Pod所有的网络请求直接访问 Service 的虚拟 ipService 会自动向后端做转发。
Service 除了提供稳定的对外访问方式之外还能起到负载均衡Load Balance的功能自动把请求流量分布到后端所有的服务上Service 可以做到对客户透明地进行水平扩展scale。
而实现 service 这一功能的关键就是 kube-proxy。kube-proxy 运行在每个节点上监听 API Server 中服务对象的变化可通过以下三种流量调度模式 userspace废弃、iptables濒临废弃、ipvs推荐性能最好来实现网络的转发。
Service 是 K8S 服务的核心屏蔽了服务细节统一对外暴露服务接口真正做到了“微服务”。比如我们的一个服务 A部署了 3 个副本也就是 3 个 Pod 对于用户来说只需要关注一个 Service 的入口就可以而不需要操心究竟应该请求哪一个 Pod。
优势非常明显一方面外部用户不需要感知因为 Pod 上服务的意外崩溃、K8S 重新拉起 Pod 而造成的 IP 变更外部用户也不需要感知因升级、变更服务带来的 Pod 替换而造成的 IP 变化。

5. Ingress

作为K8S集群外部接入层可自定义ingress规则根据用户请求的域名或URL请求路径转发给指定的service支持七层代理转发

Service 主要负责 K8S 集群内部的网络拓扑那么集群外部怎么访问集群内部呢这个时候就需要 Ingress 了。Ingress 是整个 K8S 集群的接入层负责集群内外通讯。
Ingress 是 K8S 集群里工作在 OSI 网络参考模型下第7层的应用对外暴露的接囗典型的访问方式是 http/https。
Service 只能进行第四层的流量调度表现形式是 ip+port。Ingress 则可以调度不同业务域、不同URL访问路径的业务流量。
比如客户端请求 http://www.kgc.com:port ---> Ingress ---> Service ---> Pod

6. Name:

资源名称

由于 K8S 内部使用 “资源” 来定义每一种逻辑概念功能所以每种 “资源”都应该有自己的 “名称”。
“资源” 有 api 版本apiversion、类别kind、元数据metadata、定义清单spec、状态status等配置信息。
“名称” 通常定义在 “资源” 的 “元数据” 信息里。在同一个 namespace 空间中必须是唯一的。

7. Namespace:

命名空间在同一个命名空间中同类型的资源对象的名称是唯一的

随着项目增多、人员增加、集群规模的扩大需要一种能够逻辑上隔离 K8S 内各种 “资源” 的方法这就是 Namespace。
Namespace 是为了把一个 K8S 集群划分为若干个资源不可共享的虚拟集群组而诞生的。
不同 Namespace 内的 “资源” 名称可以相同相同 Namespace 内的同种 “资源”“名称” 不能相同。
合理的使用 K8S 的 Namespace可以使得集群管理员能够更好的对交付到 K8S 里的服务进行分类管理和浏览。
K8S 里默认存在的 Namespace 有default、kube-system、kube-public 等。
查询 K8S 里特定 “资源” 要带上相应的 Namespace。

五、常见的K8S安装部署方式

1. Minikube

Minikube是一个工具可以在本地快速运行一个单节点微型K8S仅用于学习、预览K8S的一些特性使用。
部署地址https://kubernetes.io/docs/setup/minikube

2. Kubeadm

Kubeadm也是一个工具提供kubeadm init和kubeadm join用于快速部署K8S集群相对简单。
https://kubernetes.io/docs/reference/setup-tools/kubeadm/kubeadm/

3. 二进制安装部署

生产首选从官方下载发行版的二进制包手动部署每个组件和自签TLS证书组成K8S集群新手推荐。
https://github.com/kubernetes/kubernetes/releases

4. k8s部署二进制与kubeadm的区别

4.1 二进制部署

部署难管理方便集群伸展性能好
更稳定集群规模到达一定的规模(几百个节点、上万个Pod)二进制稳定性是要高于kubeadm部署
遇到故障宿主机起来了进程也会起来

4.2 kubeadm部署

部署简单管理难
是以一种容器管理容器的方式允许的组件及服务故障恢复时间比二进制慢
遇到故障启动宿主机再启动进程最后去启动容器集群才能恢复速度比二进制慢

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