【k8s】1、基础概念和架构及组件-CSDN博客

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一、kubernetes概述

K8S是一种开源的容器编排平台用于自动化部署、扩展和管理容器化的应用程序它提供了一种容器编排和管理的方式可以帮助开发人员更轻松的管理容器化的应用程序并且提供了一种跨多个主机的自动化部署和管理机制。

1、kubernetes是什么

K8S 的全称为 Kubernetes (K12345678S)因为K和S之间有8个字母所以简称为K8S

kubernetes是一个可移植的、可扩展的开源平台用于管理容器化的工作负载和服务可促进声明式配置和自动化kubernetes用有一个庞大且快速增长的生态系统。

docker的翻译为码头工人logo为轮船。

kubernetes的翻译为舵手、飞行员。

可以理解为kubernetes用来管理docker的。

k8s由google的brog系统博格系统作为原型后用go语言进行重新编写捐赠到CNCF基金会开源。

k8s是资源管理器管理的全部称作为资源不管是pod还是什么。

目前最新版本为1.25版本

官网https://kubernetes.io

中文社区版http://docs.kubernetes.org.cn/92.html

2、为什么要用 K8S?

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。

K8S的网络模式使用的是bridge模式(桥接模式)

K8S 的目标是让部署容器化应用简单高效。

K8S 解决了裸跑Docker 的若干痛点:
●单机使用无法有效集群
●随着容器数量的上升管理成本攀升
●没有有效的容灾、自愈机制
●没有预设编排模板无法实现快速、大规模容器调度
●没有统一的配置管理中心工具
●没有容器生命周期的管理工具
●没有图形化运维管理工具

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。

二、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査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。

●服务发现和负载均衡
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。

三、K8S集群架构与组件 * * * * *

1、K8S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。

#总的流向(k8s创建Pod流程)

kubectl提交一条命令。
1、首先经过AUTH认证然后将请求递交给API server进行处理(创建一个包含pod信息的yaml文件)然后将文件信息存储在etcd中。

2、controller-manager控制器会监听到API server发现了创建Pod的请求后会根据预设模板进行创建pod。(但是controller-manager无法完成调度所以它会通过API server 向scheduler获取node节点的信息)//controller-manager的功能:控制、管理维护node节点。

3、此时API server 就会向etcd获取后端节点信息。

4、scheduler调度器也会监听API server发现请求信息然后进行预选调度和优选调度的调度计算找出最闲且最符合条件的node节点。最后将结果信息给到API server。
//预选调度和优先调度
//1、预选调度: 一般根据资源对象的配置信息进行筛选例如nodeselector、hostselector、节点亲和性。
//2、优先调度: 根据资源对象需要的资源和node节点的资源的使用情况为每个节点打分然后选出最优的节点创建资源对象(pod)

5、此时controller-manage 也监听到 API server选出了node节点controller-manager会根据请求创建pod的配置信息。(也就是需要什么控制器)然后把控制资源给API server

------------下面开始与node节点交互------------------

6、此时API server会提交清单给对应的节点的kubelet(代理)kubelet相当于api server在node节点的监视器kubelete通过container容器创建pod并把消息发送给kubeletkubelet再把信息交给API ServerAPI Server会把创建的信息保存在Etcd中

2、核心组件

Master 节点组件

●Kube-apiserver 所有访问统一入口

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。

●Kube-controller-manager 负责根据预设模板创建pod维持pod等资源副本期望数目

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。

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。
•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。

●Kube-scheduler 负责调度pod通过预选策略优选策略选择合适的node节点分配pod

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。 62种

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 可能具有越高的排名。

配置存储中心

●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)

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节点组件

●Kubelet 跟apiserver通信并汇报当前node节点上的资源使用情况和状态接受apiserver指令和容器引擎交互实现容器的生命周期管理

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。

PSKubelet真是个苦逼老父亲又当爹又当妈一把屎一把尿把这些容器拉扯大还要给它们养老送终。。。。

总结
在 Kubernetes 集群中在每个 Node又称 Worker Node上都会启动一个 kubelet 服务进程。该进程用于处理 Master 下发到本节点的任务管理 Pod 及 Pod 中的容器。每个 kubelet 进程都会在 API Server 上注册节点自身的信息定期向 Master 汇报节点资源的使用情况并通过 cAdvisor 监控容器和节点资源。

●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器工作负责写入规则到iptables和ipvs实现服务映射访问

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。

三种模式网络模型

node ip

pod ip

cluster ip

●docker 或 rocket

容器引擎运行容器负责本机的容器创建和管理工作。

3、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。

●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。
可以而同一 Pod 内把 Pod 理解成豌豆荚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。

比如说创建一个容器并且再创建一个监控的容器放在pod里面

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。

●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。

K8S 内提供了众多的 Pod 控制器常用的有以下几种
•Deployment无状态应用部署。Deployment 的作用是管理和控制 Pod 和 ReplicaSet管控它们运行在用户期望的状态中。

•ReplicaSet确保预期的 Pod 副本数量。ReplicaSet 的作用就是管理和控制 Pod管控他们好好干活。但是ReplicaSet 受控于 Deployment。

可以理解成 Deployment 就是总包工头主要负责监督底下的工人 Pod 干活确保每时每刻有用户要求数量的 Pod 在工作。如果一旦发现某个工人 Pod 不行了就赶紧新拉一个 Pod 过来替换它。而ReplicaSet 就是总包工头手下的小包工头。
从 K8S 使用者角度来看用户会直接操作 Deployment 部署服务而当 Deployment 被部署的时候K8S 会自动生成要求的 ReplicaSet 和 Pod。用户只需要关心 Deployment 而不操心 ReplicaSet。
资源对象 Replication Controller 是 ReplicaSet 的前身官方推荐用 Deployment 取代 Replication Controller 来部署服务。

•Daemonset确保所有节点运行同一类 Pod保证每个节点上都有一个此类 Pod 运行通常用于实现系统级后台任务。

•Statefulset有状态应用部署

•Job一次性任务。根据用户的设置Job 管理的 Pod 把任务成功完成就自动退出了。

•Cronjob周期性计划性任务

●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。

●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。

●Service

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。

●Ingress

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

●Name

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。

●Namespace

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。