【 云原生 | K8S 】Kubernetes 概述-CSDN博客

Kubernetes 概述

1 K8S 是什么

K8S 的全称为 Kubernetes (K12345678S)PS“嘛写全称也太累了吧不如整个缩写”。

作用
用于自动部署、扩展和管理“容器化containerized应用程序”的开源系统。
可以理解成 K8S 是负责自动化运维管理多个容器化程序比如 Docker的集群是一个生态极其丰富的容器编排框架工具。

由来
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

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。

Kubernetes 主要功能如下
●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。

3 Kubernetes 集群架构与组件

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。

------------------- 核心组件 -------------------

3.1 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
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 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。

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。

3.2 Node 组件

●Kubelet
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。

●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。
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。

4 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。

●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。

常见的K8S安装部署方式
●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

●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/

●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

Kubeadm降低部署门槛但屏蔽了很多细节遇到问题很难排查。如果想更容易可控推荐使用二进制包部署Kubernetes集群虽然手动部署麻烦点期间可以学习很多工作原理也利于后期维护。

//k8s部署 二进制与高可用的区别
●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

●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