Kubernetes 基础概述

Kubernetes 是什么

• Kubernetes是容器集群管理系统，是一个开源的平台，可以实现容器集群的自动化部署、自动扩缩容、维护等功能、

Kubernetes 特点

• 可移植: 支持公有云，私有云，混合云，多重云
• 可扩展: 模块化, 插件化, 可挂载, 可组合
• 自动化: 自动部署，自动重启，自动复制，自动伸缩/扩展

为什么要使用容器技术

• 传统的部署方式是通过插件和脚本来安装应用，这样做的缺点是应用的运行、配置、管理、所有的生存周期都与当前操作系统绑定，不利于系统的升级回滚操作。
• 容器部署，每个容器相互独立，容器间的进程不会互相影响。而且因为容器存在，应用不依赖生产环境的基础结构，这使得研发、测试，生产提供一致的环境。同时容器比虚拟机更轻量化、更透明，便于监控和管理。

容器的优势

• 快速创建/部署应用：与VM虚拟机相比，容器镜像的创建更加容易
• 持续开发、集成和部署：提供可靠且频繁的容器镜像构建/部署，并使用快速和简单的回滚(由于镜像不可变性)。
• 开发和运行相分离：在build或者release阶段创建容器镜像，使得应用和基础设施解耦。
• 开发，测试和生产环境一致性：在本地或外网（生产环境）运行的一致性。
• 云平台或其他操作系统：可以在 Ubuntu、RHEL、 CoreOS、on-prem、Google Container Engine或其它任何环境中运行
• Loosely coupled，分布式，弹性，微服务化：应用程序分为更小的、独立的部件，可以动态部署和管理。
• 资源隔离
• 资源利用：更高效

Kubernetes能做什么

• 多个进程（作为容器运行）协同工作。（Pod）
• 存储系统挂载
• Distributing secrets
• 应用健康检测
• 应用实例的复制
• Pod自动伸缩/扩展
• Naming and discovering
• 负载均衡
• 滚动更新
• 资源监控
• 日志访问
• 调试应用程序
• 提供认证和授权

Kubernetes不是什么

• Kubernetes并不是传统的PaaS（平台即服务）系统
• Kubernetes不限制支持应用的类型，不限制应用框架。不限制受支持的语言runtimes (例如, Java, Python, Ruby)，满足12-factor applications 。不区分 “apps” 或者“services”。
• Kubernetes不提供中间件（如message buses）、数据处理框架（如Spark）、数据库(如Mysql)或者集群存储系统(如Ceph)作为内置服务。但这些应用都可以运行在Kubernetes上面
• Kubernetes不部署源码不编译应用。持续集成的 (CI)工作流方面，不同的用户有不同的需求和偏好的区域，因此，我们提供分层的 CI工作流，但并不定义它应该如何工作
• Kubernetes允许用户选择自己的日志、监控和报警系统
• Kubernetes不提供或授权一个全面的应用程序配置 语言/系统（例如，jsonnet）
• Kubernetes不提供任何机器配置、维护、管理或者自修复系统

Kubernetes 组件

Master 组件

• kube-apiserver

  • kube-apiserver用于暴露Kubernetes API。任何的资源请求/调用操作都是通过kube-apiserver提供的接口进行。

• ETCD

  • etcd是Kubernetes提供默认的存储系统，保存所有集群数据，使用时需要为etcd数据提供备份计划

• kube-controller-manager

  • kube-controller-manager运行管理控制器，它们是集群中处理常规任务的后台线程。逻辑上，每个控制器是一个单独的进程，但为了降低复杂性，它们都被编译成单个二进制文件，并在单个进程中运行。
  • 这些控制器包括：
    • 节点（Node）控制器。
    • 副本（Replication）控制器：负责维护系统中每个副本中的pod。
    • 端点（Endpoints）控制器：填充Endpoints对象（即连接Services＆Pods）。
    • Service Account和Token控制器：为新的Namespace 创建默认帐户访问API Token。

• cloud-controller-manager

  • 云控制器管理器负责与底层云提供商的平台交互。云控制器管理器是Kubernetes版本1.6中引入的，目前还是Alpha的功能
  • cloud-controller-manager 具体功能：
    • 节点（Node）控制器
    • 路由（Route）控制器
    • Service控制器
    • 卷（Volume）控制器

• kube-scheduler

  • kube-scheduler 监视新创建没有分配到Node的Pod，为Pod选择一个Node。

• 插件 addons

  • 插件（addon）是实现集群pod和Services功能的 。Pod由Deployments，ReplicationController等进行管理。Namespace 插件对象是在kube-system Namespace中创建。
  • DNS
    • 虽然不严格要求使用插件，但Kubernetes集群都应该具有集群 DNS。群集 DNS是一个DNS服务器，能够为 Kubernetes services提供 DNS记录。由Kubernetes启动的容器自动将这个DNS服务器包含在他们的DNS searches中。
  • 用户界面
    • kube-ui提供集群状态基础信息查看
  • 容器资源监测
    • 容器资源监控提供一个UI浏览监控数据。
  • Cluster-level Logging
    • Cluster-level logging，负责保存容器日志，搜索/查看日志。

节点（Node）组件

• kubelet

  • kubelet是主要的节点代理，它会监视已分配给节点的pod，具体功能：
    • 安装Pod所需的volume。
    • 下载Pod的Secrets。
    • Pod中运行的 docker（或experimentally，rkt）容器。
    • 定期执行容器健康检查。
    • Reports the status of the pod back to the rest of the system, by creating a mirror pod if necessary.
    • Reports the status of the node back to the rest of the system.

• kube-proxy

  • kube-proxy通过在主机上维护网络规则并执行连接转发来实现Kubernetes服务抽象。

• docker

  • docker用于运行容器。

• RKT

  • rkt运行容器，作为docker工具的替代方案。

• supervisord

  • supervisord是一个轻量级的监控系统，用于保障kubelet和docker运行。

• fluentd

  • fluentd是一个守护进程，可提供cluster-level logging.。

kubernetes

理解为什么需要k8s

• 可以对多个容器提供编排能力,运行 管理一组多个容器以及容器之间共同使用到的,如桥连网络段,如创建的数据卷Volume,也可以在多个容器间共享
• 容器需要部署在多个机器上,需要配置跨主机的容器通信方案(非手动,因为难以维护容器间所有通信规则,iptables转发规则,docker+flannel解决了docker跨主机通信)
• 容器运行在多个机器上,如何确保容器资源使用率监控,容器内服务监控

k8s是什么,解决了什么问题

• 纯docker运行模式,是一个docker主机,单独管理部署一堆容器应用,数量多了以后,配置复杂之后,难以维护.且跨主机的容器集群,更加难维护
  • 业务容器数量庞大,哪些容器部署在哪些节点,使用了哪些端口,如果记录,管理,需要登录到每台机器去管理?
  • 跨主机通信,多个机器之间如果相互调用,ipstables规则手动维护?
  • 跨主机容器相互调用,配置如何写?写死固定ip+port?
  • 如果实现高可用?多个容器对外提供服务如何负载均衡
  • 容器业务中断了,如何感知?感知到以后,如何自动重启新的容器?
  • 如何实现滚动升级保证业务连续性

k8s特性

• 自动化上线和回滚
• 存储编排
• 自动装箱
• IPV4/IPV6双协议线
• 自我修复
• 服务发现于负载均衡
• Secret和配置管理
• 批量执行
• 水平扩缩
• 为拓展性设计

k8s核心组件

''' 提供了很多的组件,方便用户从各个角度,更好的维护,管理容器 1.容器的运行高可用,数量保障,版本升级,扩容,缩容 2.容器间网络关系 3.容器间数据共享 4.容器内配置文件加密 5.xxx '''

• etcd 保存了集群的状态,分布式高性能数据库
• api-server 提供了资源操作的唯一入口,并提供认证 授权 访问控制 api注册与发现机制
• controller manager 负责维护集群状态,比如故障检测 自动扩展 滚动更新
• scheduler 负责资源的调度,按照预订调度策略将pod调度到相应的node节点上
• kubelet 负责维护容器的生命周期,同时也负责Volume(CVI)和网络(CNI)的管理.
  • 运行在每个node节点上的代理软件,脏活累活都是它干
  • pod管理:
    • kubelet定期从监听的数据源获取节点上pod/container的期望状态(运行什么容器,运行的副本数量,网络或者存储如何配置等),并调用对应容器平台接口达到这个状态
  • 容器健康检查
    • kubelet创建了容器之后还要查看容器是否正常运行,如果容器运行出错,就要根据pod设置的重启策略处理
  • 容器监控
    • kubelet会监控所在节点的资源使用情况,并定时向master报告,资源使用数据都是通过cAdvisor获取,知道整个集群所有节点资源情况,对pod调度和正常运行至关重要.
• 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,主要提供iptables,ipvs规则
• kubectl:
  • 命令行接口,用于对集群运行命令

理解pod创建过程,与效果

• pod创建过程 ''' 1.在master节点,写入yaml描述你对容器的运行要求,创建pod的要求,install-nginx.yaml 2.使用kubectl命令创建,应用这个资源描述文件 kubectl create -f install-nginx.yaml我要创建一个pod运行nginx了,命令发给谁 3.验证kubectl命令发来的请求是否被允许利用本地https证书直接写入,请求被允许后才会执行 4.api-server将nginx-pod创建信息,记录到etcd中(镜像版本,容器名,是否端口映射...) 5.api-server再通知下一个组件,scheduler准备pod调度 6.scheduler会去etcd查询信息,判定合适的node节点去部署pod(选择好机器,还未执行) 7.scheduler告诉api-server决定将pod部署在哪个node节点 8.api-server将信息写入etcd,更新数据 9.此时api-server会通知远程具体机器,如k8s-node2上的工作进程kubelet,读取etcd信息,进行创建 '''

pod

''' 1.pod的ip是随机变化的,删除pod,ip变化 2.pod内都有一个根容器 3.一个pod内可以有一个,多个容器 4.一个pod内所有的容器,共享根容器的网络名称空间,文件系统,进程资源 5.一个pod内的容器网络地址,由根容器提供 '''

• pod部署几种形态
  • 一个pod下一个容器,无状态,无需数据卷
  • 一个pod下一个容器,持久化容器内数据,以卷的形式,放在宿主机上
  • 一个pod下多个容器,共享一个卷的数据
  • 一个pod下多个容器,多个卷

容器运行状态

• 创建容器是为了运行容器,容器有运行状态,表现为创建的成功 失败 问题
  • Waiting
  • Running
  • Terminated

Label

• label是识别kubernetes对象的标签,以key-value的方式附加在对象上(key不超过64字节,value可为空,也可不超过253字节的字符串)
• label不提供唯一性,并且实际上很多对象(如pod)都使用相同label来标识具体应用
• label定义好后其他对象可以使用Label Selector来选择一组相同的label对象.Label Selector支持以下几种方式:
  • 等式,如 app=nginx 或 env!=prod
  • 集合,如 env in (qa,uat)
  • 多个label(它们是AND关系) app=nginx,env = qa ''' 1.label就是标签,用于标识kubernetes对象 2.我们传统对机器上应用查找,都是基于ip:port,但kubernetes中,更多匹配关系,都是基于label '''

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资源组
  • 常见的pods,services,replication,controller,deployment都属于某个namespace
  • node,persistentVolumes等则不属于任何namespace

Controller(Deployment)

• kubernetes控制器有多种,用在不同场景,如何更好管理pod
  • replication controller 副本控制器,主要控制pod数量
  • ``
  • ``

Service