容器化技术(No.2) -- Kubernetes 基础

作者: IrvinX | 来源:发表于2020-05-01 22:20 被阅读0次

前言

今天的分享主要有以下几个目标:

了解什么是 Kubernetes, 架构组成及核心概念

可以通过 kubeadm 独立搭建完整的集群

尝试使用 kubectl 命令操作集群

学习使用 YAML 编排简单任务

Docker 回顾

什么是 Docker?

- 打包代码及其所有依赖项的软件的标准单元, 本质上是宿主机上的一个进程;
- 通过 namespace 实现了资源隔离, 通过 cgroups 实现了资源限制, 通过 copy-on-write 机制实现了高效的文件操作
- 与虚拟机相比, Docker 启动速度更快, 性能接近原生 (虚拟机损失 5% 左右), 资源使用更少

容器化技术(No.1) -- Docker 基础

思考:

什么是 Kubernetes

为什么要用 Kubernetes

Kubernetes 架构组成

Kubernetes 基本概念

Kubernetes

Kubernetes 是 Google 在 2014 年开源的一个容器集群管理系统, 简称 K8S.
Kubernetes 用于容器化应用程序的部署, 扩展和管理, 目标是让部署容器化应用简单高效.

官方网站：http://www.kubernetes.io

技术架构及核心概念

技术架构

Kubernetes-Arch.png

Master

kube-apiserver

Kubernetes API, 集群的统一入口, 通过 api server 控制着这些资源的访问权限,通过使用暴露给外部用户REST API接口执行对Kubernetes资源的CRUD操作, 处理后再提交给 Etcd 存储.

kube-controller-manager

处理集群中常规后台任务, 一个资源对应一个控制器, 而ControllerManager就是负责管理这些控制器的.

kube-scheduler

根据调度算法为新创建的Pod选择一个Node节点, 可以任意部署,可以部署在同一个节点上,也可以部署在不同的节点上.

etcd

分布式键值存储系统.用于保存集群状态数据, 比如Pod、Service等对象信息.

Worker

kubelet

kubelet是Master在Node节点上的Agent, 管理本机运行容器的生命周期, 比如创建容器、Pod挂载数据卷、下载secret、获取容器和节点状态等工作.kubelet将每个Pod转换成一组容器.

kube-proxy

在Node节点上实现Pod网络代理, 维护网络规则和四层负载均衡工作. 主要作用就是负责 service 的实.

docker

容器引擎, 运行容器.

核心概念

Pod

最小部署单元
一组容器的集合
一个Pod中的容器共享网络命名空间
Pod是短暂的

Controllers

Deployment : 无状态应用部署
StatefulSet: 有状态应用部署
DaemonSet : 确保所有 Node 运行相同的 Pod
Job : 一次性任务
Cronjob : 定时任务

控制器是更高级层次对象, 用于部署和管理 Pod.

Service

防止 Pod 失联
定义一组 Pod 的访问策略

Label

标签, 附加到某个资源上, 用于关联对象、查询和筛选

Namespaces

命名空间, 将对象逻辑上隔离

基础实践

部署方式

官方提供三种部署方式:

minikube

Minikube是一个工具，可以在本地快速运行一个单点的Kubernetes，仅用于尝试Kubernetes或日常开发的用户使用。
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Kubernetes集群。
部署地址：https://kubernetes.io/docs/reference/setup-tools/kubeadm/kubeadm

二进制

推荐，从官方下载发行版的二进制包，手动部署每个组件，组成Kubernetes集群。
下载地址：https://github.com/kubernetes/kubernetes/releases

部署集群

kubeadm是官方社区推出的一个用于快速部署kubernetes集群的工具.

这个工具能通过两条指令完成一个kubernetes集群的部署：

# 创建一个 Master 节点
$ kubeadm init

# 将一个 Node 节点加入到当前集群中
$ kubeadm join <Master节点的IP和端口 >

安装要求

在开始之前, 部署Kubernetes集群机器需要满足以下几个条件：

一台或多台机器, 操作系统 CentOS7.x-86_x64
硬件配置：>=2GB mem, >=2 core, >=30GB disk
集群中所有机器之间网络互通
可以访问外网, 需要拉取镜像
禁止swap分区

准备环境

角色	IP
k8s-master	192.168.0.10
k8s-node1	192.168.0.11
k8s-node2	192.168.0.12

#关闭防火墙
$ systemctl stop firewalld
$ systemctl disable firewalld

#关闭selinux
$ sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config  # 永久
$ setenforce 0  # 临时

#关闭swap
$ swapoff -a  # 临时
$ vim /etc/fstab  # 永久

#设置主机名
$ hostnamectl set-hostname <hostname>

#在master添加hosts
$ cat >> /etc/hosts << EOF
192.168.0.1 k8s-master
192.168.0.2 k8s-node1
192.168.0.3 k8s-node2
EOF

#将桥接的IPv4流量传递到iptables的链
$ cat > /etc/sysctl.d/k8s.conf << EOF
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
EOF
$ sysctl --system  # 生效

#时间同步
$ yum install ntpdate -y
$ ntpdate -u cn.ntp.org.cn

所有节点安装Docker/kubeadm/kubelet

Kubernetes 默认 CRI（容器运行时）为 Docker, 因此先安装 Docker.

1、安装Docker

$ wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo -O /etc/yum.repos.d/docker-ce.repo
$ yum install -y docker-ce-18.09.9-3.el7 
$ systemctl enable docker && systemctl start docker
$ docker --version

# cat > /etc/docker/daemon.json << EOF
{
  "registry-mirrors": ["https://b9pmyelo.mirror.aliyuncs.com"]
}
EOF

2、添加阿里云 YUM 软件源

$ cat > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo << EOF
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=0
repo_gpgcheck=0
gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg
EOF

3、安装 kubeadm, kubelet 和 kubectl
由于版本更新频繁, 这里指定版本号部署：

$ yum install -y kubelet-1.16.2 kubeadm-1.16.2 kubectl-1.16.2
$ systemctl enable kubelet

部署 Kubernetes Master

在192.168.0.10（Master）执行.

$ kubeadm init \
  --apiserver-advertise-address=192.168.0.10 \
  --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
  --kubernetes-version v1.16.2 \
  --service-cidr=10.96.0.0/12 \
  --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

kubeadm 到底做了什么? 稍后说明.

由于默认拉取镜像地址k8s.gcr.io国内无法访问, 这里指定阿里云镜像仓库地址.

使用kubectl工具：

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
$ kubectl get nodes

安装Pod网络插件（CNI）

$ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

确保能够访问到quay.io这个registery.

加入Kubernetes Node

在192.168.0.11/12（Worker）执行.

向集群添加新节点, 执行在kubeadm init输出的kubeadm join命令：

$ kubeadm join 192.168.0.10:6443 --token i1ofj9.ujm6xpc7sx4tmt1c \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:7ce38ff560c14aa85e2ae1736c081019b9890c78aee86cd75c4ff1ef311d6aa9

默认token有效期为24小时, 超时就需要重新创建token, 操作如下：

# Master 节点执行
$ kubeadm token create
i1ofj9.ujm6xpc7sx4tmt1c
$ openssl x509 -pubkey -in /etc/kubernetes/pki/ca.crt | openssl rsa -pubin -outform der 2>/dev/null | openssl dgst -sha256 -hex | sed 's/^.* //'
7ce38ff560c14aa85e2ae1736c081019b9890c78aee86cd75c4ff1ef311d6aa9
# Worker 上执行
$ kubeadm join 192.168.0.10:6443 --token i1ofj9.ujm6xpc7sx4tmt1c --discovery-token-ca-cert-hash sha256:7ce38ff560c14aa85e2ae1736c081019b9890c78aee86cd75c4ff1ef311d6aa9

也可以通过如下命令直接获取

$ kubeadm token create --print-join-command

官方文档: https://kubernetes.io/docs/reference/setup-tools/kubeadm/kubeadm-join

测试kubernetes集群

在Kubernetes集群中创建一个pod, 验证是否正常运行：

$ kubectl create deployment nginx --image=nginx
$ kubectl expose deployment nginx --port=80 --type=NodePort
$ kubectl get pod,svc

访问地址：http://NodeIP:Port

部署 Dashboard

$ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/dashboard/v2.0.0-beta8/aio/deploy/recommended.yaml

默认Dashboard只能集群内部访问, 修改Service为NodePort类型, 暴露到外部：

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  labels:
    k8s-app: kubernetes-dashboard
  name: kubernetes-dashboard
  namespace: kubernetes-dashboard
spec:
  ports:
    - port: 443
      targetPort: 8443
  selector:
    k8s-app: kubernetes-dashboard

访问地址：http://NodeIP:Port

创建service account并绑定默认cluster-admin管理员集群角色：

kubectl create serviceaccount dashboard-admin -n kube-system
kubectl create clusterrolebinding dashboard-admin --clusterrole=cluster-admin --serviceaccount=kube-system:dashboard-admin
kubectl describe secrets -n kube-system $(kubectl -n kube-system get secret | awk '/dashboard-admin/{print $1}')

使用输出的token登录Dashboard.

kubeadm init 到底做了些什么

[root@Ali-irvin ~]# kubeadm init \
>   --apiserver-advertise-address=192.168.0.10 \
>   --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
>   --kubernetes-version v1.16.2 \
>   --service-cidr=10.96.0.0/12 \
>   --pod-network-cidr=10.244.0.0/16
[init] Using Kubernetes version: v1.16.
# 1. 环境检查
[preflight] Running pre-flight checks       
  [WARNING IsDockerSystemdCheck]: detected "cgroupfs" as the Docker cgroup driver. The recommended driver is "systemd". Please follow the guide at https://kubernetes.io/docs/setup/cri/
# 2. 下载镜像
[preflight] Pulling images required for setting up a Kubernetes cluster
[preflight] This might take a minute or two, depending on the speed of your internet connection
[preflight] You can also perform this action in beforehand using 'kubeadm config images pull'
# 3. 为 kubelet 创建配置文件并启动
[kubelet-start] Writing kubelet environment file with flags to file "/var/lib/kubelet/kubeadm-flags.env"
[kubelet-start] Writing kubelet configuration to file "/var/lib/kubelet/config.yaml"
[kubelet-start] Activating the kubelet service
# 4. 为apiserver、etcd生成https证书
[certs] Using certificateDir folder "/etc/kubernetes/pki"
[certs] Generating "ca" certificate and key
[certs] Generating "apiserver" certificate and key
[certs] apiserver serving cert is signed for DNS names [ali-irvin kubernetes kubernetes.default kubernetes.default.svc kubernetes.default.svc.cluster.local] and IPs [10.96.0.1 192.168.0.10]
[certs] Generating "apiserver-kubelet-client" certificate and key
[certs] Generating "front-proxy-ca" certificate and key
[certs] Generating "front-proxy-client" certificate and key
[certs] Generating "etcd/ca" certificate and key
[certs] Generating "etcd/server" certificate and key
[certs] etcd/server serving cert is signed for DNS names [ali-irvin localhost] and IPs [192.168.0.10 127.0.0.1 ::1]
[certs] Generating "etcd/peer" certificate and key
[certs] etcd/peer serving cert is signed for DNS names [ali-irvin localhost] and IPs [192.168.0.10 127.0.0.1 ::1]
[certs] Generating "etcd/healthcheck-client" certificate and key
[certs] Generating "apiserver-etcd-client" certificate and key
[certs] Generating "sa" key and public key
# 5. 生成连接apiserver的kubeconfig文件
[kubeconfig] Using kubeconfig folder "/etc/kubernetes"
[kubeconfig] Writing "admin.conf" kubeconfig file
[kubeconfig] Writing "kubelet.conf" kubeconfig file
[kubeconfig] Writing "controller-manager.conf" kubeconfig file
[kubeconfig] Writing "scheduler.conf" kubeconfig file
# 6. 容器启动 master 组件
[control-plane] Using manifest folder "/etc/kubernetes/manifests"
[control-plane] Creating static Pod manifest for "kube-apiserver"
[control-plane] Creating static Pod manifest for "kube-controller-manager"
[control-plane] Creating static Pod manifest for "kube-scheduler"
[etcd] Creating static Pod manifest for local etcd in "/etc/kubernetes/manifests"
[wait-control-plane] Waiting for the kubelet to boot up the control plane as static Pods from directory "/etc/kubernetes/manifests". This can take up to 4m0s
[apiclient] All control plane components are healthy after 18.002987 seconds
# 7. 将涉及的配置文件存储到 configmap
[upload-config] Storing the configuration used in ConfigMap "kubeadm-config" in the "kube-system" Namespace
[kubelet] Creating a ConfigMap "kubelet-config-1.16" in namespace kube-system with the configuration for the kubelets in the cluster
[upload-certs] Skipping phase. Please see --upload-certs
# 8. 设置 master 节点不可调度 Pod
[mark-control-plane] Marking the node ali-irvin as control-plane by adding the label "node-role.kubernetes.io/master=''"
[mark-control-plane] Marking the node ali-irvin as control-plane by adding the taints [node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule]
# 9. 启用 bootstrap 自动为 kubelet 颁发证书
[bootstrap-token] Using token: i1ofj9.ujm6xpc7sx4tmt1c
[bootstrap-token] Configuring bootstrap tokens, cluster-info ConfigMap, RBAC Roles
[bootstrap-token] configured RBAC rules to allow Node Bootstrap tokens to post CSRs in order for nodes to get long term certificate credentials
[bootstrap-token] configured RBAC rules to allow the csrapprover controller automatically approve CSRs from a Node Bootstrap Token
[bootstrap-token] configured RBAC rules to allow certificate rotation for all node client certificates in the cluster
[bootstrap-token] Creating the "cluster-info" ConfigMap in the "kube-public" namespace
# 10. 安装插件：CoreDNS、kube-proxy
[addons] Applied essential addon: CoreDNS
[addons] Applied essential addon: kube-proxy

Your Kubernetes control-plane has initialized successfully!

To start using your cluster, you need to run the following as a regular user:

  mkdir -p $HOME/.kube
  sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
  sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

You should now deploy a pod network to the cluster.
Run "kubectl apply -f [podnetwork].yaml" with one of the options listed at:
  https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/addons/

Then you can join any number of worker nodes by running the following on each as root:

kubeadm join 192.168.0.10:6443 --token i1ofj9.ujm6xpc7sx4tmt1c \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:7ce38ff560c14aa85e2ae1736c081019b9890c78aee86cd75c4ff1ef311d6aa9
[root@Ali-irvin ~]#

1、检查系统环境是否满足，例如swap是否关闭、配置是否满足
2、下载所需镜像，kubeadm config images pull
3、为 kubelet 创建配置文件并启动
4、为 apiserver、etcd 生成 https 证书（/etc/kubernetes/pki/）
5、生成连接 apiserver 的 kubeconfig 文件
6、容器启动 master 组件
7、将涉及的配置文件存储到 configmap
8、设置 master 节点不可调度 Pod
9、启用 bootstrap 自动为 kubelet 颁发证书
10、安装插件：CoreDNS、kube-proxy

常见问题

1. 证书问题

问题: 仅火狐浏览器可访问 Dashboard

原因: 官方提供的字签证书有问题(有效时间)

解决方案:

删除默认的secret

用自签证书创建新的secret

修改 dashboard.yaml 文件

2. token 失效

$ kubeadm token create --print-join-command

3. 环境清理

$ kubeadm reset

命令行操作

kubectl --help 查看帮助信息

kubectl create --help 查看 create 命令帮助信息

命令	描述
create	通过文件名或标准输入创建资源
expose	将一个资源公开为一个新的Service
run	在集群中运行一个特定的镜像
set	在对象上设置特定的功能
get	显示一个或多个资源
explain	文档参考资料
edit	使用默认的编辑器编辑一个资源.
delete	通过文件名、标准输入、资源名称或标签选择器来删除资源.
rollout	管理资源的发布
rolling-update	对给定的复制控制器滚动更新
scale	扩容或缩容Pod数量, Deployment、ReplicaSet、RC或Job
autoscale	创建一个自动选择扩容或缩容并设置Pod数量
certificate	修改证书资源
cluster-info	显示集群信息
top	显示资源（CPU/Memory/Storage）使用.需要Heapster运行
cordon	标记节点不可调度
uncordon	标记节点可调度
drain	驱逐节点上的应用, 准备下线维护
taint	修改节点taint标记
describe	显示特定资源或资源组的详细信息
logs	在一个Pod中打印一个容器日志.如果Pod只有一个容器, 容器名称是可选的
attach	附加到一个运行的容器
exec	执行命令到容器
port-forward	转发一个或多个本地端口到一个pod
proxy	运行一个proxy到Kubernetes API server
cp	拷贝文件或目录到容器中
auth	检查授权
apply	通过文件名或标准输入对资源应用配置
patch	使用补丁修改、更新资源的字段
replace	通过文件名或标准输入替换一个资源
convert	不同的API版本之间转换配置文件
label	更新资源上的标签
annotate	更新资源上的注释
completion	用于实现kubectl工具自动补全
api-versions	打印受支持的API版本
config	修改kubeconfig文件（用于访问API, 比如配置认证信息）
help	所有命令帮助
plugin	运行一个命令行插件
version	打印客户端和服务版本信息

使用kubectl管理应用生命周期

# 创建
$ kubectl create deployment web --image=java 
$ kubectl get deploy,pods

# 发布
$ kubectl expose deployment web --port=80 --type=NodePort --target-port=80 --name=web
$ kubectl get service

# 升级
$ kubectl set image deployment/web nginx=nginx:1.15
$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment  # 查看升级状态

# 回滚
$ kubectl rollout history deployment/web  # 查看发布记录
$ kubectl rollout undo deployment/web   # 回滚最新版本
$ kubectl rollout undo deployment/web --revision=2  # 回滚指定版本

# 删除
$ kubectl delete deploy/web
$ kubectl delete svc/web

常用选项

-f, --filename=[]: 文件名、目录、或者URL创建资源
-o, --output='': json|yaml|name|wide   所有查看的资源都可以用
-l, --selector='': 根据标签过滤内容，支持运算符 '=', '==','!='.(示例 -l key1=value1,key2=value2)

资源编排

编写YAML注意事项

YAML 是一种简洁的非标记语言.

语法格式：

缩进表示层级关系

不支持制表符“tab”缩进, 使用空格缩进

通常开头缩进 2 个空格

字符后缩进 1 个空格, 如冒号、逗号等

“---” 表示YAML格式, 一个文件的开始

“#”注释

YAML内容解析

YAML 编排文件内容大致分为两部分：

# 控制器相关定义
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deploy
  namespace: default
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLables:
      app: nginx
# 被控制对象定义
    template:
      metadata:
        lables:
          app: nginx
      spec:
        containers:
        - name: nginx
          image: nginx:latest
          ports:
          - containerPort:80

控制器定义：定义控制器属性
被控制对象：Pod 模板, 定义容器属性

具体字段意义：

apiVersion	API版本
kind	资源类型
metadata	资源元数据
spec	资源规格
replicas	副本数量
selector	标签选择器
template	Pod模板
metadata	Pod元数据
spec	Pod规格
containers	容器配置

编写 YAML

熟能生巧, 多写. 另外可通过如下方式快速生成, 基于实际场景修改.

run 命令生成部署模板

kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.14 -o yaml --dry-run> my-deploy.yaml
get 命令将已有部署的应用yaml导出

kubectl get my-deploy/nginx -o=yaml --export > my-deploy.yaml
通过 explain 查看更详细的帮助文档获得

kubectl explain pods.spec.containers

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