2022最新K8S（Kubernetes）技术讲解

什么是Kubernetes？

Kubernetes是Google开源的分布式容器管理平台，是为了更方便的在服务器中管理我们的容器化应用。

Kubernetes简称 K8S，为什么会有这个称号？因为K和S是 Kubernetes 首字母和尾字母，而K和S中间有八个字母，所以简称 K8S，加上 Kubernetes 比较绕口，所以一般使用简称 K8S。

Kubernetes即是一款容器编排工具，也是一个全新的基于容器技术的分布式架构方案，在基于Docker的基础上，可以提供从 创建应用>应用部署>提供服务>动态伸缩>应用更新 一系列服务，提高了容器集群管理的便捷性。

K8S产生的原因

大家可以先看一下，下面一张图，里面有我们的 mysql，redis，tomcat，nginx 等配置信息，如果我们想要安装里面的数据，我们需要一个一个手动安装，好像也可以，反正也就一个，虽然麻烦了一点，但也不耽误。

但是随着技术的发展和业务的需要，单台服务器已经不能满足我们日常的需要了，越来越多的公司，更多需要的是集群环境和多容器部署，那么如果还是一个一个去部署，运维恐怕要疯掉了，一天啥也不干就去部署机器了，有时候，可能因为某一个环节出错，要重新，那真的是吐血。。。。。，如下图所示：

如果我想要部署，以下几台机器：

3台 - Nginx

5台 - Redis

7台 - ZooKeeper

4台 - Tomcat

6台 - MySql

5台 - JDK

10台 - 服务器

如果要一个一个去部署，人都要傻掉了，这什么时候是个头，如果是某里巴的两万台机器，是不是要当场提交辞职信，所以 K8S 就是帮助我们来做这些事情的，方便我们对容器的管理和应用的自动化部署，减少重复劳动，并且能够自动化部署应用和故障自愈。

并且如果 K8S 对于微服务有很好的支持，并且一个微服务的副本可以跟着系统的负荷变化进行调整，K8S 内在的服务弹性扩容机制也能够很好的应对突发流量。

容器编排工具对比

Docker-Compose

Docker-Compose是用来管理容器的，类似用户容器管家，我们有N多台容器或者应用需要启动的时候，如果手动去操作，是非常耗费时间的，如果有了 Docker-Compose 只需要一个配置文件就可以帮我们搞定，但是 Docker-Compose 智能管理当前主机上的 Docker，不能去管理其他服务器上的服务。意思就是单机环境。

Docker Swarm

Docker Swarm是由Docker 公司研发的一款用来管理集群上的Docker容器工具，弥补了 Docker-Compose 单节点的缺陷， Docker Swarm 可以帮助我们启动容器，监控容器的状态，如果容器服务挂掉会重新启动一个新的容器，保证正常的对外提供服务，也支持服务之间的负载均衡。而且这些东西 Docker-Compose 是不支持的，

Kubernetes

Kubernetes它本身的角色定位是和 Docker Swarm 是一样的，也就是说他们负责的工作在容器领域来说是相同的部分，当然也要一些不一样的特点， Kubernetes 是谷歌自己的产品，经过大量的实践和宿主机的实验，非常的成熟，所以 Kubernetes 正在成为容器编排领域的领导者，其 可配置性、可靠性和社区的广大支持，从而超越了 Docker Swarm ，作为谷歌的开源项目，它和整个谷歌的云平台协调工作。

K8S的职责

1. 自动化容器的部署和复制
2. 随时扩展或收缩容器规模
3. 容器分组Group，并且提供容器间的负载均衡
4. 实时监控：及时故障发现，自动替换

K8S的基本概念

在下图中，是K8S的一个集群，在这个集群中包含三台宿主机，这里的每一个方块都是我们的物理虚拟机，通过这三个物理机，我们形成了一个完整的集群，从角色划分，可以分为两种

• 一种是 Kubernetes Master 主服务器，它是整个集群的管理者，它可以对整个集群的节点进行管理，通过主服务器向这些节点，发送创建容器、自动部署、自动发布等功能，并且所有来自外部的数据都会由 Kubernetes Master 进行接收并进行分配。
• 还有一种就是 node节点 节点可以是一台独立的物理机也可以是一个虚拟机，在每个节点中都有一个非常重要的 K8S 独有的概念，就是我们的Pod， Pod是K8S最重要也是最基础的概念

Pod

• Pod是 Kubernetes 控制的最小单元，一个Pod就是一个进程。
• 一个Pod可以被一个容器化的环境看做应用层的“逻辑宿主机”，可以理解为容器的容器，可以包含多个“Container”;
• 一个Pod的多个容器应用通常是紧密耦合的，Pod在Node上创建、启动或销毁；
• 每个Pod里面运行着一个特殊的被称为 Pause 的容器，其他的容器被称为业务容器，这些业务容器共享Pause容器的网络栈和Volume挂载卷；
• Pod的内部容器网络是互通的，每个Pod都有独立的虚拟IP。
• Pod都是部署完整的应用或模块，同一个Pod容器之间只需要通过localhsot就能互相通信。
• Pod的生命周期是通过 Replication Controller 来管理的，通过模板进行定义，然后分配到一个Node上运行，在Pod锁包含容器运行结束后，Pod结束。

打一个比较形象的比喻，我们可以把Pod理解成一个豆荚，容器就是里面的豆子，是一个共生体。

Pod里面到底装的是什么？

• 在一些小公司里面，一个Pod就是一个完整的应用，里面安装着各种容器，一个Pod里面可能包含（Redis、Mysql、Tomcat等等），当把这一个Pod部署以后就相当于部署了一个完整的应用，多个Pod部署完以后就形成了一个集群，这是Pod的第一种应用方式
• 还有一种使用方式就是在Pod里面只服务一种容器，比如在一个Pod里面我只部署Tomcat

具体怎么部署Pod里面的容器，是按照我们项目的特性和资源的分配进行合理选择的。

pause容器：

Pause容器 全称infrastucture container（又叫infra）基础容器，作为init pod存在，其他pod都会从pause 容器中fork出来，这个容器对于Pod来说是必备的

一个Pod中的应用容器共享同一个资源：

1. PID命名空间：Pod中的不同应用程序可以看到其他的应用程序的进程ID
2. 网络命名空间：Pod中的多个容器能够访问同一个IP和端口范围
3. IPC命名空间：Pod的多个容器能够使用，SystemV IPC或POSIX消息队列进行通信
4. UTS命名空间：Pod中的多个容器共享一个主机名；Volumes（共享存储卷）
5. Pod中的各个容器可以访问在Pod级别定义的Volumes

在上图中如果没有 pause容器 ，我们的Nginx和Ghost，Pod内的容器想要彼此通信的话，都需要使用自己的IP地址和端口，才可以彼此进行访问，如果有 pause容器 ，对于整个Pod来说，我们可以看做一个整体，也就是我们的Nginx和Ghost直接使用localhost就可以进行访问了，他们唯一不同的就只是端口，这里面可能看着觉得比较简单，但其实是使用了很多网络底层的东西才实现的，感兴趣的小伙伴可以自行了解一下。

Service(服务)

在 Kubernetes 中，每个Pod都会被分配一个单独的IP地址，但是Pod和Pod之间，是无法直接进行交互的，如果想要进行网络通信，必须要通过另外一个组件才能交流，也就是我们的 Service

Service是服务的意思，在K8S中 Service 主要工作就是将多个不同主机上的Pod，通过 Service 进行连通，让Pod和Pod之间可以正常的通信

我们可以把 Service 看做一个域名，而相同服务的Pod集群就是不同的ip地址， Service 是通过 Label Selector 来进行定义的。

• Service 拥有一个指定的名字，类似于域名这种，并且它还拥有一个虚拟的IP地址和端口号，只能内网进行访问，如果Service想要进行外网访问或提供外网服务，需要指定公共的IP和NodePort或者外部的负载均衡器。

使用NodePort提供外部访问，只需要在每个Node上打开一个主机的真实端口，这样就可以通过Node的客户端访问到内部的Service。

Label(标签)

Label 一般以 kv的方式附件在各种对象上，Label 是一个说明性的标签，它有着很重要的作用，我们在部署容器的时候，在哪些Pod进行操作，都需要根据Label进行查找和筛选，我们可以理解Label是每一个Pod的别名，只有取了名称，作为K8S的Master主节点才能找到对应的Pod进行操作。

Replication Controller(复制控制器)

1. 存在Master主节点上，这个兄弟的作用主要是对Pod的数量进行监控，比如我们在下面的节点中我们需要三个相同属性的Pod，但是目前只有两个，当 Replication Controller 看到只有两个的时候，就会自动帮助我们按照我们制定的规则创建一个额外的副本，放到我们的节点中。
2. Replication Controller 还可以对Pod进行实时监控，当我们某一个Pod它失去了响应，这个Pod就会被剔除，如果我们需要， Replication Controller 会自动创建一个新的
3. Kubernetes通过RC中定义的Lable筛选出对应的Pod实例，并实时监控其状态和数量，如果实例数量少于定义的副本数量（Replicas），则会根据RC中定义的Pod模板来创建一个新的Pod，然后将此Pod调度到合适的Node上启动运行，直到Pod实例数量达到预定目标。

K8S的总体架构

• Kubernetes将集群中的机器划分为一个Master节点和一群工作节点（Node）
• Master节点上运行着集群管理相关的一组进程 etcd、API Server、Controller Manager、Scheduler ，后三个组件构成了Kubernetes的总控中心，这些进程实现了整个集群的资源管理、Pod调度、弹性伸缩、安全控制、系统监控和纠错等管理功能，并且全都是自动完成。
• Node上运行 kubelet、kube-proxy、docker 三个组件，是真正支持K8S的技术方案。负责对本节点上的Pod的生命周期进行管理，以及实现服务代理的功能。

用户通过 Kubectl 提交一个创建 Replication Controller 请求，这个请求通过 API Server 写入 etcd 中，这个时候 Controller Manager 通过 API Server 的监听到了创建的命名，经过它认真仔细的分析以后，发现当前集群里面居然还没有对应的Pod实例，赶紧根据 Replication Controller 模板定义造一个Pod对象，再通 过Api Server 写到我们 etcd 里面

到下面，如果被 Scheduler 发现了，好家伙不告诉我？？？，无业游民，这家伙一看就不是一个好人啊，它就会立即运行一个复杂的调度流程，为这个新的Pod选一个可以落户的Node，总算有个身份了，真是让人操心，然后通过 API Server 将这个结果也写到etcd中，随后，我们的 Node 上运行的小管家 Kubelet 进程通过 API Server 检测到这个 新生的小宝宝——“Pod”，就会按照它，就会按照这个小宝宝的特性，启动这个Pod并任劳任怨的负责它的下半生，直到Pod的生命结束。

然后我们通过 Kubectl 提交一个新的映射到这个Pod的Service的创建请求， Controller Manager 会通过Label标签查询到相关联的Pod实例，生成Service的Endpoints的信息，并通过 API Server 写入到etcd中，接下来，所有 Node 上运行的Proxy进程通过 Api Server 查询并监听 Service对象 与其对应的 Endpoints 信息，建立一个软件方式的负载均衡器来实现 Service 访问到后端Pod的流量转发功能。

kube-proxy：是一个代理，充当这多主机通信的代理人，前面我们讲过Service实现了跨主机、跨容器之间的网络通信，在技术上就是通过 kube-proxy 来实现的，service是在逻辑上对Pod进行了分组，底层是通过 kube-proxy 进行通信的

kubelet：用于执行K8S的命令，也是K8S的核心命令，用于执行K8S的相关指令，负责当前Node节点上的Pod的创建、修改、监控、删除等生命周期管理，同时Kubelet定时“上报”本Node的状态信息到API Server里

etcd：用于持久化存储集群中所有的资源对象，API Server提供了操作 etcd的封装接口API，这些API基本上都是对资源对象的操作和监听资源变化的接口

API Server ：提供资源对象的操作入口，其他组件都需要通过它提供操作的API来操作资源数据，通过对相关的资源数据“全量查询”+ “变化监听”，可以实时的完成相关的业务功能。

Scheduler ：调度器，负责Pod在集群节点中的调度分配。

Controller Manager：集群内部管理控制中心，主要是实现 Kubernetes 集群的故障检测和恢复的自动化工作。比如Pod的复制和移除，Endpoints对象的创建和更新，Node的发现、管理和状态监控等等都是由 Controller Manager 完成。