快速了解Kubernetes

关于Kubernetes

起源

Kubernetes 源自于 Google 内部的服务编排系统 - Borg，诞生于2014年。它汲取了Google 十五年生产环境的经验积累，并融合了社区优秀的idea和实践经验。

名字

Kubernetes这个单词起源于古希腊是舵手的意思，所以它的logo是一个渔网状的七边形，里面还有一个罗盘。Google选择这样一个名字也是有一定的深意：既然docker把自己比作一只鲸鱼托着集装箱在大海中遨游，Google就要用Kubernetes去掌握去掌握大航海时代的话语权，去捕获和指引着这条鲸鱼按照主人设定的路线去巡游。

核心

得益于 Docker 的特性，服务的创建和销毁变得非常快速、简单。Kubernetes 正是以此为基础，实现了集群规模的管理、编排方案，使应用的发布、重启、扩缩容能够自动化。

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Kubernetes的架构设计

Kubernetes 可以管理大规模的集群，使集群中的每一个节点彼此连接，能够像控制一台单一的计算机一样控制整个集群。

在k8s集群中有两种角色，一种是 Master ，一种是 Node（也叫worker）：

• Master 是集群的"大脑"，负责管理整个集群，例如应用的调度、更新、扩缩容等。
• Node 就是具体"干活"的，一个Node一般是一个虚拟机或物理机，它上面事先运行着 docker 服务和 kubelet 服务（ Kubernetes 的一个组件），当接收到 master 下发的"任务"后，Node 就要去完成任务（用 docker 运行一个指定的应用）

如下图：

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了解了集群中的两大角色后，我们再看看Kubenetes的架构示意图：

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Kubenetes Master节点剖析图：

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在上文也说了Master节点相当于Kubenetes集群中的大脑，在Master节点具备四个主要模块：

• API Server：提供外部访问能力，使得我们可以通过UI或CLI工具（如kubectl）与Kubenetes集群进行交互
• Scheduler：负责资源调度，当我们在集群上创建一个容器时，该模块的调度算法会决定Pod被创建在哪个集群节点上
• Controller：以守护进程形式存在的控制模块，类似事件循环的处理器，用于处理各种集群中的事件，控制并调节集群的期望状态。例如接收到某个服务挂掉的事件，就会自动去重新拉起这个服务，满足服务可用的状态。又或者某个服务的实例副本数是2，当挂掉一个实例时，也会自动恢复，以满足实例副本数为2这个状态
• etcd：这是一个分布式的key-value存储系统，主要用于存储Kubenetes集群的状态、资源和配置等信息

Kubenetes Node节点剖析图：

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• Pod：Pod是Kubenetes集群中调度的最小单位，所谓Pod就是具有相同namespace的一个或多个container的组合
• Docker：底层的容器技术，因为除了Docker外还有其他的容器技术
• kubelet：运行在每个节点上的主要的“节点代理”，每个节点都会启动 kubelet 进程，用来处理 Master 节点下发到本节点的任务，按照 PodSpec 描述来管理 Pod 和其中的容器的生命周期（PodSpec 是用来描述一个 pod 的 YAML 或者 JSON 对象）。也就是说在Node中负责去调用Docker拉取镜像、运行、停止容器等工作是由 kubelet 完成的。
• kube-proxy：用于节点的网络代理，主要实现端口转发、负载均衡、service服务发现等功能
• Fluentd：负责日志的采集、存储及查询

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Kubernetes的核心概念

Pod - Kubernetes中的最小调度单位

Kubernetes 的 Node 做的事情也并不是简单的 docker run 一个容器。出于像易用性、灵活性、稳定性等的考虑，Kubernetes 提出了一个叫做 Pod 的东西，作为 Kubernetes 的最小调度单位。所以我们的应用在每个 Node 上运行的其实是一个 Pod。Pod 也只能运行在 Node 上。如下图：

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Pod中会包含一个或多个容器。容器本身就是一个小盒子了，Pod 相当于在容器上又包了一层小盒子。这个盒子里面的容器有什么特点呢？

• 可以直接通过 volume 共享存储。
• 有相同的网络命名空间（network namespace），通俗点说就是有一样的ip地址，有一样的网卡和网络设置。例如A容器监听了80端口，B容器监听了8080端口，A容器直接通过127.0.0.1:8080就可以访问到B容器的服务，反之亦然。
• 多个容器之间可以“了解”对方，比如知道其他人的镜像，知道别人定义的端口等。

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Pause容器

每个Pod里都会有一个特殊的Pause容器有时候也称为Infra容器，它与用户容器”捆绑“运行在同一个 Pod 中，最大的作用是维护 Pod 网络协议栈，将用户容器link到一起。这也是为什么同一个Pod里的容器之间仅需通过localhost就能互相通信的原因。除此以外，Pause容器还会负责Pod的健康检查，然后汇报给k8s。

Pause容器主要为每个用户容器提供以下功能：

• PID命名空间：Pod中的不同应用程序可以看到其他应用程序的进程ID。
• 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。
• IPC命名空间：Pod中的多个容器能够使用SystemV IPC或POSIX消息队列进行通信。
• 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）：
  • Pod中的各个容器可以访问在Pod级别定义的Volumes。

关于Pause容器更多的内容可以参考：

• https://mp.weixin.qq.com/s/7XmskGWafUleqcjEalO9KQ

ReplicaSet（RS）

Pod的上一层是ReplicaSet（副本集），简称RS。ReplicaSet负责维护应用的实例副本，所以ReplicaSet里的每一个Replica就是一个Pod而不是容器，因为Pod是最小调度单位。例如某个应用的ReplicaSet数量是2，当某一个节点上的Pod挂掉了，那么ReplicaSet就会检测到副本数量不满足2，此时k8s就会重新根据调度算法在其他节点创建并运行一个新的Pod，通俗来说就是再拉起一个Pod。

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Deployment - 应用管理者

当我们拥有一个 Kubernetes 集群后，就可以在上面跑我们的应用了，前提是我们的应用必须支持在 Docker 中运行，也就是我们要事先准备好Docker镜像。

有了镜像之后，一般我们会通过Kubernetes的 Deployment 的配置文件去描述应用，比如应用叫什么名字、使用的镜像名字、要运行几个实例、需要多少的内存资源、cpu 资源等等。

有了配置文件就可以通过Kubernetes提供的命令行客户端 - kubectl 去管理这个应用了。kubectl 会跟 Kubernetes 的 master 通过RestAPI通信，最终完成应用的管理。

比如我们创建并配置好的 Deployment 配置文件叫 app.yaml，我们就可以通过"kubectl create -f app.yaml" 命令来创建这个应用，之后就由 Kubernetes 来保证我们的应用处于运行状态，当某个实例运行失败了或者运行着应用的 Node 突然宕机了，Kubernetes 会自动发现并在新的 Node 上调度一个新的实例，保证我们的应用始终达到我们预期的结果。

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RollingUpdate - 滚动升级

滚动升级是Kubernetes中最典型的服务升级方案，主要思路是一边增加新版本应用的实例数，一边减少旧版本应用的实例数，直到新版本的实例数达到预期，旧版本的实例数减少为0，滚动升级结束。在整个升级过程中，服务一直处于可用状态。并且可以在任意时刻回滚到旧版本。

rolling update

我们之所以不会直接将应用定义为Pod，而是定义为 Deployment 的一个重要原因就是因为只有将应用定义成 Deployment 时才能支持滚动升级。当 Deployment 中的容器需要升级更新时，Deployment 会先创建一个新的 ReplicaSet 及Pod，然后停止并删除旧的 ReplicaSet 中的一个Pod，接着再新建一个新版本Pod，然后再删除一个旧版本的Pod......以此实现滚动式的更新，所以在更新过程中应用可以实现不中断地服务。

Service - 服务发现 - 找到每个Pod

假设我们上面介绍的 Deployment 创建了，Pod 也运行起来了。如何才能访问到我们的应用呢？

最直接想到的方法就是直接通过 Pod的 ip + 端口号去访问，但如果实例数很多呢？好，拿到所有的 Pod - ip 列表，配置到负载均衡器中，轮询访问。但上面我们说过，Pod 可能会死掉，甚至 Pod 所在的 Node 也可能宕机，Kubernetes 会自动帮我们重新创建新的Pod。再者每次更新服务的时候也会重建 Pod。而每个 Pod 都有自己的 ip。所以 Pod 的ip 是不稳定的，会经常变化的，不可能每次ip变化都去修改一下负载均衡中的ip列表。

面对这种变化我们就要借助另一个概念：Service。它就是来专门解决这个问题的。不管Deployment的Pod有多少个，不管它是更新、销毁还是重建，Service总是能发现并维护好它的ip列表。Service对外也提供了多种入口：

• ClusterIP：Service 在集群内的唯一 ip 地址，我们可以通过这个 ip，均衡的访问到后端的 Pod，而无须关心具体的 Pod。
• NodePort：Service 会在集群的每个 Node 上都启动一个端口，我们可以通过任意Node 的这个端口来访问到 Pod。
• LoadBalancer：在 NodePort 的基础上，借助公有云环境创建一个外部的负载均衡器，并将请求转发到 NodeIP:NodePort。
• ExternalName：将服务通过 DNS CNAME 记录方式转发到指定的域名（通过 spec.externlName 设定）。

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好，看似服务访问的问题解决了。但大家有没有想过，Service是如何知道它负责哪些 Pod 呢？是如何跟踪这些 Pod 变化的？

最容易想到的方法是使用 Deployment 的名字。一个 Service 对应一个 Deployment 。当然这样确实可以实现。但Kubernetes 使用了一个更加灵活、通用的设计 - Label 标签，通过给 Pod 打标签，Service 可以只负责一个 Deployment 的 Pod 也可以负责多个 Deployment 的 Pod 了。Deployment 和 Service 就可以通过 Label 解耦了。

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Kubernetes的认证与授权

关于Kubernetes的认证与授权机制内容比较多也比较复杂，所以这里引用一些文章作为参考：

• https://www.cnblogs.com/yanjieli/p/11859041.html
• https://www.kuboard.cn/learning/k8s-advanced/sec/authenticate/#users-in-kubernetes
• https://www.jianshu.com/p/83330fad9b5d

也可以直接翻阅官方文档：

• https://kubernetes.io/docs/reference/access-authn-authz/authentication/