【k8s】Kubernetes 的基本架构

我们看到容器技术只实现了应用的打包分发，到运维真正落地实施的时候仍然会遇到很多困难，所以就需要用容器编排技术来解决这些问题，而 Kubernetes 是这个领域的唯一霸主，已经成为了“事实标准”。

那么，Kubernetes 凭什么能担当这样的领军重任呢？难道仅仅因为它是由 Google 主导开发的吗？

我们一起来看看 Kubernetes 的内部架构和工作机制，了解它能够傲视群雄的秘密所在。

Kubernetes 是一个生产级别的容器编排平台和集群管理系统，能够创建、调度容器，监控、管理服务器。
容器是什么？容器是软件，是应用，是进程。
服务器是什么？服务器是硬件，是 CPU、内存、硬盘、网卡。
那么，既可以管理软件，也可以管理硬件，这样的东西应该是什么？
你也许会脱口而出：这就是一个操作系统（Operating System）！

没错，从某种角度来看，Kubernetes 可以说是一个集群级别的操作系统，主要功能就是资源管理和作业调度。
但 Kubernetes 不是运行在单机上管理单台计算资源和进程，而是运行在多台服务器上管理几百几千台的计算资源，以及在这些资源上运行的上万上百万的进程，规模要大得多。

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操作系统的一个重要功能就是抽象，从繁琐的底层事务中抽象出一些简洁的概念，然后基于这些概念去管理系统资源。

Kubernetes 也是这样，它的管理目标是大规模的集群和应用，必须要能够把系统抽象到足够高的层次，分解出一些松耦合的对象，才能简化系统模型，减轻用户的心智负担。

所以，Kubernetes 扮演的角色就如同一个“大师级别”的系统管理员，具有丰富的集群运维经验，独创了自己的一套工作方式，不需要太多的外部干预，就能够自主实现原先许多复杂的管理工作。

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Kubernetes 采用了现今流行的“控制面 / 数据面”（Control Plane / Data Plane）架构，集群里的计算机被称为“节点”（Node），可以是实机也可以是虚机，少量的节点用作控制面来执行集群的管理维护工作，其他的大部分节点都被划归数据面，用来跑业务应用。

控制面的节点在 Kubernetes 里叫做 Master Node，一般简称为 Master，它是整个集群里最重要的部分，可以说是 Kubernetes 的大脑和心脏。

数据面的节点叫做 Worker Node，一般就简称为 Worker 或者 Node，相当于 Kubernetes 的手和脚，在 Master 的指挥下干活。
Node 的数量非常多，构成了一个资源池，Kubernetes 就在这个池里分配资源，调度应用。因为资源被“池化”了，所以管理也就变得比较简单，可以在集群中任意添加或者删除节点。

在这张架构图里，我们还可以看到有一个 kubectl，它就是 Kubernetes 的客户端工具，用来操作 Kubernetes，但它位于集群之外，理论上不属于集群。

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Kubernetes 的节点内部也具有复杂的结构，是由很多的模块构成的，这些模块又可以分成组件（Component）和插件（Addon）两类。

组件实现了 Kubernetes 的核心功能特性，没有这些组件 Kubernetes 就无法启动，而插件则是 Kubernetes 的一些附加功能，属于“锦上添花”，不安装也不会影响 Kubernetes 的正常运行。

先来讲讲 Master 和 Node 里的组件，然后再捎带提一下插件，理解了它们的工作流程，你就会明白为什么 Kubernetes 有如此强大的自动化运维能力。

Master 里的组件有哪些？
Master 里有 4 个组件，分别是 apiserver、etcd、scheduler、controller-manager。

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apiserver 是 Master 节点——同时也是整个 Kubernetes 系统的唯一入口，它对外公开了一系列的 RESTful API，并且加上了验证、授权等功能，所有其他组件都只能和它直接通信，可以说是 Kubernetes 里的联络员。

etcd 是一个高可用的分布式 Key-Value 数据库，用来持久化存储系统里的各种资源对象和状态，相当于 Kubernetes 里的配置管理员。注意它只与 apiserver 有直接联系，也就是说任何其他组件想要读写 etcd 里的数据都必须经过 apiserver。

scheduler 负责容器的编排工作，检查节点的资源状态，把 Pod 调度到最适合的节点上运行，相当于部署人员。因为节点状态和 Pod 信息都存储在 etcd 里，所以 scheduler 必须通过 apiserver 才能获得。

controller-manager 负责维护容器和节点等资源的状态，实现故障检测、服务迁移、应用伸缩等功能，相当于监控运维人员。同样地，它也必须通过 apiserver 获得存储在 etcd 里的信息，才能够实现对资源的各种操作。

这 4 个组件也可以容器化了，运行在集群的 Pod 里，我们可以用 kubectl 来查看它们的状态。

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Node 里的组件有哪些？

Master 里的 apiserver、scheduler 等组件需要获取节点的各种信息才能够作出管理决策，那这些信息该怎么来呢？
这就需要 Node 里的 3 个组件了，分别是 kubelet、kube-proxy、container-runtime。

kubelet 是 Node 的代理，负责管理 Node 相关的绝大部分操作，Node 上只有它能够与 apiserver 通信，实现状态报告、命令下发、启停容器等功能，相当于是 Node 上的一个“小管家”。

kube-proxy 的作用有点特别，它是 Node 的网络代理，只负责管理容器的网络通信，简单来说就是为 Pod 转发 TCP/UDP 数据包，相当于是专职的“小邮差”。

第三个组件 container-runtime 我们就比较熟悉了，它是容器和镜像的实际使用者，在 kubelet 的指挥下创建容器，管理 Pod 的生命周期，是真正干活的“苦力”。

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我们一定要注意，因为 Kubernetes 的定位是容器编排平台，所以它没有限定 container-runtime 必须是 Docker，完全可以替换成任何符合标准的其他容器运行时，例如 containerd、CRI-O 等等，只不过在这里我们使用的是 Docker。

这 3 个组件中只有 kube-proxy 被容器化了，而 kubelet 因为必须要管理整个节点，容器化会限制它的能力，所以它必须在 container-runtime 之外运行。

现在，我们再把 Node 里的组件和 Master 里的组件放在一起来看，就能够明白 Kubernetes 的大致工作流程了：

每个 Node 上的 kubelet 会定期向 apiserver 上报节点状态，apiserver 再存到 etcd 里。

每个 Node 上的 kube-proxy 实现了 TCP/UDP 反向代理，让容器对外提供稳定的服务。

scheduler 通过 apiserver 得到当前的节点状态，调度 Pod，然后 apiserver 下发命令给某个 Node 的 kubelet，kubelet 调用 container-runtime 启动容器。

controller-manager 也通过 apiserver 得到实时的节点状态，监控可能的异常情况，再使用相应的手段去调节恢复。

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其实，这和我们在 Kubernetes 出现之前的操作流程也差不了多少，但 Kubernetes 的高明之处就在于把这些都抽象化规范化了。
于是，这些组件就好像是无数个不知疲倦的运维工程师，把原先繁琐低效的人力工作搬进了高效的计算机里，就能够随时发现集群里的变化和异常，再互相协作，维护集群的健康状态。

插件（Addons）有哪些？

只要服务器节点上运行了 apiserver、scheduler、kubelet、kube-proxy、container-runtime 等组件，就可以说是一个功能齐全的 Kubernetes 集群了。
不过就像 Linux 一样，操作系统提供的基础功能虽然“可用”，但想达到“好用”的程度，还是要再安装一些附加功能，这在 Kubernetes 里就是插件（Addon）。
由于 Kubernetes 本身的设计非常灵活，所以就有大量的插件用来扩展、增强它对应用和集群的管理能力。

插件中我个人认为比较重要的有两个：DNS 和 Dashboard。

DNS 你应该比较熟悉吧，它在 Kubernetes 集群里实现了域名解析服务，能够让我们以域名而不是 IP 地址的方式来互相通信，是服务发现和负载均衡的基础。由于它对微服务、服务网格等架构至关重要，所以基本上是 Kubernetes 的必备插件。

Dashboard 就是仪表盘，为 Kubernetes 提供了一个图形化的操作界面，非常直观友好，虽然大多数 Kubernetes 工作都是使用命令行 kubectl，但有的时候在 Dashboard 上。

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我们一起来研究了 Kubernetes 的内部架构和工作机制，可以看到它的功能非常完善，实现了大部分常见的运维管理工作，而且是全自动化的，能够节约大量的人力成本。
由于 Kubernetes 的抽象程度比较高，有很多陌生的新术语，不太好理解，所以我画了一张思维导图，你可以对照着再加深理解。

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最后小结一下今天的要点：

1. Kubernetes 能够在集群级别管理应用和服务器，可以认为是一种集群操作系统。它使用“控制面 / 数据面”的基本架构，Master 节点实现管理控制功能，Worker 节点运行具体业务。

2. Kubernetes 由很多模块组成，可分为核心的组件和选配的插件两类。

3. Master 里有 4 个组件，分别是 apiserver、etcd、scheduler、controller-manager。

4. Node 里有 3 个组件，分别是 kubelet、kube-proxy、container-runtime。

5. 通常必备的插件有 DNS 和 Dashboard。

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