Kubernetes（K8S）简介

Kubernetes（通常写成“k8s”）是最开始由google设计开发最后贡献给Cloud Native Computing Foundation的开源容器集群管理项目。它的设计目标是在主机集群之间提供一个能够自动化部署、可拓展、应用容器可运营的平台。Kubernetes通常结合docker容器工具工作，并且整合多个运行着docker容器的主机集群。

历史

Kubernetes（ 来自希腊语κυβερνήτης:，意思为 “操舵员” 或者 “飞行员”）由Joe Beda, Brendan Burns 和Craig McLuckie建立，并在2014年被google公司首次对外公布。它的发展和设计受到google的Borg系统的严重影响。Kubernetes项目的许多主要贡献者来自Borg项目。在Google内部Kubernetes最开始的名字叫Serven of Nine，引用了电影“星际迷航”中通常被认为“更加友好”的“博格人”这个角色。由于google律师的反对，它的名字被重命名为Kubernetes。从Kubernetes的logo上面那车轮上的七个幅条就能在一定程度上推断出Kubernets最开始的名字是什么。

2015年七月21日Kubernetes发布了v1.0版本。随着Kubernetes v1.0版本的发布，Google和Linux基金会合作成立Cloud Native Computing Foundation（CNCF）并提议使Kubernetes成为种子技术。

Kubernetes还被RedHat使用于OpenShift产品。

特性

Kubernetes经过这几年的快速发展，形成了一个大的生态环境，Google在2014年将Kubernetes作为开源项目。

Kubernetes的关键特性包括：

• 自动化装箱：在不牺牲可用性的条件下，基于容器对资源的要求和约束自动部署容器。同时，为了提高利用率和节省更多资源，将关键和最佳工作量结合在一起。
• 自愈能力：当容器失败时，会对容器进行重启；当所部署的Node节点有问题时，会对容器进行重新部署和重新调度；当容器未通过监控检查时，会关闭此容器；直到容器正常运行时，才会对外提供服务。
• 水平扩容：通过简单的命令、用户界面或基于CPU的使用情况，能够对应用进行扩容和缩容。
• 服务发现和负载均衡：开发者不需要使用额外的服务发现机制，就能够基于Kubernetes进行服务发现和负载均衡。
• 自动发布和回滚：Kubernetes能够程序化的发布应用和相关的配置。如果发布有问题，Kubernetes将能够回归发生的变更。
• 保密和配置管理：在不需要重新构建镜像的情况下，可以部署和更新保密和应用配置。
• 存储编排：自动挂接存储系统，这些存储系统可以来自于本地、公共云提供商（例如：GCP和AWS）、网络存储(例如：NFS、iSCSI、Gluster、Ceph、Cinder和Floker等)。

设计

Kubernetes定义了一套堆积木，这些堆积木统一提供部署、维护和扩展应用的机制。构成Kubernetes的这些组件让Kubernetes变得一个松耦合可延伸的，因此它能满足各种不同的工作负载。Kubernetes的延展性在很大程度上是由Kubernetes的API提供的，这些API被运行在Kubernetes的内部组件、延伸组件和容器使用。

Pods（豆荚）

Kubernetes中的基本调度单位叫“pod”。它增加了更高层的抽象来容纳各种组件。一个pod由一个或者多个容器组成，这些容器能够部署在同一台物理主机上面，并能够共享资源。Kubernetes中集群内部的每一个pod被指定了唯一的IP地址，用户程序可以通过相应的端口号无冲突地连接各个pod。pod能够定义一个卷（volume），比如一个本地磁盘目录或者一个网络磁盘，然后把它暴露给pod中的容器。用户可以通过Kubernetes API手动管理pod，或者把管理工作交给一个管理器。

标签和选择器

Kubernetes可以让客户端（用户或者内部组件）把被称之为标签的键值对依附在系统的任何API对象上，比如pods和“nodes”。相应地，”标签选择器”是针对标签的查询，这些标签用于解决匹配对象问题。

标签和选择器是Kubernetes中的主要分组机制，用来决定哪个操作应用于哪个组件。

比如，如果一个应用的pod有一个系统标签为：tier (“front-end“, “back-end“,) 和 release_track (“canary“, “production“)， 然后所有 “back-end” 和”canary“节点 上的操作都可以使用如下所示的标签选择器：

tier=back-end AND release_track=canary

控制器

一个控制器是一个调节回路，通过管理一系列pod来驱动实际的集群状态变成所需的集群状态。一种控制器叫”复制控制器“，通过运行指定数目的跨集群的pod副本来进行复制和扩展操作。如果底层的节点失败了，它还能处理和创建用于替换的pod。其他的控制器是核心Kubernetes系统的一部分，包括一个运行在所有机器（或者所有机器的一些子集）但恰好一个pod上的”DaemonSet“控制器，以及一个运行pod直到结束的”Job“控制器（比如，作为批作业的一部分）。控制器所管理的那一系列pod由定义在控制器里的部分标签选择器决定。

服务

一个Kubernetes服务是一系列工作在一起的pod，比如多层应用中其中的一层。这一系列pod构成了由标签选择器所定义的一个服务。Kubernetes提供了服务发现和请求路由的功能。请求路由是通过分配固定IP地址和DNS名字给服务。默认的，一个服务会在一个集群内暴露（比如，后台的pod会被分到一个服务中，来自前端的pods负载平衡他们之间的请求），但是，它也可以在一个集群外暴露（比如，为客户端访问前端的pod）。

Kubernetes的整体架构

 

Kubernetes属于主从分布式架构，主要由Master Node和Worker Node组成，以及包括客户端命令行工具kubectl和其它附加项。

• Master Node：作为控制节点，对集群进行调度管理；Master Node由API Server、Scheduler、Cluster State Store和Controller-Manger Server所组成；
• Worker Node：作为真正的工作节点，运行业务应用的容器；Worker Node包含kubelet、kube proxy和Container Runtime；
• kubectl：用于通过命令行与API Server进行交互，而对Kubernetes进行操作，实现在集群中进行各种资源的增删改查等操作；
• Add-on：是对Kubernetes核心功能的扩展，例如增加网络和网络策略等能力。

1.Master Node（主节点）

 API Server（API服务器）

API Server主要用来处理REST的操作，确保它们生效，并执行相关业务逻辑，以及更新etcd（或者其他存储）中的相关对象。API Server是所有REST命令的入口，它的相关结果状态将被保存在etcd（或其他存储）中。API Server的基本功能包括：

• REST语义，监控，持久化和一致性保证，API 版本控制，放弃和生效
• 内置准入控制语义，同步准入控制钩子，以及异步资源初始化
• API注册和发现

另外，API Server也作为集群的网关。默认情况，客户端通过API Server对集群进行访问，客户端需要通过认证，并使用API Server作为访问Node和Pod（以及service）的堡垒和代理/通道。

 Cluster state store（集群状态存储）

Kubernetes默认使用etcd作为集群整体存储，当然也可以使用其它的技术。etcd是一个简单的、分布式的、一致的key-value存储，主要被用来共享配置和服务发现。etcd提供了一个CRUD操作的REST API，以及提供了作为注册的接口，以监控指定的Node。集群的所有状态都存储在etcd实例中，并具有监控的能力，因此当etcd中的信息发生变化时，就能够快速的通知集群中相关的组件。

Controller-Manager Server（控制管理服务器）

Controller-Manager Serve用于执行大部分的集群层次的功能，它既执行生命周期功能(例如：命名空间创建和生命周期、事件垃圾收集、已终止垃圾收集、级联删除垃圾收集、node垃圾收集)，也执行API业务逻辑（例如：pod的弹性扩容）。控制管理提供自愈能力、扩容、应用生命周期管理、服务发现、路由、服务绑定和提供。Kubernetes默认提供Replication Controller、Node Controller、Namespace Controller、Service Controller、Endpoints Controller、Persistent Controller、DaemonSet Controller等控制器。

Scheduler（调度器）

scheduler组件为容器自动选择运行的主机。依据请求资源的可用性，服务请求的质量等约束条件，scheduler监控未绑定的pod，并将其绑定至特定的node节点。Kubernetes也支持用户自己提供的调度器，Scheduler负责根据调度策略自动将Pod部署到合适Node中，调度策略分为预选策略和优选策略，Pod的整个调度过程分为两步：

1）预选Node：遍历集群中所有的Node，按照具体的预选策略筛选出符合要求的Node列表。如没有Node符合预选策略规则，该Pod就会被挂起，直到集群中出现符合要求的Node。

2）优选Node：预选Node列表的基础上，按照优选策略为待选的Node进行打分和排序，从中获取最优Node。

2.Worker Node（从节点）

Kubelet

Kubelet是Kubernetes中最主要的控制器，它是Pod和Node API的主要实现者，Kubelet负责驱动容器执行层。在Kubernetes中，应用容器彼此是隔离的，并且与运行其的主机也是隔离的，这是对应用进行独立解耦管理的关键点。

在Kubernets中，Pod作为基本的执行单元，它可以拥有多个容器和存储数据卷，能够方便在每个容器中打包一个单一的应用，从而解耦了应用构建时和部署时的所关心的事项，已经能够方便在物理机/虚拟机之间进行迁移。API准入控制可以拒绝或者Pod，或者为Pod添加额外的调度约束，但是Kubelet才是Pod是否能够运行在特定Node上的最终裁决者，而不是scheduler或者DaemonSet。kubelet默认情况使用cAdvisor进行资源监控。负责管理Pod、容器、镜像、数据卷等，实现集群对节点的管理，并将容器的运行状态汇报给Kubernetes API Server。

Container Runtime（容器运行时）

每一个Node都会运行一个Container Runtime，其负责下载镜像和运行容器。Kubernetes本身并不停容器运行时环境，但提供了接口，可以插入所选择的容器运行时环境。kubelet使用Unix socket之上的gRPC框架与容器运行时进行通信，kubelet作为客户端，而CRI shim作为服务器。

protocol buffers API提供两个gRPC服务，ImageService和RuntimeService。ImageService提供拉取、查看、和移除镜像的RPC。RuntimeSerivce则提供管理Pods和容器生命周期管理的RPC，以及与容器进行交互(exec/attach/port-forward)。容器运行时能够同时管理镜像和容器（例如：Docker和Rkt），并且可以通过同一个套接字提供这两种服务。在Kubelet中，这个套接字通过–container-runtime-endpoint和–image-service-endpoint字段进行设置。Kubernetes CRI支持的容器运行时包括docker、rkt、cri-o、frankti、kata-containers和clear-containers等。

kube proxy

基于一种公共访问策略（例如：负载均衡），服务提供了一种访问一群pod的途径。此方式通过创建一个虚拟的IP来实现，客户端能够访问此IP，并能够将服务透明的代理至Pod。每一个Node都会运行一个kube-proxy，kube proxy通过iptables规则引导访问至服务IP，并将重定向至正确的后端应用，通过这种方式kube-proxy提供了一个高可用的负载均衡解决方案。服务发现主要通过DNS实现。

在Kubernetes中，kube proxy负责为Pod创建代理服务；引到访问至服务；并实现服务到Pod的路由和转发，以及通过应用的负载均衡。

3.kubectl

kubectl是Kubernetes集群的命令行接口。运行kubectl命令的语法如下所示：

$ kubectl [command] [TYPE] [NAME] [flags]

这里的command，TYPE、NAME和flags为：

• comand：指定要对资源执行的操作，例如create、get、describe和delete
• TYPE：指定资源类型，资源类型是大小学敏感的，开发者能够以单数、复数和缩略的形式。例如：

$ kubectl get pod pod1 
$ kubectl get pods pod1 
$ kubectl get po pod1

• NAME：指定资源的名称，名称也大小写敏感的。如果省略名称，则会显示所有的资源，例如:

 $kubectl get pods

• flags：指定可选的参数。例如，可以使用-s或者–server参数指定Kubernetes API server的地址和端口。

另外，可以通过运行kubectl help命令获取更多的信息。

4.附加项和其他依赖

在Kunbernetes中可以以附加项的方式扩展Kubernetes的功能，目前主要有网络、服务发现和可视化这三大类的附加项，下面是可用的一些附加项：

网络和网络策略

• ACI 通过与Cisco ACI集成的容器网络和网络安全。
• Calico 是一个安全的3层网络和网络策略提供者。
• Canal 联合Fannel和Calico，通过网络和网络侧。
• Cilium 是一个3层网络和网络侧插件，它能够透明的加强HTTP/API/L7 策略。其即支持路由，也支持overlay/encapsultion模式。
• Flannel 是一个overlay的网络提供者。

服务发现

• CoreDNS 是一个灵活的，可扩展的DNS服务器，它能够作为Pod集群内的DNS进行安装。
• Ingress 提供基于Http协议的路由转发机制。

可视化&控制

• Dashboard 是Kubernetes的web用户界面。