Kubernetes 简介

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目录

1、概念介绍

应用部署的演变

Kubernetes 架构图

分层架构

2、Kubernetes 组件

控制面板组件

节点组件

附加组件

3、资源 & 对象

元数据型

集群级

4、命令空间级

Pod

服务发现

存储

配置

其他

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1、概念介绍

Kubernetes 是一个开源的，用于管理云平台中多个主机上的容器化的应用，Kubernetes 的目标是让部署容器化的应用简单并且高效（powerful），Kubernetes 提供了应用部署，规划，更新，维护的一种机制。

Kubernetes 这个名字源于希腊语，意为“舵手”或“飞行员”。k8s 这个缩写是因为 k 和 s 之间有八个字符的关系。 Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目。 Kubernetes 建立在 Google 大规模运行生产工作负载十几年经验的基础上， 结合了社区中最优秀的想法和实践。

应用部署的演变

在部署应用程序的方式上，主要经历了三个时代：

① 传统部署：互联网早期，会直接将应用程序部署在物理机上

• 优点：简单，不需要其它技术的参与
• 缺点：不能为应用程序定义资源使用边界，很难合理地分配计算资源，而且程序之间容易产生影响

② 虚拟化部署：可以在一台物理机上运行多个虚拟机，每个虚拟机都是独立的一个环境

• 优点：程序环境不会相互产生影响，提供了一定程度的安全性
• 缺点：增加了操作系统，浪费了部分资源

③ 容器化部署：与虚拟化类似，但是共享了操作系统。优点如下：

• 可以保证每个容器拥有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等
• 运行应用程序所需要的资源都被容器包装，并和底层基础架构解耦
• 容器化的应用程序可以跨云服务商、跨Linux操作系统发行版进行部署

容器化部署方式给带来很多的便利，但是也会出现一些问题，比如说：

• 一个容器故障停机了，怎么样让另外一个容器立刻启动去替补停机的容器
• 当并发访问量变大的时候，怎么样做到横向扩展容器数量

这些容器管理的问题统称为容器编排问题，为了解决这些容器编排问题，就产生了一些容器编排的软件：

• Swarm：Docker自己的容器编排工具
• Mesos：Apache的一个资源统一管控的工具，需要和Marathon结合使用
• Kubernetes：Google开源的的容器编排工具

Kubernetes 架构图

分层架构

生态系统	在接口层之上的庞大容器集群管理调度的生态系统，可以划分为两个范畴： Kubernetes 外部：日志、监控、配置管理、CI、CD、Workflow、FaaS、OTS 应用、ChatOps 等 Kubernetes 内部：CRI、CNI、CVI、镜像仓库、Cloud Provider、集群自身的配置和管理等
接口层	kubectl 命令行工具、客户端 SDK 以及集群联邦
管理层	系统度量（如基础设施、容器和网络的度量），自动化（如自动扩展、动态 Provision 等）以及策略管理（RBAC、Quota、PSP、NetworkPolicy 等）
应用层	部署（无状态应用、有状态应用、批处理任务、集群应用等）和路由（服务发现、DNS 解析等）
核心层	Kubernetes 最核心的功能，对外提供 API 构建高层的应用，对内提供插件式应用执行环境

2、Kubernetes 组件

控制面板组件

① kube-apiserver

API 服务器是 Kubernetes 控制平面 的组件， 该组件负责公开了 Kubernetes API，负责处理接受请求的工作。 API 服务器是 Kubernetes 控制平面的前端。

Kubernetes API 服务器的主要实现是 kube-apiserver。 kube-apiserver 设计上考虑了水平扩缩，也就是说，它可通过部署多个实例来进行扩缩。 你可以运行 kube-apiserver 的多个实例，并在这些实例之间平衡流量。

② kube-controller-manager

kube-controller-manager 是控制平面的组件， 负责运行控制器进程。从逻辑上讲， 每个控制器都是一个单独的进程， 但是为了降低复杂性，它们都被编译到同一个可执行文件，并在同一个进程中运行。

这些控制器包括：

• 节点控制器（Node Controller）：负责在节点出现故障时进行通知和响应
• 任务控制器（Job Controller）：监测代表一次性任务的 Job 对象，然后创建 Pods 来运行这些任务直至完成
• 端点分片控制器（EndpointSlice controller）填充端点分片（EndpointSlice）对象（以提供 Service 和 Pod 之间的链接）
• 服务账号控制器（ServiceAccount controller）：为新的命名空间创建默认的服务账号（ServiceAccount）

③ cloud-controller-manager

嵌入了特定于云平台的控制逻辑。 云控制器管理器（Cloud Controller Manager）允许你将你的集群连接到云提供商的 API 之上， 并将与该云平台交互的组件同与你的集群交互的组件分离开来。

cloud-controller-manager 仅运行特定于云平台的控制器。 因此如果你在自己的环境中运行 Kubernetes，或者在本地计算机中运行学习环境， 所部署的集群不需要有云控制器管理器。

与 kube-controller-manager 类似，cloud-controller-manager 将若干逻辑上独立的控制回路组合到同一个可执行文件中， 供你以同一进程的方式运行。 你可以对其执行水平扩容（运行不止一个副本）以提升性能或者增强容错能力。

④ kube-scheduler

scheduler 负责资源的调度，按照预定的调度策略将 Pod 调度到相应的机器上；

⑤ etcd

一致且高度可用的键值存储，用作 Kubernetes 的所有集群数据的后台数据库。

如果你的 Kubernetes 集群使用 etcd 作为其后台数据库， 请确保你针对这些数据有一份 备份计划。

你可以在官方文档中找到有关 etcd 的深入知识。早期数据存放在内存，现在已经是持久化存储的了。

节点组件

① Kubelet

kubelet 负责维护容器的生命周期，同时也负责 Volume（CVI）和网络（CNI）的管理；

② Kube-proxy

kube-proxy 负责为 Service 提供 cluster 内部的服务发现和负载均衡；

③ Container runtime

Container runtime 负责镜像管理以及 Pod 和容器的真正运行（CRI）；
Kubernetes 支持许多容器运行环境，例如 containerd、 CRI-O 以及 Kubernetes CRI (容器运行环境接口) 的其他任何实现。

附加组件

附加组件	职责
kube-dns	kube-dns 负责为整个集群提供 DNS 服务
Ingress Controller	Ingress Controller 为服务提供外网入口
Promethus	Prometheus 提供资源监控
Dashboard	Dashboard 提供 GUI
Federation	Federation 提供跨可用区的集群
Fluentd-elasticsearch	Fluentd-elasticsearch 提供集群日志采集、存储与查询

3、资源 & 对象

对象规约（Spec）：它描述了对象的期望状态（Desired State）—— 希望对象所具有的特征。当创建 Kubernetes 对象时，必须提供对象的规约，用来描述该对象的期望状态，以及关于对象的一些基本信息。

对象状态：表示对象的实际状态，该属性由 k8s 自己维护，k8s 会通过一系列的控制器对对应对象进行管理，让对象尽可能的让实际状态与期望状态重合。

元数据型

① Horizontal Pod Autoscaler

Pod 自动扩容：可以根据 CPU 使用率或自定义指标（metrics）自动对 Pod 进行扩/缩容。

• 控制管理器每隔30s（可以通过–horizontal-pod-autoscaler-sync-period修改）查询metrics的资源使用情况
• 支持三种metrics类型

• • 预定义metrics（比如Pod的CPU）以利用率的方式计算
  • 自定义的Pod metrics，以原始值（raw value）的方式计算
  • 自定义的object metrics

• 支持两种metrics查询方式：Heapster和自定义的REST API
• 支持多metrics

② Pod Template

Pod Template 是关于 Pod 的定义，但是被包含在其他的 Kubernetes 对象中（例如 Deployment、StatefulSet、DaemonSet 等控制器）。控制器通过 Pod Template 信息来创建 Pod。

③ LimitRange

可以对集群内 Request 和 Limits 的配置做一个全局的统一的限制，相当于批量设置了某一个范围内（某个命名空间）的 Pod 的资源使用限制。

集群级

① Namespace

Kubernetes 支持多个虚拟集群，它们底层依赖于同一个物理集群，这些虚拟集群被称为命名空间。作用是用于实现多团队/环境的资源隔离。命名空间 namespace 是 k8s 集群级别的资源，可以给不同的用户、租户、环境或项目创建对应的命名空间。
默认 namespace：

• kube-system 主要用于运行系统级资源，存放 k8s 自身的组件
• kube-public 此命名空间是自动创建的，并且可供所有用户（包括未经过身份验证的用户）读取。此命名空间主要用于集群使用，关联的一些资源在集群中是可见的并且可以公开读取。此命名空间的公共方面知识一个约定，但不是非要这么要求。
• default 未指定名称空间的资源就是 default，即你在创建pod 时如果没有指定 namespace，则会默认使用 default

② Node

不像其他的资源（如 Pod 和 Namespace），Node 本质上不是Kubernetes 来创建的，Kubernetes 只是管理 Node 上的资源。虽然可以通过 Manifest 创建一个Node对象（如下 json 所示），但 Kubernetes 也只是去检查是否真的是有这么一个 Node，如果检查失败，也不会往上调度 Pod。

③ ClusterRole

ClusterRole 是一组权限的集合，但与 Role 不同的是，ClusterRole 可以在包括所有 Namespace 和集群级别的资源或非资源类型进行鉴权。

④ ClusterRoleBinding

ClusterRoleBinding 将 Subject 绑定到 ClusterRole，ClusterRoleBinding 将使规则在所有命名空间中生效。

4、命令空间级

Pod

Pod（容器组）是 Kubernetes 中最小的可部署单元。一个 Pod（容器组）包含了一个应用程序容器（某些情况下是多个容器）、存储资源、一个唯一的网络 IP 地址、以及一些确定容器该如何运行的选项。Pod 容器组代表了 Kubernetes 中一个独立的应用程序运行实例，该实例可能由单个容器或者几个紧耦合在一起的容器组成。

Docker 是 Kubernetes Pod 中使用最广泛的容器引擎；Kubernetes Pod 同时也支持其他类型的容器引擎。
Kubernetes 集群中的 Pod 存在如下两种使用途径：

• 一个 Pod 中只运行一个容器。"one-container-per-pod" 是 Kubernetes 中最常见的使用方式。此时，您可以认为 Pod 容器组是该容器的 wrapper，Kubernetes 通过 Pod 管理容器，而不是直接管理容器。
• 一个 Pod 中运行多个需要互相协作的容器。您可以将多个紧密耦合、共享资源且始终在一起运行的容器编排在同一个 Pod 中。

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先引入“副本”的概念——一个 Pod 可以被复制成多份，每一份可被称之为一个“副本”，这些“副本”除了一些描述性的信息（Pod 的名字、uid 等）不一样以外，其它信息都是一样的，譬如 Pod 内部的容器、容器数量、容器里面运行的应用等的这些信息都是一样的，这些副本提供同样的功能。
Pod 的“控制器”通常包含一个名为 “replicas” 的属性。“replicas”属性则指定了特定 Pod 的副本的数量，当当前集群中该 Pod 的数量与该属性指定的值不一致时，k8s 会采取一些策略去使得当前状态满足配置的要求。

① 无状态服务控制器

ReplicationController（RC）	Replication Controller 简称 RC，RC 是 Kubernetes 系统中的核心概念之一，简单来说，RC 可以保证在任意时间运行 Pod 的副本数量，能够保证 Pod 总是可用的。如果实际 Pod 数量比指定的多那就结束掉多余的，如果实际数量比指定的少就新启动一些Pod，当 Pod 失败、被删除或者挂掉后，RC 都会去自动创建新的 Pod 来保证副本数量，所以即使只有一个 Pod，我们也应该使用 RC 来管理我们的 Pod。可以说，通过 ReplicationController，Kubernetes 实现了 Pod 的高可用性。
ReplicateSet（RS）	RC （ReplicationController ）主要的作用就是用来确保容器应用的副本数始终保持在用户定义的副本数 。即如果有容器异常退出，会自动创建新的 Pod 来替代；而如果异常多出来的容器也会自动回收（已经成为过去时），在 v1.11 版本废弃。 Kubernetes 官方建议使用 RS（ReplicaSet ） 替代 RC （ReplicationController ） 进行部署，RS 跟 RC 没有本质的不同，只是名字不一样，并且 RS 支持集合式的 selector。
Deployment	Deployment 为 Pod 和 Replica Set 提供声明式更新。 你只需要在 Deployment 中描述你想要的目标状态是什么，Deployment controller 就会帮你将 Pod 和 Replica Set 的实际状态改变到你的目标状态。你可以定义一个全新的 Deployment，也可以创建一个新的替换旧的 Deployment。 优点：创建ReplicaSet/Pod、滚动升级/回滚、平滑扩容和缩容、暂停与恢复Deployment

② 有状态服务控制器

③ 守护进程控制器

DaemonSet 保证在每个 Node 上都运行一个容器副本，用来部署一些集群的日志、监控或者其他系统管理应用。典型应用包括：

• 日志收集，比如 fluentd，logstash 等
• 系统监控，比如 Prometheus Node Exporter，collectd，New Relic agent，Ganglia gmond 等
• 系统程序，比如 kube-proxy, kube-dns, glusterd, ceph 等

④ 任务/定时任务控制器

Job：一次性任务，运行完成后Pod销毁，不再重新启动新容器。 CronJob： 是在 Job 基础上加上了定时功能。

服务发现

Service	“Service” 简写 “svc”。Pod 不能直接提供给外网访问，而是应该使用 service。Service 就是把 Pod 暴露出来提供服务，Service 才是真正的“服务”，它的中文名就叫“服务”。 可以说 Service 是一个应用服务的抽象，定义了 Pod 逻辑集合和访问这个 Pod 集合的策略。Service 代理 Pod 集合，对外表现为一个访问入口，访问该入口的请求将经过负载均衡，转发到后端 Pod 中的容器。
Ingress	Ingress 可以提供外网访问 Service 的能力。可以把某个请求地址映射、路由到特定的 service。 ingress 需要配合 ingress controller 一起使用才能发挥作用，ingress 只是相当于路由规则的集合而已，真正实现路由功能的，是 Ingress Controller，ingress controller 和其它 k8s 组件一样，也是在 Pod 中运行。

存储

Volume：数据卷，共享 Pod 中容器使用的数据。用来放持久化的数据，比如数据库数据。

Container Storage Interface 是由来自 Kubernetes、Mesos、Docker 等社区成员联合制定的一个行业标准接口规范，旨在将任意存储系统暴露给容器化应用程序。CSI 规范定义了存储提供商实现 CSI 兼容的 Volume Plugin 的最小操作集和部署建议。CSI 规范的主要焦点是声明 Volume Plugin 必须实现的接口。

配置

ConfigMap	用来放配置，与 Secret 是类似的，只是 ConfigMap 放的是明文的数据，Secret 是密文存放。
Secret	Secret 解决了密码、token、密钥等敏感数据的配置问题，而不需要把这些敏感数据暴露到镜像或者 Pod Spec 中。Secret 可以以 Volume 或者环境变量的方式使用。 Secret 有三种类型： Service Account：用来访问 Kubernetes API，由 Kubernetes 自动创建，并且会自动挂载到 Pod 的 /run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount 目录中； Opaque：base64 编码格式的 Secret，用来存储密码、密钥等； kubernetes.io/dockerconfigjson：用来存储私有 docker registry 的认证信息。
DownwardAPI	downwardAPI 这个模式和其他模式不一样的地方在于它不是为了存放容器的数据也不是用来进行容器和宿主机的数据交换的，而是让 pod 里的容器能够直接获取到这个 pod 对象本身的一些信息。 downwardAPI 提供了两种方式用于将 pod 的信息注入到容器内部： 环境变量：用于单个变量，可以将 pod 信息和容器信息直接注入容器内部 volume 挂载：将 pod 信息生成为文件，直接挂载到容器内部中去

其他

Role	Role 是一组权限的集合，例如 Role 可以包含列出 Pod 权限及列出 Deployment 权限，Role 用于给某个 Namespace 中的资源进行鉴权。
RoleBinding	RoleBinding ：将 Subject 绑定到 Role，RoleBinding 使规则在命名空间内生效。