kubernetes（k8s）与其架构

1. kubernetes简介

kubernetes，简称K8s，是用8代替8个字符“ubernete”而成的缩写。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。

　　传统的应用部署方式是通过插件或脚本来安装应用。这样做的缺点是应用的运行、配置、管理、所有生存周期将与当前操作系统绑定，这样做并不利于应用的升级更新/回滚等操作，当然也可以通过创建虚拟机的方式来实现某些功能，但是虚拟机非常重，并不利于可移植性。

　　新的方式是通过部署容器方式实现，每个容器之间互相隔离，每个容器有自己的文件系统 ，容器之间进程不会相互影响，能区分计算资源。相对于虚拟机，容器能快速部署，由于容器与底层设施、机器文件系统解耦的，所以它能在不同云、不同版本操作系统间进行迁移。

　　容器占用资源少、部署快，每个应用可以被打包成一个容器镜像，每个应用与容器间成一对一关系也使容器有更大优势，使用容器可以在build或release 的阶段，为应用创建容器镜像，因为每个应用不需要与其余的应用堆栈组合，也不依赖于生产环境基础结构，这使得从研发到测试、生产能提供一致环境。类似地，容器比虚拟机轻量、更“透明”，这更便于监控和管理。

——摘自百度百科

Kubernetes (K8s) 是 Google 在 2014 年发布的一个开源项目。据说 Google 的数据中心里运行着超过 20 亿个容器，而且 Google 十年前就开始使用容器技术。最初，Google 开发了一个叫 Borg 的系统（现在命令为 Omega）来调度如此庞大数量的容器和工作负载。在积累了这么多年的经验后，Google 决定重写这个容器管理系统，并将其贡献到开源社区，让全世界都能受益。

　　这个项目就是 Kubernetes。简单的讲，Kubernetes 是 Google Omega 的开源版本。

　　从 2014 年第一个版本发布以来，Kubernetes 迅速获得开源社区的追捧，包括 Red Hat、VMware、Canonical 在内的很多有影响力的公司加入到开发和推广的阵营。目前 Kubernetes 已经成为发展最快、市场占有率最高的容器编排引擎产品。 Kubernetes 一直在快速地开发和迭代。

2. kubernetes的重要概念

在实践之前，必须先学习 Kubernetes 的几个重要概念，它们是组成 Kubernetes 集群的基石。

1> Cluster

　　Cluster 是计算、存储和网络资源的集合，Kubernetes 利用这些资源运行各种基于容器的应用。

 

2> Master

　　Master 是 Cluster 的大脑，它的主要职责是调度，即决定将应用放在哪里运行。Master 运行 Linux 操作系统，可以是物理机或者虚拟机。为了实现高可用，可以运行多个 Master。

 

3> Node

　　Node 的职责是运行容器应用。Node 由 Master 管理，Node 负责监控并汇报容器的状态，并根据 Master 的要求管理容器的生命周期。Node 运行在 Linux 操作系统，可以是物理机或者是虚拟机。

 

4> Pod

　　Pod 是 Kubernetes 的最小工作单元。每个 Pod 包含一个或多个容器。Pod 中的容器会作为一个整体被 Master 调度到一个 Node 上运行。

Kubernetes 引入 Pod 主要基于下面两个目的：

1) 可管理性。

　　有些容器天生就是需要紧密联系，一起工作。Pod 提供了比容器更高层次的抽象，将它们封装到一个部署单元中。Kubernetes 以 Pod 为最小单位进行调度、扩展、共享资源、管理生命周期。

2) 通信和资源共享。

　　Pod 中的所有容器使用同一个网络 namespace，即相同的 IP 地址和 Port 空间。它们可以直接用 localhost 通信。同样的，这些容器可以共享存储，当 Kubernetes 挂载 volume 到 Pod，本质上是将 volume 挂载到 Pod 中的每一个容器。

 

Pods 有两种使用方式：

1) 运行单一容器。

　　one-container-per-Pod 是 Kubernetes 最常见的模型，这种情况下，只是将单个容器简单封装成 Pod。即便是只有一个容器，Kubernetes 管理的也是 Pod 而不是直接管理容器。

2) 运行多个容器。

　　哪些容器应该放到一个 Pod 中？ 这些容器联系必须 非常紧密，而且需要 直接共享资源。

　　举个例子，下面这个 Pod 包含两个容器：一个 File Puller，一个是 Web Server。

　　File Puller 会定期从外部的 Content Manager 中拉取最新的文件，将其存放在共享的 volume 中。Web Server 从 volume 读取文件，响应 Consumer 的请求。

　　这两个容器是紧密协作的，它们一起为 Consumer 提供最新的数据；同时它们也通过 volume 共享数据。所以放到一个 Pod 是合适的。

　　再来看一个反例：是否需要将 Tomcat 和 MySQL 放到一个 Pod 中？

　　Tomcat 从 MySQL 读取数据，它们之间需要协作，但还不至于需要放到一个 Pod 中一起部署，一起启动，一起停止。同时它们是之间通过 JDBC 交换数据，并不是直接共享存储，所以放到各自的 Pod 中更合适。

 

5> Controller

　　Kubernetes 通常不会直接创建 Pod，而是通过 Controller 来管理 Pod 的。Controller 中定义了 Pod 的部署特性，比如有几个副本，在什么样的 Node 上运行等。为了满足不同的业务场景，Kubernetes 提供了多种 Controller，包括 Deployment、ReplicaSet、DaemonSet、StatefuleSet、Job 等，我们逐一讨论。

 

1) Deployment

　　是最常用的 Controller，比如前面在线教程中就是通过创建 Deployment 来部署应用的。Deployment 可以管理 Pod 的多个副本，并确保 Pod 按照期望的状态运行。

 

2) ReplicaSet

　　实现了 Pod 的多副本管理。使用 Deployment 时会自动创建 ReplicaSet，也就是说 Deployment 是通过 ReplicaSet 来管理 Pod 的多个副本，我们通常不需要直接使用 ReplicaSet。

 

3) DaemonSet

　　用于每个 Node 最多只运行一个 Pod 副本的场景。正如其名称所揭示的，DaemonSet 通常用于运行 daemon。

4) StatefuleSet

　　能够保证 Pod 的每个副本在整个生命周期中名称是不变的。而其他 Controller 不提供这个功能，当某个 Pod 发生故障需要删除并重新启动时，Pod 的名称会发生变化。同时 StatefuleSet 会保证副本按照固定的顺序启动、更新或者删除。

5) Job

　　用于运行结束就删除的应用。而其他 Controller 中的 Pod 通常是长期持续运行。

6> Service

　　Deployment 可以部署多个副本，每个 Pod 都有自己的 IP， Kubernetes Service 定义了外界访问一组特定 Pod 的方式。Service 有自己的 IP 和端口，Service 为 Pod 提供了负载均衡。Kubernetes 运行容器（Pod）与访问容器（Pod）这两项任务分别由 Controller 和 Service 执行。

 

7> Namespace

　　如果有多个用户或项目组使用同一个 Kubernetes Cluster，如何将他们创建的 Controller、Pod 等资源分开呢？用Namespace。

　　Namespace 可以将一个物理的 Cluster 逻辑上划分成多个虚拟 Cluster，每个 Cluster 就是一个 Namespace。不同 Namespace 里的资源是完全隔离的。

　　Kubernetes 默认创建了三个 Namespace。

　　default -- 创建资源时如果不指定，将被放到这个 Namespace 中。

　　kube-system -- Kubernetes 自己创建的系统资源将放到这个 Namespace 中。

　　kube-public -- Kubernetes 公共的系统资源将放到这个 Namespace 中。

3. kubernetes架构

　　Kubernetes Cluster 由 Master 和 Node 组成，节点上运行着若干 Kubernetes 服务。

1> Master 节点

　　Master 是 Kubernetes Cluster 的大脑，运行着如下 Daemon 服务：kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager、etcd 和 Pod 网络（例如 flannel）。

API Server（kube-apiserver）

　　API Server 提供 HTTP/HTTPS RESTful API，即 Kubernetes API。API Server 是 Kubernetes Cluster 的前端接口，各种客户端工具（CLI 或 UI）以及 Kubernetes 其他组件可以通过它管理 Cluster 的各种资源。

 

Scheduler（kube-scheduler）

　　Scheduler 负责决定将 Pod 放在哪个 Node 上运行。Scheduler 在调度时会充分考虑 Cluster 的拓扑结构，当前各个节点的负载，以及应用对高可用、性能、数据亲和性的需求。

 

Controller Manager（kube-controller-manager）

　　Controller Manager 负责管理 Cluster 各种资源，保证资源处于预期的状态。Controller Manager 由多种 controller 组成，包括 replication controller、endpoints controller、namespace controller、serviceaccounts controller 等。

不同的 controller 管理不同的资源。例如 replication controller 管理 Deployment、StatefulSet、DaemonSet 的生命周期，namespace controller 管理 Namespace 资源。

 

etcd(数据库)

　　etcd 负责保存 Kubernetes Cluster 的配置信息和各种资源的状态信息。当数据发生变化时，etcd 会快速地通知 Kubernetes 相关组件。

 

Pod 网络

　　Pod 要能够相互通信，Kubernetes Cluster 必须部署 Pod 网络，flannel 是其中一个可选方案。

2> node节点

　　Node 是 Pod 运行的地方，Kubernetes 支持 Docker、rkt 等容器 Runtime。 Node上运行的 Kubernetes 组件有 kubelet、kube-proxy 和 Pod 网络（例如 flannel）。

kubelet

　　kubelet 是 Node 的 agent，当 Scheduler 确定在某个 Node 上运行 Pod 后，会将 Pod 的具体配置信息（image、volume 等）发送给该节点的 kubelet，kubelet 根据这些信息创建和运行容器，并向 Master 报告运行状态。

 

kube-proxy

　　service 在逻辑上代表了后端的多个 Pod，外界通过 service 访问 Pod。service 接收到的请求是如何转发到 Pod 的呢？这就是 kube-proxy 要完成的工作。

　　每个 Node 都会运行 kube-proxy 服务，它负责将访问 service 的 TCP/UPD 数据流转发到后端的容器。如果有多个副本，kube-proxy 会实现负载均衡。

 

Pod 网络

　　Pod 要能够相互通信，Kubernetes Cluster 必须部署 Pod 网络，flannel 是其中一个二层可选方案，三层的为calico。

完整的架构图

结合实验环境，我们得到了如下的架构图：