从认识 Kubernetes 开始

news/2024/10/22 20:34:21

Author: ACatSmiling

Since: 2024-10-21

认识 Kubernetes

什么是 Kubernetes

官方网站：https://kubernetes.io

Kubernetes，是 Google 严格保密十几年的秘密武器 Borg 系统的一个开源版本，于 2014 年 9 月发布第一个版本，2015 年 7 月发布第一个正式版本。Kubernetes 是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案，提供了应用部署、规划、更新和维护的一种机制，用于管理云平台中多个主机上的容器化的应用，其目标是让部署容器化的应用简单且高效。

Kubernetes 这个名字源于希腊语，意为 "舵手" 或 "飞行员"，简称 K8s，是用 8 代替 8 个字符 "ubernete" 而成的缩写。

为什么需要 Kubernetes

应用部署的三大阶段：

  1. 传统部署

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  2. 虚拟化部署

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  3. 容器化部署

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Kubernetes 的本质是一组服务器集群，它可以在集群的每个节点上运行特定的程序，来对节点中的容器进行管理。目的是实现资源管理的自动化，主要提供了如下的主要功能：

  • 自我修复：一旦某一个容器崩溃，能够在 1 秒左右迅速启动新的容器。
  • 弹性伸缩：可以根据需要，自动对集群中正在运行的容器数量进行调整。
  • 服务发现：服务可以通过自动发现的形式找到它所依赖的服务。
  • 负载均衡：如果一个服务起动了多个容器，能够自动实现请求的负载均衡。
  • 版本回退：如果发现新发布的程序版本有问题，可以立即回退到原来的版本。
  • 存储编排：可以根据容器自身的需求自动创建存储卷。

集群架构与组件

Kubernetes vs Borg

Borg：

borg

Kubernetes：

architecture

相关组件

控制面板主件（Master）

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图解：

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节点组件（Node）

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图解：

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附加组件

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  • kube-dns：负责为整个集群提供 DNS 服务。
  • Ingress Controller：为服务提供外网入口。
  • Prometheus：提供资源监控。
  • Dashboard：提供 GUI。
  • Federation：提供跨可用区的集群。
  • Fluentd-elasticsearch：提供集群日志采集、存储和查询。

附加组件非强制要求安装，根据实际业务需求选择安装。

分层架构

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  • 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（RBAS、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。

图解：

kubernetes-layers

核心概念与专业术语

服务的分类

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无状态应用

无状态应用：不会对本地环境产生任何依赖，例如不会存储数据到本地磁盘。

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有状态应用

有状态应用：会对本地环境产生依赖，例如需要存储数据到本地磁盘。

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资源和对象

Kubernetes 中的所有内容都被抽象为资源，如 Pod、Service、Node 等都是资源。对象是资源的实例，是持久化的实体，如某个具体的 Pod、某个具体的 Node 等，Kubernetes 使用这些实体去表示整个集群的状态。

  • 对象的创建、删除和修改，都是通过 Kubernetes API，也就是 Api Service 组件提供的 API 接口。这些是 RESTFul 风格的 API，与 Kubernetes 的 "万物皆资源" 理念相符，命令行工具 kubectl，实际上也是调用 Kubernetes API。
  • Kubernetes 中的资源类别有很多种，kubectl 可以通过配置文件来创建 "对象"，配置文件更像是描述对象属性的文件。配置文件格式可以是 JSON 或者 YAML，常用 YAML。

资源的分类

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Kubernetes 中的资源，不仅限于集群级、命名空间级、元数据级这三种类型，此处的类型划分，更多是为了理解不同资源的使用方式。

集群级

集群级别的资源，作用于集群之上，集群下的所有资源都可以共享使用。

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  • Namespace：命名空间。
  • 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，但 Kubernetes 也只是去检查是否真的有这么一个 Node，如果检查失败，也不会往上调度 Pod。
  • ClusterRole：鉴权相关。
  • ClusterRoleBinding：鉴权相关。
命名空间级

命名空间级别的资源，作用于命名空间之上，通常只能在该命名空间范围内使用。

工作负载型

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Pod：是 Kubernetes 中最小的可部署单元，Pod 是容器组，一个 Pod 包含了一个应用程序容器（在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。

  • Pod 中的容器类型：Docker 是使用最广泛的容器引擎，但是 Kubernetes 在 1.24 版本后就不默认支持 Docker，而是使用 Containerd。
  • Pod 的两种使用途径：
    • 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，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。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。

如图所示，在容器化部署中，我们希望当两个容器有强依赖关系时，它们可以共享网络，或者是希望当两个容器有强依赖关系时，可以实现容器之间文件系统的共享。在没有 Pod 之前，可以通过一些方式实现，比如 --links 参数，或者两个容器共享同一个容器卷，但这些操作都比较麻烦。在 Pod 中，有一个 pause 容器，可以很好的实现网络、文件系统等的共享。

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Replicas：一个 Pod 可以被复制成多份，每一份可以称之为一个 "副本"。这些副本除了一些描述性的信息（Pod 的名字，uid 等）不一样外，其他信息都是一样的，例如 Pod 内部的容器、容器数量、容器里面运行的应用等这些信息，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 属性制定了特定 Pod 的副本的数量。如果当前集群中该 Pod 的数量与该属性指定的值不一样时，Kubernetes 会采取一些策略去使得当前状态满足配置的要求。

控制器：

  • 适用无状态服务：

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    • ReplicationController（RC）：RC 时 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，那就结束掉多的；如果实际 Pod 数量比指定的少，那就新启动一些 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，也应该使用 RC 来管理。可以说，通过 RC，Kubernetes 实现了 Pod 的高可用性。总之，RC 的主要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。

    • ReplicaSet（RS）：RC 在 v1.11 版本被废弃，Kubernetes 官方建议使用 RS 替代 RC 进行部署，RS 与 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。RS 可以通过 Selector，选择指定的 Pod 进行动态的更新副本数。

    • Deployment：在实际生产中，RC 和 RS 都不会使用，真正使用的是 Deployment，Deployment 是对 RS 更高层次的封装，提供了更丰富的部署相关的功能。

      • 创建 Replica Set / Pod。

      • 滚动升级/回滚：升级时，Deployment 基于 RS1，创建一个新的 RS2，在 RS2 中，运行新的 Pod（包含更新的内容），等新的 Pod 正常运行后（可用状态），将 RS1 中旧的 Pod 下线（不可用状态）。然后，在 RS2 中，继续运行一个新的 Pod（包含更新的内容），等待其达到可用状态后，将 RS1 中的第二个 Pod 下线（不可用状态）。至此，RS2 中的 Pod 都变为了可用状态，而 RS1 中的 Pod 都变为了不可用状态。这个升级过程是滚动的，对于用户是无感知的，无论什么时候，用户都可以正常使用服务。对于 RS1，会暂时保存不删除，如果需要回滚，则将 RS1 中的 Pod 依次启用，再依次下线 RS2 中的 Pod，最终达到全部回滚。

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      • 平滑扩容和缩容：基于 RS 实现的。

      • 暂停与恢复 Deployment。

  • 适用有状态服务：

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    • StatefulSet：对于有状态服务，需要考虑网络固定、数据不能丢失、服务部署的顺序得到保障。
      • 主要特点：
        • 稳定的持久化存储。
        • 稳定的网络标志。
        • 有序部署，有序扩展。
          • 即 Pod 是有顺序的，在部署或者扩展的时候，要依据定义的顺序依次进行（从 0 到 N-1，在下一个 Pod 运行之前，所有之前的 Pod 必须都是 Running 和 Ready 状态），基于 init containers 来实现。
        • 有序收缩，有序删除。
      • 组成：
        • Headless Service：用于有状态服务的 DNS 管理。DNS：Domain Name Server，域名服务，将域名与 IP 绑定映关系，即 "服务名 => 访问路径（域名）=> IP"。
          • StatefulSet 中每个 Pod 的 DNS 格式为 "statefulSetName-{0...N-1}.serviceName.namespace.svc.cluster.local"。
            • statefulSetName：是 StatefulSet 的名字。
            • 0...N-1：是 Pod 所在的序号，从 0 开始到 N-1。
            • serviceName：是 Headless Service 的名字。
            • namespace：是服务所在的 namespace，StatefulSet 和 Headless Service 必须在相同的 namespace。
            • cluster.local：是 Cluster Domain。
        • volumeClaimTemplate：用于创建持久化卷的模板。
      • 注意事项：
        • Kubernetes V1.5 版本以上才支持。
        • 所有 Pod 的 Volume 必须使用 PersistentVolume 或者是管理员事先创建好。
        • 为了保证数据安全，删除 StatefulSet 时不会删除 Volume。
        • StatefulSet 需要一个 Headless Service 来定义 DNS domain，需要在 StatefulSet 之前创建好。

  • 守护进程：

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

  • 任务/定时任务：

    • Job：一次性任务，运行完成后 Pod 销毁，不再重新启动新容器。
    • CronJob：在 Job 的基础上，增加了定时功能。
服务发现

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  • 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
存储

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  • 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。
  • CSI：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。
特殊类型配置

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  • ConfigMap
  • Secret
  • DownwardAPI
其他

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  • Role
  • RoleBinding
元数据级

元数据级别的资源，对于资源的元数据描述，每一个资源都可以使用元空间的数据。

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  • Horizontal Pod Autoscaler（HPA）：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 参数修改）查询 metrics 的资源使用情况。
    • 支持三种 metrics 类型：
      • 预定义 metrics：以利用率的方式计算，比如 Pod 的 CPU。
      • 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。
  • PodTemplate：PodTemplate 时关于 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 PodTemplate 信息来创建 Pod。
  • 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。

资源的清单

参数名 类型 字段说明
apiVersion String Kubernetes API 的版本，可以用kubectl api versions命令查询
kind String yaml 文件定义的资源类型和角色
metadata Object 元数据对象，下面是它的属性
metadata.name String 元数据对象的名字，比如 Pod 的名字
metadata.namespace String 元数据对象的命名空间
Spec Object 详细定义对象
spec.containers[] list 定义 Spec 对象的容器列表
spec.containers[].name String 为列表中的某个容器定义名称
spec.containers[].image String 为列表中的某个容器定义需要的镜像名称
spec.containers[].imagePullPolicy string 定义镜像拉取策略，可选值为 Always、Never、IfNotPresent，默认值为 Always。
- Always：意思是每次都尝试重新拉取镜像。
- Never：表示仅适用本地镜像。
- IfNotPresent：如果本地有镜像就使用本地镜像，没有就拉取在线镜像。
spec.containers[].command[] list 指定容器启动命令，因为是数组可以指定多个，不指定则使用镜像打包时使用的启动命令
spec.containers[].args[] list 指定容器启动命令参数，因为是数组可以指定多个
spec.containers[].workingDir string 指定容器的工作目录
spec.containers[].volumeMounts[] list 指定容器内部的存储卷配置
spec.containers[].volumeMounts[].name string 指定可以被容器挂载的存储卷的名称
spec.containers[].volumeMounts[].mountPath string 指定可以被容器挂载的存储卷的路径
spec.containers[].volumeMounts[].readOnly string 设置存储卷路径的读写模式，ture 或者 false，默认是读写模式
spec.containers[].ports[] list 指定容器需要用到的端口列表
spec.containers[].ports[].name string 指定端口的名称
spec.containers[].ports[].containerPort string 指定容器需要监听的端口号
spec.containers[].ports[].hostPort string 指定容器所在主机需要监听的端口号，默认跟上面 containerPort 相同，注意设置了 hostPort 同一台主机无法启动该容器的相同副本（因为主机的端口号不能相同，这样会冲突）
spec.containers[].ports[].protocol string 指定端口协议，支持 TCP 和 UDP，默认值为 TCP
spec.containers[].env[] list 指定容器运行前需设置的环境变量列表
spec.containers[].env[].name string 指定环境变量名称
spec.containers[].env[].value string 指定环境变量值
spec.containers[].resources Object 指定资源限制和资源请求的值（这里开始就是设置容器的资源上限）
spec.containers[].resources.limits Object 指定设置容器运行时资源的运行上限
spec.containers[].resources.limits.cpu string 指定 CPU 的限制，单位为 Core 数，将用于 docker run –cpu-shares 参数
spec.containers[].resources.limits.memory string 指定 memory 内存的限制，单位为 MIB、GiB
spec.containers[].resources.requests Object 指定容器启动和调度时的限制设置
spec.containers[].resources.requests.cpu string CPU 请求，单位为 Core 数，容器启动时初始化可用数量
spec.containers[].resources.requests.memory string 内存请求，单位为 MIB、GiB，容器启动的初始化可用数量
spec.restartPolicy string 定义 Pod 的重启策略，可选值为 Always、OnFailure、Never，默认值为 Always。
- Always：Pod 一旦终止运行，则无论容器是如何终止的，kubelet 服务都将重启它。
- OnFailure：只有 Pod 以非零退出码终止时，kubelet 才会重启该容器。如果容器正常结束（退出码为 0），则 kubectl 将不会重启它。 - Never：Pod 终止后，kubelet 将退出码报告给 master，不会重启该 Pod。
spec.nodeSelector Object 定义 Node 的 label 过滤标签，以 "key: value" 格式指定
spec.imagePullSecrets Object 定义 pull 镜像时使用 secret 名称，以 "name: secretkey" 格式指定
spec.hostNetwork Boolean 定义是否使用主机网络模式，默认值为 false。设置 true 表示使用宿主机网络，不使用 docker 网桥，同时设置了 true 将无法在同一台宿主机上启动第二个副本

上表为部分参数。

对象的规约和状态

规约（Spec）

Spec 是规约、规格的意思，spec 是必需的，它描述了对象的期望状态（Desired State） —— 即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，例如名称等。

状态（Status）

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

原文链接

https://github.com/ACatSmiling/zero-to-zero/blob/main/Operation/kubernetes.md

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