Kubernetes架构学习笔记

Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统，其提供应用部署、维护、 扩展机制等功能，利用Kubernetes能方便地管理跨机器运行容器化的应用，是Docker分布式系统的解决方案。k8s里所有的资源都可以用yaml或Json定义。


Kubernetes是一个开源平台，用于跨主机群集自动部署，扩展和操作应用程序容器，提供以容器为中心的基础架构。

使用Kubernetes，您可以快速高效地响应客户需求：
•快速，可预测地部署应用程序。
•在运行中扩展应用程序。
•无缝推出新功能。
•仅使用您需要的资源来优化硬件的使用。

我们的目标是建立一个组件和工具的生态系统，以减轻在公共云和私有云中运行应用程序的负担。

Kubernetes是：

Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统，实现基于Docker构建容器，利用Kubernetes能很方面管理多台Docker主机中的容器。

主要功能如下：

1）将多台Docker主机抽象为一个资源，以集群方式管理容器，包括任务调度、资源管理、弹性伸缩、滚动升级等功能。

2）使用编排系统（YAML File）快速构建容器集群，提供负载均衡，解决容器直接关联及通信问题

3）自动管理和修复容器，简单说，比如创建一个集群，里面有十个容器，如果某个容器异常关闭，那么，会尝试重启或重新分配容器，始终保证会有十个容器在运行，反而杀死多余的。

kubernetes角色组成：

1）Pod

Pod是kubernetes的最小操作单元，一个Pod可以由一个或多个容器组成；

同一个Pod只能运行在同一个主机上，共享相同的volumes、network、namespace；

2）ReplicationController（RC）

RC用来管理Pod，一个RC可以由一个或多个Pod组成，在RC被创建后，系统会根据定义好的副本数来创建Pod数量。在运行过程中，如果Pod数量小于定义的，就会重启停止的或重新分配Pod，反之则杀死多余的。当然，也可以动态伸缩运行的Pods规模。

RC通过label关联对应的Pods，在滚动升级中，RC采用一个一个替换要更新的整个Pods中的Pod。

3）Service

Service定义了一个Pod逻辑集合的抽象资源，Pod集合中的容器提供相同的功能。集合根据定义的Label和selector完成，当创建一个Service后，会分配一个Cluster IP，这个IP与定义的端口提供这个集合一个统一的访问接口，并且实现负载均衡。

4）Label

Label是用于区分Pod、Service、RC的key/value键值对；

Pod、Service、RC可以有多个label，但是每个label的key只能对应一个；

主要是将Service的请求通过lable转发给后端提供服务的Pod集合；

kubernetes组件组成：

1）kubectl

客户端命令行工具，将接受的命令格式化后发送给kube-apiserver，作为整个系统的操作入口。

2）kube-apiserver

作为整个系统的控制入口，以REST API服务提供接口。

3）kube-controller-manager

用来执行整个系统中的后台任务，包括节点状态状况、Pod个数、Pods和Service的关联等。

4）kube-scheduler

负责节点资源管理，接受来自kube-apiserver创建Pods任务，并分配到某个节点。

5）etcd

负责节点间的服务发现和配置共享。

6）kube-proxy

运行在每个计算节点上，负责Pod网络代理。定时从etcd获取到service信息来做相应的策略。

7）kubelet

运行在每个计算节点上，作为agent，接受分配该节点的Pods任务及管理容器，周期性获取容器状态，反馈给kube-apiserver。



1.1 Kubernetes是什么
1.首先，它是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案；
2.其次，Kubernetes是一个开放的开发平台；
3.最后，Kubernetes是一个完备的分布式系统支撑平台。

1.2 为什么要用Kubernetes

使用Kubernetes的理由很多，最根本的一个理由就是：IT从来都是一个由新技术驱动的行业。
使用Kubernetes所带来的好处：
1.首先，最直接的感受就是我们可以“轻装上阵”地开发复杂系统了；
2.其次，使用Kubernetes就是在全面拥抱微服务架构；
3.然后，我们的系统可以随时随地整体“搬迁”到公有云上；
4.最后，Kubernetes系统架构具备了超强的横向扩容能力。

1.3 Kubernetes基本概念和术语

在Kubernetes中，Node、Pod、Replication Controller、Service等概念都可以看作一种资源对象，通过Kubernetes提供的Kubectl工具或者API调用进行操作，并保存在etcd中。

1.3.1 Node（节点）

Node（节点）是Kubernetes集群中相对于Master而言的工作主机，在较早的版本中也被称为Minion。Node可以是一台物理主机，也可以是一台虚拟机（VM）。在每个Node上运行用于启动和管理Pid的服务Kubelet，并能够被Master管理。在Node上运行的服务进行包括Kubelet、kube-proxy和docker daemon。

Node信息如下：
1.Node地址：主机的IP地址，或者Node ID。
2.Node运行状态：包括Pending、Running、Terminated三种状态。
3.Node Condition（条件）：描述Running状态Node的运行条件，目前只有一种条件----Ready。Ready表示Node处于健康状态，可以接收从Master发来的创建Pod的指令。
4.Node系统容量：描述Node可用的系统资源，包括CPU、内存数量、最大可调度Pod数量等。
5.其他：Node的其他信息，包括实例的内核版本号、Kubernetes版本号、Docker版本号、操作系统名称等。

1. Node的管理

Node通常是物理机、虚拟机或者云服务商提供的资源，并不是由Kubernetes创建的。我们说Kubernetes创建一个Node，仅仅表示Kubernetes在系统内部创建了一个Node对象，创建后即会对其进行一系列健康检查，包括是否可以连通、服务是否正确启动、是否可以创建Pod等。如果检查未能通过，则该Node将会在集群中被标记为不可用（Not Ready）。

2. 使用Node Controller对Node进行管理

Node Controller是Kubernetes Master中的一个组件，用于管理Node对象。它的两个主要功能包括：集群范围内的Node信息同步，以及单个Node的生命周期管理。
Node信息同步可以通过kube-controller-manager的启动参数--node-sync-period设置同步的时间周期。

3. Node的自注册

当Kubelet的--register-node参数被设置为true（默认值即为true）时，Kubelet会向apiserver注册自己。这也是Kubernetes推荐的Node管理方式。

Kubelet进行自注册的启动参数如下：
1.--apiservers=: apiserver地址；
2.--kubeconfig=: 登录apiserver所需凭据/证书的目录；
3.--cloud_provider=: 云服务商地址，用于获取自身的metadata；
4.--register-node=: 设置为true表示自动注册到apiserver。

4. 手动管理Node

Kubernetes集群管理员也可以手工创建和修改Node对象。当需要这样操作时，先要将Kubelet启动参数中的--register-node参数的值设置为false。这样，在Node上的Kubelet就不会把自己注册到apiserver中去了。

另外，Kubernetes提供了一种运行时加入或者隔离某些Node的方法。具体操作请参考第四章。

1.3.2 Pod

Pod是Kubernetes的最基本操作单元，包含一个活多个紧密相关的容器，类似于豌豆荚的概念。一个Pod可以被一个容器化的环境看作应用层的“逻辑宿主机”（Logical Host）。一个Pod中的多个容器应用通常是紧耦合的。Pod在Node上被创建、启动或者销毁。

为什么Kubernetes使用Pod在容器之上再封装一层呢？一个很重要的原因是，Docker容器之间的通信受到Docker网络机制的限制。在Docker的世界中，一个容器需要link方式才能访问另一个容器提供的服务（端口）。大量容器之间的link将是一个非常繁重的工作。通过Pod的概念将多个容器组合在一个虚拟的“主机”内，可以实现容器之间仅需要通过Localhost就能相互通信了。

一个Pod中的应用容器共享同一组资源，如下所述：
1.PID命名空间：Pod中的不同应用程序可以看到其他应用程序的进程ID；
2.网络命名空间：Pod中的多个容器能够访问同一个IP和端口范围；
3.IPC命名空间：Pod中的多个容器能够使用SystemV IPC或者POSIX消息队列进行通信；
4.UTS命名空间：Pod中的多个容器共享一个主机名；
5.Volumes（共享存储卷）：Pod中的各个容器可以访问在Pod级别定义的Volumes。

1. 对Pod的定义

对Pod的定义通过Yaml或Json格式的配置文件来完成。下面的配置文件将定义一个名为redis-slave的Pod，其中kind为Pod。在spec中主要包含了Containers（容器）的定义，可以定义多个容器。


apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: redis-slave
labels:
name: redis-slave
spec:
containers:
- name: slave
image: kubeguide/guestbook-redis-slave
env:
- name: GET_HOSTS_FROM
value: env
ports:
- containerPort: 6379

Pod的生命周期是通过Replication Controller来管理的。Pod的生命周期过程包括：通过模板进行定义，然后分配到一个Node上运行，在Pod所含容器运行结束后Pod也结束。在整个过程中，Pod处于一下4种状态之一：
1.Pending：Pod定义正确，提交到Master，但其所包含的容器镜像还未完成创建。通常Master对Pod进行调度需要一些时间，之后Node对镜像进行下载也需要一些时间；
2.Running：Pod已被分配到某个Node上，且其包含的所有容器镜像都已经创建完成，并成功运行起来；
3.Succeeded：Pod中所有容器都成功结束，并且不会被重启，这是Pod的一种最终状态；
4.Failed：Pod中所有容器都结束了，但至少一个容器是以失败状态结束的，这也是Pod的一种最终状态。

Kubernetes为Pod设计了一套独特的网络配置，包括：为每个Pod分配一个IP地址，使用Pod名作为容器间通信的主机名等。关于Kubernetes网络的设计原理将在第2章进行详细说明。

另外，不建议在Kubernetes的一个Pod内运行相同应用的多个实例。

1.3.3 Label（标签）

Label是Kubernetes系统中的一个核心概念。Label以key/value键值对的形式附加到各种对象上，如Pod、Service、RC、Node等。Label定义了这些对象的可识别属性，用来对它们进行管理和选择。Label可以在创建时附加到对象上，也可以在对象创建后通过API进行管理。

在为对象定义好Label后，其他对象就可以使用Label Selector（选择器）来定义其作用的对象了。

Label Selector的定义由多个逗号分隔的条件组成。


"labels": {
"key1": "value1",
"key2": "value2"
}

当前有两种Label Selector：基于等式的（Equality-based）和基于集合的（Set-based），在使用时可以将多个Label进行组合来选择。

基于等式的Label Selector使用等式类的表达式来进行选择：
1.name = redis-slave: 选择所有包含Label中key="name"且value="redis-slave"的对象；
2.env != production: 选择所有包括Label中的key="env"且value不等于"production"的对象。

基于集合的Label Selector使用集合操作的表达式来进行选择：
1.name in (redis-master, redis-slave): 选择所有包含Label中的key="name"且value="redis-master"或"redis-slave"的对象；
2.name not in (php-frontend): 选择所有包含Label中的key="name"且value不等于"php-frontend"的对象。

在某些对象需要对另一些对象进行选择时，可以将多个Label Selector进行组合，使用逗号","进行分隔即可。基于等式的LabelSelector和基于集合的Label Selector可以任意组合。例如：


name=redis-slave,env!=production
name not in (php-frontend),env!=production

1.3.4 Replication Controller（RC）

Replication Controller是Kubernetes系统中的核心概念，用于定义Pod副本的数量。在Master内，Controller Manager进程通过RC的定义来完成Pod的创建、监控、启停等操作。

根据Replication Controller的定义，Kubernetes能够确保在任意时刻都能运行用于指定的Pod“副本”（Replica）数量。如果有过多的Pod副本在运行，系统就会停掉一些Pod；如果运行的Pod副本数量太少，系统就会再启动一些Pod，总之，通过RC的定义，Kubernetes总是保证集群中运行着用户期望的副本数量。

同时，Kubernetes会对全部运行的Pod进行监控和管理，如果有需要（例如某个Pod停止运行），就会将Pod重启命令提交给Node上的某个程序来完成（如Kubelet或Docker）。

可以说，通过对Replication Controller的使用，Kubernetes实现了应用集群的高可用性，并大大减少了系统管理员在传统IT环境中需要完成的许多手工运维工作（如主机监控脚本、应用监控脚本、故障恢复脚本等）。

对Replication Controller的定义使用Yaml或Json格式的配置文件来完成。以redis-slave为例，在配置文件中通过spec.template定义Pod的属性（这部分定义与Pod的定义是一致的），设置spec.replicas=2来定义Pod副本的数量。


apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
name: redis-slave
labels: redis-slave
name: redis-slave
spec:
replicas: 2
selector:
name: redis-slave
template:
metadata:
labels:
name: redis-slave
spec:
container:
- name: slave
image: kubeguide/guestbook-redis-slave
env:
- name: GET_HOSTS_FROM
value: env
ports:
- containerPort: 6379

通常，Kubernetes集群中不止一个Node，假设一个集群有3个Node，根据RC的定义，系统将可能在其中的两个Node上创建Pod。

1.3.5 Service（服务）

在Kubernetes的世界里，虽然每个Pod都会被分配一个单独的IP地址，这个IP地址会随时Pod的销毁而消失。这就引出一个问题：如果有一组Pod组成一个集群来提供服务，那么如何来访问它们呢？

Kubernetes的Service（服务）就是用来解决这个问题的核心概念。

一个Service可以看作一组提供相同服务的Pod的对外访问接口。Service作用于哪些Pod是通过Label Selector来定义的。

1. 对Service的定义

对Service的定义同样使用Yaml或Json格式的配置文件来完成。以redis-slave服务的定义为例：


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: redis-slave
labels:
name: redis-slave
spec:
ports:
- port: 6379
selector:
name: redis-slave

通过该定义，Kubernetes将会创建一个名为“redis-slave”的服务，并在6379端口上监听。spec.selector的定义表示该Service将包含所有具有"name=redis-slave"的Label的Pod。

在Pod正常启动后，系统将会根据Service的定义创建出与Pod对应的Endpoint（端点）对象，以建立起Service与后端Pod的对应关系。随着Pod的创建、销毁，Endpoint对象也将被更新。Endpoint对象主要有Pod的IP地址和容器所需监听的端口号组成。

2. Pod的IP地址和Service的Cluster IP地址

Pod的IP地址是Docker Daemon根据docker0网桥的IP地址段进行分配的，但Service的Cluster IP地址是Kubernetes系统中的虚拟IP地址，由系统动态分配。Service的Cluster IP地址相对于Pod的IP地址来说相对稳定，Service被创建时即被分配一个IP地址，在销毁该Service之前，这个IP地址都不会再变化了。而Pod在Kubernetes集群中生命周期较短，可能被ReplicationContrller销毁、再次创建，新创建的Pod将会分配一个新的IP地址。

3. 外部访问Service

由于Service对象在Cluster IP Range池中分配到的IP只能在内部访问，所以其他Pod都可以无障碍地访问到它。到如果这个Service作为前端服务，准备为集群外的客户端提供服务，我们就需要给这个服务提供公共IP了。

Kubernetes支持两种对外提供服务的Service的type定义：NodePort和LoadBalancer。

1. NodePort

在定义Service时指定spec.type=NodePort，并指定spec.ports.nodePort的值，系统就会在Kubernetes集群中的每个Node上打开一个主机上的真实端口号。这样，能够访问Node的客户端都就能通过这个端口号访问到内部的Service了。

以php-frontend service的定义为例，nodePort=80，这样，在每一个启动了该php-frontend Pod的Node节点上，都会打开80端口。


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: frontend
labels:
name: frontend
spec:
type: NodePort
ports:
- port: 80
nodePort: 30001
selector:
name: frontend

2. LoadBalancer

如果云服务商支持外接负载均衡器，则可以通过spec.type=LoadBalaner定义Service，同时需要制定负载均衡器的IP地址。使用这种类型需要指定Service的nodePort和clusterIP。例如：


apiVersion: v1
kind: Service
metadata: {
"kind" "Service",
"apiVersion": "v1",
"metadata": {
"name": "my-service"
},
"spec": {
"type": "LoadBalaner",
"clusterIP": "10.0.171.239",
"selector": {
"app": "MyApp"
},
"ports": [
{
"protocol": "TCP",
"port": 80,
"targetPort": 9376,
"nodePort": 30061
}
],
},
"status": {
"loadBalancer": {
"ingress": [
{
"ip": "146.148.47.155"
}
]
}
}
}

在这个例子中，status.loadBalancer.ingress.ip设置的146.146.47.155为云服务商提供的负载均衡器的IP地址。

之后，对该Service的访问请求将会通过LoadBalancer转发到后端Pod上去，负载分发的实现方式则依赖于云服务上提供的LoadBalancer的实现机制。

1.3.6 Volume（存储卷）

Volume是Pod中能够被多个容器访问的共享目录。Kubernetes的Volume概念与Docker的Volume比较类似，但不完全相同。Kubernetes中的Volume与Pod生命周期相同，但与容器的生命周期不相关。当容器终止或者重启时，Volume中的数据也不会丢失。另外，Kubernetes支持多种类型的Volume，并且一个Pod可以同时使用任意多个Volume。
Kubernetes提供了非常丰富的Volume类型，下面逐一进行说明。
1.EmptyDir：一个EmptyDir Volume是在Pod分配到Node时创建的。从它的名称就可以看出，它的初始内容为空。在同一个Pod中所有容器可以读和写EmptyDir中的相同文件。当Pod从Node上移除时，EmptyDir中的数据也会永久删除。
2.hostPath：在Pod上挂载宿主机上的文件或目录。
3.gcePersistentDisk：使用这种类型的Volume表示使用谷歌计算引擎（Google Compute Engine，GCE）上永久磁盘（Persistent Disk，PD）上的文件。与EmptyDir不同，PD上的内容会永久保存，当Pod被删除时，PD只是被卸载（Unmount），但不会被删除。需要注意的是，你需要先创建一个永久磁盘（PD）才能使用gcePersistentDisk。
4.awsElasticBlockStore：与GCE类似，该类型的Volume使用Amazon提供的Amazon Web Service（AWS）的EBS Volume，并可以挂在到Pod中去。需要注意到是，需要首先创建一个EBS Volume才能使用awsElasticBlockStore。
5.nfs：使用NFS（网络文件系统）提供的共享目录挂载到Pod中。在系统中需要一个运行中的NFS系统。
6.iscsi：使用iSCSI存储设备上的目录挂载到Pod中。
7.glusterfs：使用开源GlusterFS网络文件系统的目录挂载到Pod中。
8.rbd：使用Linux块设备共享存储（Rados Block Device）挂载到Pod中。
9.gitRepo：通过挂载一个空目录，并从GIT库clone一个git respository以供Pod使用。
10.secret：一个secret volume用于为Pod提供加密的信息，你可以将定义在Kubernetes中的secret直接挂载为文件让Pod访问。secret volume是通过tmfs（内存文件系统）实现的，所以这种类型的volume总是不会持久化的。
11.persistentVolumeClaim：从PV（PersistentVolume）中申请所需的空间，PV通常是一种网络存储，例如GCEPersistentDisk、AWSElasticBlockStore、NFS、iSCSI等。

1.3.7 Namespace（命名空间）

Namespace（命名空间）是Kubernetes系统中的另一个非常重要的概念，通过将系统内部的对象“分配”到不同的Namespace中，形成逻辑上分组的不同项目、小组或用户组，便于不同的分组在共享使用整个集群的资源的同时还能被分别管理。
Kubernetes集群在启动后，会创建一个名为“default”的Namespace，通过Kubectl可以查看到。
使用Namespace来组织Kubernetes的各种对象，可以实现对用户的分组，即“多租户”管理。对不同的租户还可以进行单独的资源配额设置和管理，使得整个集群的资源配置非常灵活、方便。

1.3.8 Annotation（注解）

Annotation与Label类似，也使用key/value键值对的形式进行定义。Label具有严格的命名规则，它定义的是Kubernetes对象的元数据（Metadata），并且用于Label Selector。Annotation则是用户任意定义的“附加”信息，以便于外部工具进行查找。
用Annotation来记录的信息包括：
1.build信息、release信息、Docker镜像信息等，例如时间戳、release id号、PR号、镜像hash值、docker registry地址等；
2.日志库、监控库、分析库等资源库的地址信息；
3.程序调试工具信息，例如工具名称、版本号等；
4.团队的联系信息，例如电话号码、负责人名称、网址等。ß

1.3.9 小结

上述这些组件是Kubernetes系统的核心组件，它们共同构成了Kubernetes系统的框架和计算模型。通过对它们进行灵活组合，用户就可以快速、方便地对容器集群进行配置、创建和管理。
除了以上核心组件，在Kubernetes系统中还有许多可供配置的资源对象，例如LimitRange、ResourceQuota。另外，一些系统内部使用的对象Binding、Event等请参考Kubernetes的API文档。

1.4 Kubernetes总体架构

Kubernetes集群由两类节点组成：Master和Node。在Master上运行etcd、API Server、Controller Manager和Scheduler四个组件，其中后三个组件构成了Kubernetes的总控中心，负责对集群中所有资源进行管理和调度。在每个Node上运行Kubelet、Proxy和Docker Daemon三个组件，负责对本节点上的Pod的生命周期进行管理，以及实现服务代理的功能。另外在所有节点上都可以运行Kubectl命令行工具，它提供了Kubernetes的集群管理工具集