Kubernetes基本概念

Kubernetes最初源于谷歌内部的Borg，提供了面向应用的容器集群部署和管理系统。Kubernetes的目标旨在消除编排物理/虚拟计算，网络和存储基础设施的负担，并使应用程序运营商和开发人员完全将重点放在以容器为中心的原语上进行自助运营。Kubernetes 也提供稳定、兼容的基础（平台），用于构建定制化的workflows 和更高级的自动化任务。 Kubernetes 具备完善的集群管理能力，包括多层次的安全防护和准入机制、多租户应用支撑能力、透明的服务注册和服务发现机制、内建负载均衡器、故障发现和自我修复能力、服务滚动升级和在线扩容、可扩展的资源自动调度机制、多粒度的资源配额管理能力。 Kubernetes 还提供完善的管理工具，涵盖开发、部署测试、运维监控等各个环节。

K8S的目的是让用户能够不必操心资源管理的问题，让他们专注于自己的核心业务，并且做到跨多个数据中心的资源利用率最大化。

架构

借鉴了Borg的设计理念，比如Pod、Service、Label和单Pod单IP等。Kubernetes的整体架构跟Borg非常像。

Kubernetes主要由以下几个核心组件组成：

  • etcd保存了整个集群的状态；
  • apiserver提供了资源操作的唯一入口，并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制；
  • controller manager负责维护集群的状态，比如故障检测、自动扩展、滚动更新等；
  • 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；
  • kubelet负责维护容器的生命周期，同时也负责Volume（CSI）和网络（CNI）的管理；
  • Container runtime负责镜像管理以及Pod和容器的真正运行（CRI）；
  • kube-proxy负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡；

除了核心组件，还有一些推荐的插件，其中有的已经成为CNCF中的托管项目：

  • CoreDNS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

  • 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
  • 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）、Service Mesh（部分位于应用层）
  • 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）、Service Mesh（部分位于管理层）
  • 接口层：kubectl命令行工具、客户端SDK以及集群联邦
  • 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、GitOps、SecOps等
    • Kubernetes内部：CRI、CNI、CSI、镜像仓库、Cloud Provider、集群自身的配置和管理等

核心技术概念和API对象

API对象是Kubernetes集群中的管理操作单元。Kubernetes集群系统每支持一项新功能，引入一项新技术，一定会新引入对应的API对象，支持对该功能的管理操作。例如副本集Replica Set对应的API对象是RS。

每个API对象都有3大类属性：元数据metadata、规范spec（期待的状态）和状态status（当前的状态）。

元数据是用来标识API对象的，每个对象都至少有3个元数据：namespace，name和uid；除此以外还有各种各样的标签labels用来标识和匹配不同的对象，例如用户可以用标签env来标识区分不同的服务部署环境，分别用env=dev、env=testing、env=production来标识开发、测试、生产的不同服务。规范描述了用户期望Kubernetes集群中的分布式系统达到的理想状态（Desired State），例如用户可以通过复制控制器Replication Controller设置期望的Pod副本数为3；status描述了系统实际当前达到的状态（Status），例如系统当前实际的Pod副本数为2；那么复制控制器当前的程序逻辑就是自动启动新的Pod，争取达到副本数为3。

Kubernetes中所有的配置都是通过API对象的spec去设置的，也就是用户通过配置系统的理想状态来改变系统，这是Kubernetes重要设计理念之一，即所有的操作都是声明式（Declarative）的而不是命令式（Imperative）的。声明式操作在分布式系统中的好处是稳定，不怕丢操作或运行多次，例如设置副本数为3的操作运行多次也还是一个结果，而给副本数加1的操作就不是声明式的，运行多次结果就错了。

Pod

Kubernetes有很多技术概念，同时对应很多API对象，最重要的也是最基础的是Pod。Pod是在Kubernetes集群中运行部署应用或服务的最小单元，它是可以支持多容器的。Pod的设计理念是支持多个容器在一个Pod中共享网络地址和文件系统，可以通过进程间通信和文件共享这种简单高效的方式组合完成服务。Pod对多容器的支持是K8最基础的设计理念。比如你运行一个操作系统发行版的软件仓库，一个Nginx容器用来发布软件，另一个容器专门用来从源仓库做同步，这两个容器的镜像不太可能是一个团队开发的，但是他们一块儿工作才能提供一个微服务；这种情况下，不同的团队各自开发构建自己的容器镜像，在部署的时候组合成一个微服务对外提供服务。

Pod是Kubernetes集群中所有业务类型的基础，可以看作运行在K8集群中的小机器人，不同类型的业务就需要不同类型的小机器人去执行。目前Kubernetes中的业务主要可以分为长期伺服型（long-running）、批处理型（batch）、节点后台支撑型（node-daemon）和有状态应用型（stateful application）；分别对应的小机器人控制器为Deployment、Job、DaemonSet和StatefulSet，本文后面会一一介绍。

副本控制器

RC是Kubernetes集群中最早的保证Pod高可用的API对象。通过监控运行中的Pod来保证集群中运行指定数目的Pod副本。指定的数目可以是多个也可以是1个；少于指定数目，RC就会启动运行新的Pod副本；多于指定数目，RC就会杀死多余的Pod副本。即使在指定数目为1的情况下，通过RC运行Pod也比直接运行Pod更明智，因为RC也可以发挥它高可用的能力，保证永远有1个Pod在运行。RC是Kubernetes较早期的技术概念，只适用于长期伺服型的业务类型，比如控制小机器人提供高可用的Web服务。

副本集（Replica Set，RS）

RS是新一代RC，提供同样的高可用能力，区别主要在于RS后来居上，能支持更多种类的匹配模式。副本集对象一般不单独使用，而是作为Deployment的理想状态参数使用。

部署

部署表示用户对Kubernetes集群的一次更新操作。部署是一个比RS应用模式更广的API对象，可以是创建一个新的服务，更新一个新的服务，也可以是滚动升级一个服务。滚动升级一个服务，实际是创建一个新的RS，然后逐渐将新RS中副本数增加到理想状态，将旧RS中的副本数减小到0的复合操作；这样一个复合操作用一个RS是不太好描述的，所以用一个更通用的Deployment来描述。以Kubernetes的发展方向，未来对所有长期伺服型的的业务的管理，都会通过Deployment来管理。

服务

RC、RS和Deployment只是保证了支撑服务的微服务Pod的数量，但是没有解决如何访问这些服务的问题。一个Pod只是一个运行服务的实例，随时可能在一个节点上停止，在另一个节点以一个新的IP启动一个新的Pod，因此不能以确定的IP和端口号提供服务。要稳定地提供服务需要服务发现和负载均衡能力。服务发现完成的工作，是针对客户端访问的服务，找到对应的的后端服务实例。在K8集群中，客户端需要访问的服务就是Service对象。每个Service会对应一个集群内部有效的虚拟IP，集群内部通过虚拟IP访问一个服务。在Kubernetes集群中微服务的负载均衡是由Kube-proxy实现的。Kube-proxy是Kubernetes集群内部的负载均衡器。它是一个分布式代理服务器，在Kubernetes的每个节点上都有一个；这一设计体现了它的伸缩性优势，需要访问服务的节点越多，提供负载均衡能力的Kube-proxy就越多，高可用节点也随之增多。与之相比，我们平时在服务器端做个反向代理做负载均衡，还要进一步解决反向代理的负载均衡和高可用问题。

任务Job

Job是Kubernetes用来控制批处理型任务的API对象。批处理业务与长期伺服业务的主要区别是批处理业务的运行有头有尾，而长期伺服业务在用户不停止的情况下永远运行。Job管理的Pod根据用户的设置把任务成功完成就自动退出了。成功完成的标志根据不同的spec.completions策略而不同：单Pod型任务有一个Pod成功就标志完成；定数成功型任务保证有N个任务全部成功；工作队列型任务根据应用确认的全局成功而标志成功。

后台支撑服务集

长期伺服型和批处理型服务的核心在业务应用，可能有些节点运行多个同类业务的Pod，有些节点上又没有这类Pod运行；而后台支撑型服务的核心关注点在Kubernetes集群中的节点（物理机或虚拟机），要保证每个节点上都有一个此类Pod运行。节点可能是所有集群节点也可能是通过nodeSelector选定的一些特定节点。典型的后台支撑型服务包括，存储，日志和监控等在每个节点上支持Kubernetes集群运行的服务

有状态服务集（StatefulSet）

RC和RS主要是控制提供无状态服务的，其所控制的Pod的名字是随机设置的，一个Pod出故障了就被丢弃掉，在另一个地方重启一个新的Pod，名字变了、名字和启动在哪儿都不重要，重要的只是Pod总数；而StatefulSet是用来控制有状态服务，StatefulSet中的每个Pod的名字都是事先确定的，不能更改。StatefulSet中Pod的名字的作用，并不是《千与千寻》的人性原因，而是关联与该Pod对应的状态。

对于RC和RS中的Pod，一般不挂载存储或者挂载共享存储，保存的是所有Pod共享的状态，Pod像牲畜一样没有分别（这似乎也确实意味着失去了人性特征）；对于StatefulSet中的Pod，每个Pod挂载自己独立的存储，如果一个Pod出现故障，从其他节点启动一个同样名字的Pod，要挂载上原来Pod的存储继续以它的状态提供服务。

适合于StatefulSet的业务包括数据库服务MySQL和PostgreSQL，集群化管理服务ZooKeeper、etcd等有状态服务。StatefulSet的另一种典型应用场景是作为一种比普通容器更稳定可靠的模拟虚拟机的机制。

命名空间

命名空间为Kubernetes集群提供虚拟的隔离作用，Kubernetes集群初始有两个命名空间，分别是默认命名空间default和系统命名空间kube-system，除此以外，管理员可以可以创建新的命名空间满足需要。

理解K8S中的对象

在 Kubernetes 系统中，Kubernetes 对象 是持久化的条目。Kubernetes 使用这些条目去表示整个集群的状态。特别地，它们描述了如下信息：

  • 什么容器化应用在运行（以及在哪个 Node 上）
  • 可以被应用使用的资源
  • 关于应用如何表现的策略，比如重启策略、升级策略，以及容错策略

Kubernetes 对象是 “目标性记录” —— 一旦创建对象，Kubernetes 系统将持续工作以确保对象存在。通过创建对象，可以有效地告知 Kubernetes 系统，所需要的集群工作负载看起来是什么样子的，这就是 Kubernetes 集群的 期望状态。

与 Kubernetes 对象工作 —— 是否创建、修改，或者删除 —— 需要使用 Kubernetes API。当使用 kubectl 命令行接口时，比如，CLI 会使用必要的 Kubernetes API 调用，也可以在程序中直接使用 Kubernetes API。

集群资源管理

为了管理异构和不同配置的主机，为了便于Pod的运维管理，Kubernetes中提供了很多集群管理的配置和管理功能，通过namespace划分的空间，通过为node节点创建label和taint用于pod的调度等。

Node

Node 是K8S集群中的工作节点，可以是物理机也可以是虚拟机。

Node 的状态：Node包括如下状态信息：

  • Address
    • HostName：可以被kubelet中的--hostname-override参数替代。
    • ExternalIP：可以被集群外部路由到的IP地址。
    • InternalIP：集群内部使用的IP，集群外部无法访问。
  • Condition
    • OutOfDisk：磁盘空间不足时为True
    • Ready：Node controller 40秒内没有收到node的状态报告为Unknown，健康为True，否则为False。
    • MemoryPressure：当node没有内存压力时为True，否则为False。
    • DiskPressure：当node没有磁盘压力时为True，否则为False。
  • Capacity
    • CPU
    • 内存
    • 可运行的最大Pod个数
  • Info：节点的一些版本信息，如OS、kubernetes、docker等