【云原生之k8s】k8s基础详解

Kubernetes的缩写为：K8S，这个缩写是因为k和s之间有八个字符的关系。Kubernetes是一个可移植的、可扩展的开源平台，用于管理容器化的工作负载和服务，可促进声明式配置和自动化。Kubernetes拥有一个庞大且快速增长的生态系统。Kubernetesd的服务、支持和工具广泛可用。kubernetes，是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案，是谷歌严格保密十几年的秘密武器---

羽翔青空

5582人浏览 · 2022-08-04 03:45:00

羽翔青空 · 2022-08-04 03:45:00 发布

前言

Kubernetes的缩写为：K8S，这个缩写是因为k和s之间有八个字符的关系。
Kubernetes是一个可移植的、可扩展的开源平台，用于管理容器化的工作负载和服务，可促进声明式配置和自动化。Kubernetes拥有一个庞大且快速增长的生态系统。Kubernetesd的服务、支持和工具广泛可用。

一、kubernetes介绍

(1)kubernetes简介

kubernetes，是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案，是谷歌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秒中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

(2)应用部署方式的演变

在部署应用程序的方式上，主要经历了三个时代：

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
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
容器化部署：与虚拟化类似，但是共享了操作系统
优点：
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

在这里插入图片描述

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
常间容器编排软件
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

二、kubernetes组件

(1)kubernetes架构

K8S 是属于主从设备模型（Master-Slave 架构），主节点一般被称为== Master 节点==，负责集群的调度、管理和运维。而从节点则被称为 Worker Node 节点，每个 Node 都会被 Master 分配一些工作负载。

在这里插入图片描述
Kubernetes主要由以下几个核心组件组成：
一个kubernetes集群主要是由控制节点(master)、工作节点(node)构成，每个节点上都会安装不同的组件。

Master：集群的控制平面，负责集群的决策 ( 管理 )

etcd：负责存储集群中各种资源对象的信息
apiserver：提供了资源操作的唯一入口，接收用户输入的命令，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node节点上；

node：集群的数据平面，负责为容器提供运行环境 ( 工作 )

kubelet：负责维护容器的生命周期，即通过控制docker，来创建、更新、销毁容器，同时也负责Volume（CVI）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；
pod：kubernetes的最小控制单元，容器都是运行在pod中的，一个pod中可以有1个或者多个容器

(2)master组件

集群的控制平面，负责集群的决策 ( 管理 )

①apiserver

Kubernetes API，集群的统一入口，各组件协调者，以**Restful API提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给APIServer处理后再提交给Etcd存储。

用于暴露Kubernetes API，任何资源请求或调用操作都是通过kube-apiserver 提供的接口进行。以HTTP Restful API提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给API Server 处理后再提交给Etcd 存储（相当于分布式数据库，以键值对方式存储）。
可以理解成API Server 是K8S的请求入口服务。API server负责接收K8S所有请求(来自UI界面或者CLI 命令行工具)，然后根据用户的具体请求，去通知其他组件干活。可以说API server 是K8S集群架构的大脑。

②controller-manager控制管理中心

运行管理控制器，是k8s集群中处理常规任务的后台线程，是k8s集群里所有资源对象的自动化控制中心。
在k8s集群中，一个资源对应一个控制器，而Controller manager 就是负责管理这些控制器的。
由一系列控制器组成，通过API Server监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，比如当某个Node意外宕机时，Controller Manager会及时发现并执行自动化修复流程，确保集群始终处于预期的工作状态.

控制器	功能
Node Contrpller(节点控制器)	负责在节点出现故障时发现和响应
Replication Controller ( 副本控制器)	负责保证集群中一个RC (资源对象ReplicationController)
Endpoints Controller (端点控制器)	填充端点对象(即连接Services 和Pods) ，负责监听Service 和对应的Pod 副本的变化。可以理解端点是一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务，则必须知道它的 endpoint
Service Account & Token Controllers (服务帐户和令牌控制器)	为新的命名空间创建默认帐户和API访问令牌
Resource Quota Controller(资源配额控制器)	确保指定的资源对象在任何时候都不会超量占用系统物理资源
Namespace Controller (命名空间控制器)	管理namespace的生命周期
Service Controller (服务控制器)	属于K8S集群与外部的云平台之间的一个接口控制器

③scheduler

根据调度算法（预选/优选的策略）为新创建的Pod选择一个Node节点，可以任意部署,可以部署在同一个节点上,也可以部署在不同的节点上
可以理解成K8S所有Node 节点的调度器。当用户要部署服务时，scheduler 会根据调度算法选择最合适的Node 节点来部署Pod

API Server 接收到请求创建一批Pod，API Server 会让Controller-manager 按照所预设的模板去创建Pod，Controller-manager 会通过API Server去找Scheduler为新创建的Pod选择最适合的Node 节点。比如运行这个Pod需要2C4G 的资源，Scheduler会通过预算策略在所有Node节点中挑选最优的。Node 节点中还剩多少资源是通过汇报给API Server 存储在etcd 里，API Server 会调用一个方法找到etcd 里所有Node节点的剩余资源，再对比Pod 所需要的资源，在所有Node 节点中查找哪些Node节点符合要求。
如果都符合，预算策略就交给优选策略处理，优选策略再通过CPU的负载、内存的剩余量等因素选择最合适的Node 节点，并把Pod调度到这个Node节点上运行。
controller manager会通过API Server通知kubelet去创建pod，然后通过kube-proxy中的service对外提供服务接口。（node组件）

④etcd（存储中心）

分布式键值存储系统（特性:服务自动发现）。用于保存集群状态数据，比如Pod、Service等对象信息

k8s中仅API Server 才具备读写权限，其他组件必须通过API Server 的接口才能读写数据

PS:etcd V2版本:数据保存在内存中
v3版本:引入本地volume卷的持久化（可根据磁盘进行恢复),服务发现，分布式（方便扩容，缩容）
etcd是一种定时全量备份+持续增量备份的持久化方式，最后存储在磁盘中
但kubernetes 1.11版本前不支持v3,我用的事K8S 1.15
ETCD一般会做为3副本机制(奇数方式)，分布在三台master上(也有的公司单独用服务器部署ETCD )
master：奇数的方式部署（多节点的时候)

(3)node组件

①kubelet

kubelet是Master在Node节点上的Agent，管理本机运行容器的生命周期,比如创建容器、Pod挂载数据卷、下载secret、获取容器和节点状态等工作。kubelet将每个Pod转换成一组容器

kubelet —》先和docker引擎进行交互—》docker容器(一组容器跑在Pod中)

②kube-proxy

在Node节点上实现Pod网络代理，维护网络规则、pod之间通信和四层负载均衡工作。默认会写入规则至iptables ，目前支持IPVS、同时还支持namespaces

对于七层的负载，k8s官方提供了一种解决方案；ingress-nginx

③pod

Pod是Kubernetes 创建或部署的最小/最简单的基本单位，一个Pod代表集群上正在运行的一个进程。
一个Pod 由一个或多个容器组成，Pod 中容器共享网络、存储和计算资源，在同一台Docker 主机上运行。
一个Pod里可以运行多个容器，又叫边车模式(SideCara) 模式。而在生产环境中一般都是单个容器或者具有强关联互补的多个容器组成一个Pod。
同一个Pod 之间的容器可以通过localhost 互相访问，并且可以挂载Pod 内所有的数据卷;但是不同的Pod之间的容器不能用localhost访问，也不能挂载其他Pod的数据卷。

pod控制器
Pod控制器是Pod启动的一种模版，用来保证在K8S里启动的Pod应始终按照用户的预期运行(副本数、生命周期、健康状态检查等)
K8s内提供了众多的Pod控制器，常用的有以下几种:
（1）Deployment：无状态应用部署。Deployment 的作用是管理和控制Pod和ReplicaSet，管控它们运行在用户期望的状态中。
（2）Replicaset：确保预期的Pod 副本数量。Replicaset 的作用就是管理和控制Pod，管控他们好好干活。但是，ReplicaSet 受控于Deployment。
可以理解成Deployment 就是总包工头，主要负责监督底下的工人Pod 干活，确保每时每刻有用户要求数量的Pod在工作。如果一旦发现某个工人Pod 不行了，就赶紧新拉一个Pod 过来替换它。而ReplicaSet 就是总包工头手下的小包工头。
从K8S使用者角度来看，用户会直接操作Deployment 部署服务，而当Deployment 被部署的时候，K8S 会自动生成要求的ReplicaSet和Pod。用户只需要关心Deployment 而不操心ReplicaSet。
资源对象Replication Controller 是ReplicaSet 的前身，官方推荐用Deployment 取代Replication Controller 来部署服务。
（3）Daemonset：确保所有节点运行同一类Pod，保证每个节点上都有一个此类Pod运行，通常用于实现系统级后台任务。
（4）Statefulset：有状态应用部署
（5）Job：一次性任务。根据用户的设置，Job管理的Pod把任务成功完成就自动退出了。
（6）Cronjob：周期性计划性任务

(4)工作流程

首先运维人员使用kubectl命令行工具向API Server发送请求，API Server接收到请求后会写入到etcd中，API Server会让Controller-manager按照预设的模板去创建pod，Controller-manager通过 API Server读取etcd中用户的预设信息，再通过API Server去找 Scheduler可以为新创建的pod选择最适合的node节点。scheduler会通过API Server在Etcd存储中心根据存储的node节点元信息、剩余资源等，用预选策略和优选策略挑选最优的node节点
scheduler确定node节点后通过API Server交给这个Node节点上的kubelet进行pod资源的创建，kubelet调用容器引擎交互创建pod，同时将pod监控信息通过API server存储到etcd中
用户访问时，通过kube-proxy负载、转发，访问相应的pod

(5)Pod创建流程

kubectl 创建一个Pod（在提交时，转化为json格式）
1、首先经过auth认证（鉴权），然后传递给api-server进行处理
2、api-server 将请求信息提交给etcd
3、scheduler和controller-manager 会watch（监听） api-server ，监听请求
4、在scheduler 和controller-manager监听到请求后，scheduler 会提交给api-server一个list清单——>>包含的是获取node节点信息
5、此时api-server就会向etcd获取后端node节点信息，获取到后，被scheduler watch到，然后进行预选优选进行打分，最后将结果给与api-server
6、此时api-server也会被controller-manager watch（监听） controller-manager会根据请求创建Pod的配置信息（需求什么控制器）将控制器资源给与api-server
7、此时api-server 会提交list清单给与对应节点的kubelet（代理）
8、kubelet代理通过K8S与容器的接口（例如containerd）进行交互，假设是docker容器，那么此时kubelet就会通过dockershim 以及runc接口与docker的守护进程docker-server进行交互，来创建对应的容器，再生成对应的Pod
9、kubelet 同时会借助于metrics server 收集本节点的所有状态信息，然后再提交给api-server
10、最后api-server会提交list清单给与etcd来存储（最后api-server会将数据维护在etcd中）

三、Kubernetes核心概念

Kubernetes包含多种类型的资源对象: Pod、 Label、 Service、 Replication Controller 等。
所有的资源对象都可以通过Kubernetes 提供的kubectl 工具进行增、删、改、查等操作，并将其保存在etcd 中持久化存储。
Kubernets其实是一个高度自动化的资源控制系统，通过跟踪对比etcd存储里保存的资源期望状态与当前环境中的实际资源状态的差异，来实现自动控制和自动纠错等高级功能。

(1)Service

在K8s的集群里，虽然每个Pod会被分配一个单独的IP地址，Pod是有生命周期的。当一个工作节点(Node)销毁时，节点上运行的Pod也会销毁，然后通过ReplicationController动态创建新的Pods来保持应用的运行。Service就是用来解决这个问题的核心概念。

Kubernetes中的Service 是一个抽象的概念，它定义了Pod的逻辑分组和一种可以访问它们的策略，这组Pod能被Service访问，使用YAML （优先）或JSON 来定义Service，Service所针对的一组Pod通常由LabelSelector实现。

Service 是== K8S服务的核心，屏蔽了服务细节，统一对外暴露服务接口==

Service的四种type:

ClusterIP（默认） - 在集群中内部IP上暴露服务。此类型使Service只能从群集中访问。
NodePort - 通过每个 Node 上的 IP 和静态端口（NodePort）暴露服务。NodePort 服务会路由到ClusterIP 服务，这个 ClusterIP 服务会自动创建。通过请求 :，可以从集群的外部访问一个 NodePort 服务。
LoadBalancer - 使用云提供商的负载均衡器（如果支持），可以向外部暴露服务。外部的负载均衡器可以路由到 NodePort 服务和 ClusterIP 服务。
ExternalName - 通过返回 CNAME 和它的值，可以将服务映射到 externalName 字段的内容，没有任何类型代理被创建。这种类型需要v1.7版本或更高版本kube-dnsc才支持。

小结：

在K8S集群中，service 可以看作一组提供相同服务的Pod的对外访问接口。
客户端需要访问的服务就是service对象。每个service都有一个固定的虛拟ip 
(这个ip也被称为Cluster IP) ，自动并且动态地绑定后端的Pod， 
所有的网络请求直接访问Service 的虚拟ip,service会自动向后端做转发。
Service除了提供稳定的对外访问方式之外，还能起到负载均衡(Load Balance)
的功能，自动把请求流量分布到后端所有的服务.上，Service可以做到对客户
透明地进行水平扩展(scale)。
而实现service 这一功能的关键， 就是kube-proxy。 
kube-proxy 运行在每个节点上，监听API Server 中服务对象的变化，
可通过以下三种流量调度模式:

userspace (废弃)、
iptables ( 濒临废弃)、
ipvs (推荐，性能最好)来实现网络的转发。

Kubernetes Service 是一个抽象层，统一对外暴露服务接口，应用可以方便的实现服务发现与负载均衡。

(2)Label标签

标签，是K8S特色的管理方式，便于分类管理资源对象。
Label可以附加到各种资源对象.上，例如Node、Pod、Service、 RC等，用于关联对象、查询和筛选。
一个Label 是一个key-value 的键值对，其中key 与value 由用户自己指定。
一个资源对象可以定义任意数量的Label，同一个Label也可以被添加到任意数量的资源对象中，也可以在对象创建后动态添加或者删除。
可以通过给指定的资源对象捆绑一个或多个不同的Label，来实现多维度的资源分组管理功能。
与Label 类似的，还有Annotation (注释)
区别在于有效的标签值必须为63个字符或更少，并且必须为空或以字母数字字符( [a-z0-9A-Z])开头和结尾，中间可以包含横杠(-)、下划线(_)、点(.)和字母或数字。注释值则没有字符长度限制。
Label选择器(Label selector )
给某个资源对象定义一个Label，就相当于给它打了一个标签;随后可以通过标签选择器( Label selector) 查询和筛选拥有某些Label的资源对象。
标签选择器目前有两种:基于等值关系(等于、不等于)和基于集合关系(属于、不属于、存在)。