【容器应用系列教程】Kubernetes介绍

一、Kubernetes介绍

1.Kubernetes是什么

  • 是容器编排工具
  • 由google公司开源的应用，基于go语言编写
  • 简称k8s

2.Kubernetes的作用

  • 服务发现和负载均衡
  • 存储编排
  • 自动部署和回滚
  • 资源调度分配
  • 自我修复

总而言之，kubernetes的目的就是让容器部署应用变得更简单、高效

二、Kubernetes组件介绍

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1.Master节点

Master负责管理整个集群。 Master协调集群中的所有活动，例如调度应用、维护应用的所需状态、应用扩容以及推出新的更新

API Server组件

  • 与etcd数据库进行交互，读写集群状态信息
  • 接收客户端操作请求, 验证身份
  • 接收kubelet发送过来的注册请求

Scheduler组件

  • 调度客户端操作请求，选择合适的Node节点运行资源

Controller Manager组件

  • 管理集群控制器，例如replication controller负责维护容器的副本数量

2.Node节点

运行pod的主机，可以是物理服务器，也可以是虚拟机
处理生产级流量的Kubernetes集群至少应具有三个Node

container engine组件

容器引擎
K8s支持包括Docker和Podman在内的主流容器管理软件

kubelet组件

  • 调度容器引擎创建容器

kube-proxy组件

  • 在多个容器间实现负载均衡(LVS)
  • 同样负责容器的发布服务(iptables)

3.etcd数据库

记录集群状态数据，例如node节点信息、pod信息、service等
同样也是k8s环境中，最重要的部分

三、Kubernets组件详解

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通过k8s集群创建一个pod的过程说明组件间的交互过程

  1. 用户通过客户端工具向api server组件发送创建pod`的请求
  2. api server接收到该请求后，会将请求信息(pod名称、镜像、卷、网络等信息)记录到etcd数据库
  3. scheduler组件会周期性的请求api server，以询问是否有操作请求api server组件查询etcd数据库响应scheduler组件，scheduler组件会得知存在创建pod的请求
  4. scheduler按一定的算法选择一个合适的node节点计划创建Pod, 并将选定的节点信息返回给api server；api server会将该node节点要与创建的pod对应关系写入etcd数据库
  5. kublet组件启动后，会先api server注册自己，以让api server得知有运行起kublet服务的node节点的存在，并将node节点信息记录到etcd数据库；这样scheduler组件才可以根据数据库的记录选择合适的节点创建pod
  6. kubelet组件也会周期性的请求api server, 以询问是否有自己要做的操作，api server查询数据库响应kubelet， kubelet获知到要创建的pod的信息后，调用container engine创建容器
  7. 容器创建完成后，为便于访问，由kube-proxy提供负载均衡

三、Kubernetes集群对象

1.Node

运行pod的主机，可以是物理服务器，也可以是虚拟机；每个node节点上都要运行容器引擎（docker或rkt)、kubelet组件及kube-proxy组件

2.Namespace

命名空间，是资源或对象的抽象集合
kubernetes集群默认会自动创建3个namespace

  • default——默认namespace
  • kube-system
  • k8s集群内部组件
    • kube-public

3.Container

容器

4.Pod

  • kubernetes所能管理的最小单元， 一个pod中可以放一个容器，也可以放多个容器
  • 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
  • k8s集群会为每个pod分配一个IP，称为podIP
  • 从实际应用角度讲，多数应用都是一个pod中只放一个容器
  • 本质上讲, k8s创建一个pod后，每个Pod中至少存在两个容器，一个是用户自定义的容器，另一个是k8s自动创建的名称为pause-amd64的容器， 实际上Pod的IP是配置在pause容器上的

5.Label

  • 一个key-value键值对的数据结构，用于在k8s集群中标识对象；例如每创建一个pod都应该为其分配一个或多个label
  • 一个对象可以被分配一个label或多个label
  • label分配完成后，k8s集群会使用Label selector来选择具有相同标签的一组资源

6.Annotations

  • key-value键值对的数据结构，用于为对象添加注释说明信息
  • 默认情况下可以不写
  • 在特殊应用场景下，可以通过Annotations辅助部署应用；例如特定的镜像结合特定的说明信息时

7.Replication Controller复制控制器 RC

  • RC是k8s集群中保证Pod高可用的对象。通过监控运行中的Pod来保证集群中运行指定数量的Pod副本
  • RC通过Label Selector机制实现对Pod副本的自动控制

8.Replica Set 副本集 RS

RS是新一代的RC，提供同样的高可用能力。

9.Deployment部署

  • 通过Deployment来管理集群中的RS、Pod
  • 在实际操作中，很少直接去操作RS或Pod，在k8s集群中要完成对RS和Pod的管理，都是通过操作Deployment完成
  • Deployment自动创建RS保证Pod副本
  • 在升级操作时，Deployment会做滚动升级
  • 在升级操作时，如果检测到升级失败，会自动回滚

10.HPA Horizontal Pod Autoscaler

  • 用于实现Pod自动横向扩容
  • HPA会实时监测RC中的Pod的负载情况，完成自动扩展
  • 可通过CPU百分比、自定义指标QPS实现

11.Service服务

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  • 将具有相同label的Pod标记为一组，由集群为service分配固定IP，便于用户访问
  • 可以理解为一个service是一组具有相同标签的Pod的集合
  • 由kube-proxy组件实现，kube-proxy创建service类似于负载均衡器，后端Pod类似于real server
  • Pod宕机产生新Pod时，kube-proxy会自动更新etcd数据库关于service与Pod的对应关系

12.服务发现

  • 借助DNS实现，coreDNS组件
  • 创建service时，k8s集群会为其分配一个域名www.default.svc.cluster.local
  • 域名格式:
    • 服务名称.命名空间.svc.cluster.local
  • service创建完成后，会自动形成IP与域名的解析关系，集群内多个service相互通信时，依靠域名实现

13.Job任务

  • k8s集群执行批处理任务的对象
  • 用于运行一次性任务，任务成功完成后Pod自动退出，类似于一次性计划任务

14.DaemonSet

  • 保证选定的业务在所有的节点运行一个Pod
  • 典型场景：监控agent, 日志收集工具filebeat

15.StatefulSet有状态服务

  • 通过Statefulset创建的Pod，集群会为其分配一个固定的名称，而且该名称创建后是不能修改的、也是集群全局唯一的；用于让构建业务集群的多个Pod间通过名称通信，而不是借助IP，来保证服务的有状态性
  • stateful的实现要依赖于存储volume，例如一个Pod挂载一个独立的存储，该Pod宕机后，自动创建一个新的Pod，新Pod一样会去挂载存储获取数据，这就相当于新Pod继承的原有Pod的所有数据及状态
  • 典型应用场景：数据库集群

16.Volume卷

用于实现数据持久化保存

17.Federation集群联邦

  • 存在多个不同的k8s集群时，常规情况下，我们连接哪个集群创建资源，资源就会被创建在哪个集群里
  • Federation基于全局控制器，可实现将多个不同的集群放到一个全局控制器中，创建资源时，向该全局控制器发送请求，全局控制器会选择一个集群创建资源
  • Fderation基于全局调度器，在访问资源时，向全局调度器发送请求，它会将请求转交到合适的集群处理