Web开发者的云原生指南（3）容器编排与管理

2023-06-24 274

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简介： 本节将深入介绍容器编排和管理工具 Kubernetes 的使用。我们将逐步了解 Kubernetes 的简介和架构，如何安装和配置 Kubernetes，以及在 Kubernetes 集群上部署应用程序。此外，我们还会详细讨论 Kubernetes 的核心概念，包括 Pod、Deployment、Service，以及资源调度和伸缩、监控和日志管理，以及网络和存储管理。

1. Kubernetes 简介和架构

1.1. Kubernetes 简介

Kubernetes 是一个开源的容器编排和管理平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它提供了一个可靠的平台来运行和管理容器化的工作负载，并具有高度可扩展性、弹性和自愈能力。

Kubernetes 的核心概念包括：

Pod: 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，包含一个或多个容器，共享相同的网络和存储资源。
Deployment: 用于定义和管理 Pod 的副本数量、升级策略和滚动更新等。
Service: 提供了一个稳定的网络终点，用于访问一组具有相同功能的 Pod。
Namespace: 用于在 Kubernetes 集群中划分资源的逻辑隔离单元。
Node: 是 Kubernetes 集群中的一个工作节点，负责运行容器化应用程序。

1.2. Kubernetes 架构

Kubernetes 的架构由 Master 节点和 Worker 节点组成：

Master 节点: 是 Kubernetes 集群的控制节点，负责管理和调度集群中的所有资源。它包含以下组件：
API Server: 提供了集群的 API 接口，用于管理和控制集群中的资源。
Scheduler: 负责将 Pod 调度到集群中的合适节点上。
Controller Manager: 包含多个控制器，用于管理和维护集群中的各种资源，如副本数量、服务发现等。
etcd: 是一个高可用的分布式键值存储，用于保存集群的配置信息和状态。
Worker 节点: 是 Kubernetes 集群中的工作节点，负责运行容器化应用程序。每个 Worker 节点包含以下组件：
Kubelet: 是在每个节点上运行的代理程序，负责与 Master 节点通信，管理和监控节点上的容器。
Container Runtime: 负责运行容器，如 Docker 或 Containerd。
Kube Proxy: 负责将网络请求路由到正确的容器。

2. Kubernetes 安装和配置

2.1. 单节点安装

在单节点上安装和配置 Kubernetes 可以用于学习和测试的目的。以下是安装 Kubernetes 单节点集群的示例：

2.1.1. 安装 Docker
首先，安装 Docker 引擎，作为 Kubernetes 集群中的容器运行时。

# 安装 Docker
curl -fsSL https://get.docker.com -o get-docker.sh
sudo sh get-docker.sh

# 启动 Docker 服务
sudo systemctl enable docker
sudo systemctl start docker

# 验证 Docker 安装
docker version

2.1.2. 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl
接下来，安装 Kubernetes 的组件：kubeadm、kubelet 和 kubectl。


# 添加 Kubernetes 软件源
sudo apt-get update && sudo apt-get install -y apt-transport-https gnupg2 curl
curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list

# 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y kubeadm kubelet kubectl

# 阻止自动升级 Kubernetes 组件
sudo apt-mark hold kubeadm kubelet kubectl

# 验证 Kubernetes 安装
kubeadm version
kubectl version --short

2.1.3. 初始化 Kubernetes 控制平面
使用 kubeadm 命令初始化 Kubernetes 控制平面。


sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

根据输出的信息，执行后续的配置命令，如设置 kubeconfig 和安装网络插件。

2.2. 多节点安装

在多节点上安装和配置 Kubernetes 可以构建生产环境的集群。以下是安装 Kubernetes 多节点集群的示例：

2.2.1. 准备工作
确保每个节点上已安装 Docker 和设置正确的网络配置。
在每个节点上安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl。
2.2.2. 初始化控制平面节点
选择一个节点作为控制平面节点，使用 kubeadm 命令初始化控制平面。


sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

根据输出的信息，执行后续的配置命令，如设置 kubeconfig 和安装网络插件。

2.2.3. 加入工作节点
对于每个工作节点，使用 kubeadm join 命令将其加入到 Kubernetes 集群中。


sudo kubeadm join <control-plane-host>:<control-plane-port> --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<hash>

2.3. 配置kubectl命令行工具

在任何一个节点上，配置 kubectl 命令行工具，以便与 Kubernetes 集群进行交互。


mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown {
   mathJaxContainer[0]}(id -g) $HOME/.kube/config

3. 部署应用到 Kubernetes 集群

在 Kubernetes 集群中部署应用程序通常涉及创建 Deployment 和 Service。以下是部署应用到 Kubernetes 集群的示例：

3.1. 创建 Deployment

编写一个包含应用程序描述的 Deployment YAML 文件，例如 myapp-deployment.yaml。


apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
        - name: myapp-container
          image: myapp:1.0
          ports:
            - containerPort: 8000

使用 kubectl 命令创建 Deployment。


kubectl apply -f myapp-deployment.yaml

3.2. 创建 Service

编写一个 Service YAML 文件，例如 myapp-service.yaml，指定如何访问 Deployment。


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp-service
spec:
  selector:
    app: myapp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8000
  type: LoadBalancer

使用 kubectl 命令创建 Service。


kubectl apply -f myapp-service.yaml

3.3. 验证应用部署

通过访问 Service 的外部 IP 地址，验证应用程序是否成功部署。


kubectl get services

4. Kubernetes 的 Pod、Deployment、Service 等概念

在 Kubernetes 中，有几个核心概念需要了解，包括 Pod、Deployment 和 Service。

4.1. Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，它包含一个或多个紧密相关的容器。Pod 共享相同的网络和存储资源，并通过 Pod 的 IP 地址进行通信。

以下是一个 Pod 的示例 YAML 文件：


apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myapp-pod
spec:
  containers:
    - name: myapp-container
      image: myapp:1.0
      ports:
        - containerPort: 8000

使用 kubectl 命令创建 Pod。


kubectl apply -f myapp-pod.yaml

4.2. Deployment

Deployment 是用于管理 Pod 的副本数量和升级策略的控制器。它确保指定数量的 Pod 始终在运行，并支持滚动更新来逐步升级应用程序。

以下是一个 Deployment 的示例 YAML 文件：


apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
        - name: myapp-container
          image: myapp:1.0
          ports:
            - containerPort: 8000

使用 kubectl 命令创建 Deployment。

kubectl apply -f myapp-deployment.yaml

4.3. Service

Service 提供了一个稳定的网络终点，用于访问一组具有相同功能的 Pod。它可以通过负载均衡将请求路由到后端 Pod，以实现应用程序的高可用性和可伸缩性。

以下是一个 Service 的示例 YAML 文件：


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp-service
spec:
  selector:
    app: myapp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8000
  type: LoadBalancer

使用 kubectl 命令创建 Service。

kubectl apply -f myapp-service.yaml

5. 资源调度和伸缩

Kubernetes 提供了资源调度和伸缩的功能，以确保应用程序在集群中获得足够的计算资源并根据负载自动扩展。

5.1. 资源调度

Kubernetes 使用调度器（Scheduler）将 Pod 调度到集群中的合适节点上。调度器根据节点的资源利用率、约束条件和亲和性规则等进行决策。

以下是一个 Pod 的调度约束条件示例：


apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myapp-pod
spec:
  containers:
    - name: myapp-container
      image: myapp:1.0
      ports:
        - containerPort: 8000
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
          - matchExpressions:
              - key: disktype
                operator: In
                values:
                  - ssd

5.2. 资源伸缩

Kubernetes 支持根据负载自动扩展应用程序的副本数量。可以使用 Horizontal Pod Autoscaler（HPA）来设置自动扩展的策略。

以下是一个 HPA 的示例 YAML 文件：


apiVersion: autoscaling/v2beta2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: myapp-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: myapp-deployment
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
    - type: Resource
      resource:
        name: cpu
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 50

使用 kubectl 命令创建 HPA。

kubectl apply -f myapp-hpa.yaml

6. 监控和日志管理

Kubernetes 提供了各种工具和插件，用于监控集群中的应用程序和收集容器日志。

6.1. 监控

Kubernetes 的监控解决方案通常包括以下组件：

Prometheus：用于收集和存储指标数据。
Grafana：用于可视化指标数据。
kube-state-metrics：用于将 Kubernetes API 对象转换为 Prometheus 可读取的指标。
cAdvisor：用于收集容器级别的性能指标。

6.2. 日志管理

Kubernetes 的日志管理解决方案通常包括以下组件：

Fluentd：用于收集、传输和存储容器日志。
Elasticsearch：用于存储和索引日志数据。
Kibana：用于可视化和查询日志数据。

7. 网络和存储管理

Kubernetes 提供了网络和存储管理的功能，以便应用程序可以进行通信和持久化存储。

7.1. 网络管理

Kubernetes 使用网络插件来提供集群内部和集群外部的网络连接。一些常见的网络插件包括：

Calico
Flannel
Weave

7.2. 存储管理

Kubernetes 支持多种存储解决方案，包括：

Persistent Volumes（PV）和 Persistent Volume Claims（PVC）：用于提供持久化存储。
CSI（Container Storage Interface）：用于与外部存储系统集成。

以上是关于容器编排与管理的基本概念和操作示例。通过理解这些概念和使用示例，您可以开始构建和管理 Kubernetes 集群，并在其中部署和运行应用程序。