玩转Kubernetes—基础概念篇

简介: 玩转Kubernetes—基础概念篇

1 Kubernetes 是什么?

  • 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。Kubernetes 的服务、支持和工具广泛可用。
  • Kubernetes是Google开源的一个容器编排引擎,它支持自动化部署、大规模可伸缩、应用容器化管理。在生产环境中部署一个应用程序时,通常要部署该应用的多个实例以便对应用请求进行负载均衡。在Kubernetes中,我们可以创建多个容器,每个容器里面运行一个应用实例,然后通过内置的负载均衡策略,实现对这一组应用实例的管理、发现、访问,而这些细节都不需要运维人员去进行复杂的手工配置和处理。

PS:为什么称Kubernetes为k8s?

Kubernetes 这个名字源于希腊语,意为“舵手”或“飞行员”。k8s 这个缩写是因为 k 和 s 之间有八个字符的关系。 Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目。

2 为什么是容器化部署?

(图片来自:https://kubernetes.io/

2.1 传统部署时代

早期,各个组织机构在物理服务器上运行应用程序。无法为物理服务器中的应用程序定义资源边界,这会导致资源分配问题。 例如,如果在物理服务器上运行多个应用程序,则可能会出现一个应用程序占用大部分资源的情况, 结果可能导致其他应用程序的性能下降。 一种解决方案是在不同的物理服务器上运行每个应用程序,但是由于资源利用不足而无法扩展, 并且维护许多物理服务器的成本很高。

存在问题

  • 物理服务器的成本很高
  • 程序资源分配不均
2.2 虚拟化部署时代

作为传统物理机部署问题的解决方案,引入了虚拟化。虚拟化技术允许你在单个物理服务器的 CPU 上运行多个虚拟机(VM)。 虚拟化允许应用程序在 VM 之间隔离,并提供一定程度的安全,因为一个应用程序的信息 不能被另一应用程序随意访问。

虚拟化技术能够更好地利用物理服务器上的资源,并且因为可轻松地添加或更新应用程序 而可以实现更好的可伸缩性,降低硬件成本等等。每个 VM 是一台完整的计算机,在虚拟化硬件之上运行所有组件,包括其自己的操作系统。

存在问题

  • 性能损耗较大
  • 依赖于宿主机,主机有问题VM也可能会导致不可用
2.3 容器部署时代

容器类似于 VM,但是它们具有被放宽的隔离属性,可以在应用程序之间共享操作系统(OS)。 因此,容器被认为是轻量级的。容器与 VM 类似,具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。 由于它们与基础架构分离,因此可以跨云和 OS 发行版本进行移植。

2.4 总结

容器因具有许多优势而变得流行起来。下面列出的是容器的一些好处:

  • 敏捷应用程序的创建和部署:与使用 VM 镜像相比,提高了容器镜像创建的简便性和效率。
  • 持续开发、集成和部署:通过快速简单的回滚(由于镜像不可变性),支持可靠且频繁的 容器镜像构建和部署。
  • 关注开发与运维的分离:在构建/发布时而不是在部署时创建应用程序容器镜像, 从而将应用程序与基础架构分离。
  • 可观察性:不仅可以显示操作系统级别的信息和指标,还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
  • 跨开发、测试和生产的环境一致性:在便携式计算机上与在云中相同地运行。
  • 跨云和操作系统发行版本的可移植性:可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地、 Google Kubernetes Engine 和其他任何地方运行。
  • 以应用程序为中心的管理:提高抽象级别,从在虚拟硬件上运行 OS 到使用逻辑资源在 OS 上运行应用程序。
  • 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务:应用程序被分解成较小的独立部分, 并且可以动态部署和管理 - 而不是在一台大型单机上整体运行。
  • 资源隔离:可预测的应用程序性能。
  • 资源利用:高效率和高密度。

3 Kubernetes 组件

图片来自:https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/overview/components/

3.1 控制平面(Control Plane) 组件

控制平面的组件对集群做出全局决策(比如调度),以及检测和响应集群事件(例如,当不满足部署的 replicas 字段时,启动新的 pod)。

控制平面组件可以在集群中的任何节点上运行。 然而,为了简单起见,设置脚本通常会在同一个计算机上启动所有控制平面组件, 并且不会在此计算机上运行用户容器。

(1)kube-apiserver

API 服务器是 Kubernetes 控制面的组件, 该组件公开了 Kubernetes API。 API 服务器是 Kubernetes 控制面的前端。

Kubernetes API 服务器的主要实现是 kube-apiserver。 kube-apiserver 设计上考虑了水平伸缩,也就是说,它可通过部署多个实例进行伸缩。 你可以运行 kube-apiserver 的多个实例,并在这些实例之间平衡流量。

(2)etcd

etcd 是兼具一致性和高可用性的键值数据库,可以作为保存 Kubernetes 所有集群数据的后台数据库。

(3)kube-scheduler

控制平面组件,负责监视新创建的、未指定运行节点(node)的Pods,选择节点让 Pod 在上面运行。

调度决策考虑的因素包括单个 Pod 和 Pod 集合的资源需求、硬件/软件/策略约束、亲和性和反亲和性规范、数据位置、工作负载间的干扰和最后时限。

(4)kube-controller-manager

运行控制器进程的控制平面组件。

从逻辑上讲,每个控制器都是一个单独的进程, 但是为了降低复杂性,它们都被编译到同一个可执行文件,并在一个进程中运行。

这些控制器包括:

  • 节点控制器(Node Controller): 负责在节点出现故障时进行通知和响应
  • 任务控制器(Job controller): 监测代表一次性任务的 Job 对象,然后创建 Pods 来运行这些任务直至完成
  • 端点控制器(Endpoints Controller): 填充端点(Endpoints)对象(即加入 Service 与 Pod)
  • 服务帐户和令牌控制器(Service Account & Token Controllers): 为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌

(5)cloud-controller-manager

cloud-controller-manager 仅运行特定于云平台的控制回路。 如果你在自己的环境中运行 Kubernetes,或者在本地计算机中运行学习环境, 所部署的环境中不需要云控制器管理器。

kube-controller-manager 类似,cloud-controller-manager 将若干逻辑上独立的 控制回路组合到同一个可执行文件中,供你以同一进程的方式运行。 你可以对其执行水平扩容(运行不止一个副本)以提升性能或者增强容错能力。

下面的控制器都包含对云平台驱动的依赖:

  • 节点控制器(Node Controller): 用于在节点终止响应后检查云提供商以确定节点是否已被删除
  • 路由控制器(Route Controller): 用于在底层云基础架构中设置路由
  • 服务控制器(Service Controller): 用于创建、更新和删除云提供商负载均衡器
3.2 Node 组件

节点组件在每个节点上运行,维护运行的 Pod 并提供 Kubernetes 运行环境。

(1)kubelet

一个在集群中每个节点(node)上运行的代理。 它保证容器(containers)都 运行在Pod中。

kubelet 接收一组通过各类机制提供给它的 PodSpecs,确保这些 PodSpecs 中描述的容器处于运行状态且健康。 kubelet 不会管理不是由 Kubernetes 创建的容器。

(2)kube-proxy

kube-proxy是集群中每个节点上运行的网络代理, 实现 Kubernetes 服务(Service)概念的一部分。

kube-proxy 维护节点上的网络规则。这些网络规则允许从集群内部或外部的网络会话与 Pod 进行网络通信。

如果操作系统提供了数据包过滤层并可用的话,kube-proxy 会通过它来实现网络规则。否则, kube-proxy 仅转发流量本身。

(3)容器运行时(Container Runtime)

容器运行环境是负责运行容器的软件。

Kubernetes 支持容器运行时,例如 Docker、 containerd、Kubernetes CRI (容器运行环境接口)的其他任何实现。

3.3 插件(Addons)

插件使用 Kubernetes 资源(DaemonSet、 Deployment等)实现集群功能。 因为这些插件提供集群级别的功能,插件中命名空间域的资源属于 kube-system 命名空间。

(1)DNS

几乎所有 Kubernetes 集群都应该 有集群 DNS, 因为很多示例都需要 DNS 服务。

集群 DNS 是一个 DNS 服务器,和环境中的其他 DNS 服务器一起工作,它为 Kubernetes 服务提供 DNS 记录。

Kubernetes 启动的容器自动将此 DNS 服务器包含在其 DNS 搜索列表中。

(2)Web 界面(仪表盘)

Dashboard是 Kubernetes 集群的通用的、基于 Web 的用户界面。 它使用户可以管理集群中运行的应用程序以及集群本身并进行故障排除。

(3)容器资源监控

容器资源监控将关于容器的一些常见的时间序列度量值保存到一个集中的数据库中,并提供用于浏览这些数据的界面。

(4)集群层面日志

集群层面日志机制负责将容器的日志数据 保存到一个集中的日志存储中,该存储能够提供搜索和浏览接口。

4 Kubernetes基本术语

  • Master(主节点): 控制 Kubernetes 节点的机器,也是创建作业任务的地方。
  • Node(节点): 这些机器在 Kubernetes 主节点的控制下执行被分配的任务。
  • Pod: 由一个或多个容器构成的集合,作为一个整体被部署到一个单一节点。同一个 pod 中的容器共享 IP 地址、进程间通讯(IPC)、主机名以及其它资源。Pod 将底层容器的网络和存储抽象出来,使得集群内的容器迁移更为便捷。
  • Replication controller(复制控制器): 控制一个 pod 在集群上运行的实例数量。
  • Service(服务): 将服务内容与具体的 pod 分离。Kubernetes 服务代理负责自动将服务请求分发到正确的 pod 处,不管 pod 移动到集群中的什么位置,甚至可以被替换掉。
  • kubelet: 这个守护进程运行在各个工作节点上,负责获取容器列表,保证被声明的容器已经启动并且正常运行。
  • kubectl: 这是 Kubernetes 的命令行配置工具。

(各概念之间的关系图片来自:https://pic4.zhimg.com/80/v2-b3f96ec449b52cd0b8e5ca141bffb623_720w.png

更多术语:https://kubernetes.io/zh/docs/reference/glossary/?all=true

5 Kubernetes常用工具

5.1 kubeadm

kubeadm:用来初始化集群的指令。

Kubeadm 是一个提供了 kubeadm initkubeadm join 的工具, 作为创建 Kubernetes 集群的 “快捷途径” 的最佳实践。

Kubeadm 是一个工具,旨在为创建 Kubernetes 集群提供最佳实践“快速路径”。它执行必要的操作,以用户友好的方式启动和运行最小可行、安全的集群。Kubeadm 的范围仅限于本地节点文件系统和 Kubernetes API,它旨在成为更高级别工具的可组合构建块。按照设计,它只关注启动引导,而非配置机器。同样的, 安装各种 “锦上添花” 的扩展,例如 Kubernetes Dashboard、 监控方案、以及特定云平台的扩展,都不在讨论范围内。

https://kubernetes.io/zh/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm/install-kubeadm/

https://kubernetes.io/zh/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm/create-cluster-kubeadm/

5.2 kubelet

kubelet:在集群中的每个节点上用来启动 Pod 和容器等。

kubelet 是在每个节点上运行的主要“节点代理”。它可以使用以下之一向 apiserver 注册节点:

  • 主机名;
  • 覆盖主机名的标志;
  • 云提供商的特定逻辑。

kubelet 根据 PodSpec 工作。PodSpec 是描述 pod 的 YAML 或 JSON 对象。kubelet 采用一组通过各种机制(主要通过 apiserver)提供的 PodSpec,并确保这些 PodSpec 中描述的容器运行且健康。kubelet 不管理不是由 Kubernetes 创建的容器。

除了来自 apiserver 的 PodSpec 之外,还可以通过三种方式将容器清单提供给 Kubelet。

  • 文件:在命令行上作为标志传递的路径。将定期监视此路径下的文件是否有更新。监控周期默认为 20 秒,可通过标志配置。
  • HTTP 端点:在命令行上作为参数传递的 HTTP 端点。该端点每 20 秒检查一次(也可以使用标志进行配置)。
  • HTTP 服务器:kubelet 还可以侦听 HTTP 并响应一个简单的 API(当前未规范)以提交新的清单

https://kubernetes.io/docs/reference/command-line-tools-reference/kubelet/

5.3 kubectl

kubectl:用来与集群通信的命令行工具。

你可以使用 Kubectl 命令行工具管理 Kubernetes 集群。 kubectl$HOME/.kube 目录中查找一个名为 config 的配置文件。 你可以通过设置 KUBECONFIG 环境变量或设置--kubeconfig参数来指定其它 kubeconfig文件。

https://kubernetes.io/zh/docs/reference/kubectl/kubectl/

5.4 kind

kind是一个使用 Docker 容器“节点”运行本地 Kubernetes 集群的工具。kind 主要是为测试 Kubernetes 本身而设计的,但也可以用于本地开发或 CI。

kind包括:

  • 实现集群创建、镜像构建等。
  • kind基于这些包构建的命令行界面。
  • 为运行 systemd、Kubernetes 等而编写的Docker映像。
  • kubetest集成也建立在这些包 (WIP) 之上
  • kind 使用kubeadm引导每个“节点” 。

https://kind.sigs.k8s.io/docs/user/quick-start/

5.5 minikube

minikube 是本地 Kubernetes,专注于让 Kubernetes 易于学习和开发。

您所需要的只是 Docker(或类似兼容的)容器或虚拟机环境,而 Kubernetes 只需一个命令即可:minikube start

https://minikube.sigs.k8s.io/docs/start/

5.6 常用工具小结

简单的来讲,我认为上述五个工具中,kubeadm、kind、minikube是属于集群的创建工具,并且kind和minikube是属于学习和测试环境下简单易用的,而kubeadm属于生产环境下更加便捷的。

此外, kubelet和 kubectl都属于集群创建后的管理工具,而 kubectl的管理范围更大,功能更多。

综上,如有哪里理解不对的地方还请读者指出。

参考:

https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/overview/what-is-kubernetes/

https://kubernetes.io/zh/docs/reference/glossary/?all=true

https://zhuanlan.zhihu.com/p/29232090

https://kubernetes.io/zh/docs/tasks/tools/

https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/overview/components/

https://baike.baidu.com/item/kubernetes/22864162?fr=aladdin

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