Kubernetes初探：原理及实践应用

Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统。它构建于docker技术之上，为容器化的应用提供资源调度、部署运行、服务发现、扩容缩容等整一套功能，本质上可看作是基于容器技术的mini-PaaS平台。本文旨在梳理Kubernetes的架构、概念及基本工作流，并且通过运行一个简单的示例应用来介绍如何使用Kubernetes。

总体概览

如下图所示是我初步阅读文档和源代码之后整理的总体概览，基本上可以从如下三个维度来认识Kubernetes。

操作对象

Kubernetes以RESTFul形式开放接口，用户可操作的REST对象有三个：

• pod：是Kubernetes最基本的部署调度单元，可以包含container，逻辑上表示某种应用的一个实例。比如一个web站点应用由前端、后端及数据库构建而成，这三个组件将运行在各自的容器中，那么我们可以创建包含三个container的pod。

• service：是pod的路由代理抽象，用于解决pod之间的服务发现问题。因为pod的运行状态可动态变化(比如切换机器了、缩容过程中被终止了等)，所以访问端不能以写死IP的方式去访问该pod提供的服务。service的引入旨在保证pod的动态变化对访问端透明，访问端只需要知道service的地址，由service来提供代理。

• replicationController：是pod的复制抽象，用于解决pod的扩容缩容问题。通常，分布式应用为了性能或高可用性的考虑，需要复制多份资源，并且根据负载情况动态伸缩。通过replicationController，我们可以指定一个应用需要几份复制，Kubernetes将为每份复制创建一个pod，并且保证实际运行pod数量总是与该复制数量相等(例如，当前某个pod宕机时，自动创建新的pod来替换)。

可以看到，service和replicationController只是建立在pod之上的抽象，最终是要作用于pod的，那么它们如何跟pod联系起来呢？这就要引入label的概念： label其实很好理解，就是为pod加上可用于搜索或关联的一组key/value标签，而service和replicationController正是通过label来与pod关联的。如下图所示，有三个pod都有label为"app=backend"，创建service和replicationController时可以指定同样的label:"app=backend"，再通过label selector机制，就将它们与这三个pod关联起来了。例如，当有其他frontend pod访问该service时，自动会转发到其中的一个backend pod。

功能组件

如下图所示是官方文档里的集群架构图，一个典型的master/slave模型。

master运行三个组件：

• apiserver：作为kubernetes系统的入口，封装了核心对象的增删改查操作，以RESTFul接口方式提供给外部客户和内部组件调用。它维护的REST对象将持久化到etcd（一个分布式强一致性的key/value存储）。

• scheduler：负责集群的资源调度，为新建的pod分配机器。这部分工作分出来变成一个组件，意味着可以很方便地替换成其他的调度器。

• controller-manager：负责执行各种控制器，目前有两类：
• • endpoint-controller：定期关联service和pod(关联信息由endpoint对象维护)，保证service到pod的映射总是最新的。
  • replication-controller：定期关联replicationController和pod，保证replicationController定义的复制数量与实际运行pod的数量总是一致的。

slave(称作minion)运行两个组件：

• kubelet：负责管控docker容器，如启动/停止、监控运行状态等。它会定期从etcd获取分配到本机的pod，并根据pod信息启动或停止相应的容器。同时，它也会接收apiserver的HTTP请求，汇报pod的运行状态。

• proxy：负责为pod提供代理。它会定期从etcd获取所有的service，并根据service信息创建代理。当某个客户pod要访问其他pod时，访问请求会经过本机proxy做转发。

工作流

上文已经提到了Kubernetes中最基本的三个操作对象：pod, replicationController及service。下面分别从它们的对象创建出发，通过时序图来描述Kubernetes各个组件之间的交互及其工作流。

使用示例

最后，让我们进入实战模式，这里跑一个最简单的单机示例(所有组件运行在一台机器上)，旨在打通基本流程。

搭建环境

第一步，我们需要Kuberntes各组件的二进制可执行文件。有以下两种方式获取：

• 下载源代码自己编译：

 git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes.git
 cd kubernetes/build
 ./release.sh

• 直接下载人家已经编译打包好的tar文件：

 wget https://storage.googleapis.com/kubernetes/binaries.tar.gz

自己编译源码需要先安装好golang，编译完之后在kubernetes/_output/release-tars文件夹下可以得到打包文件。直接下载的方式不需要安装其他软件，但可能得不到最新的版本。

第二步，我们还需要etcd的二进制可执行文件，通过如下方式获取：

 wget https://github.com/coreos/etcd/releases/download/v0.4.6/etcd-v0.4.6-linux-amd64.tar.gz
 tar xvf etcd-v0.4.6-linux-amd64.tar.gz

第三步，就可以启动各个组件了：

etcd

 cd etcd-v0.4.6-linux-amd64
 ./etcd

apiserver

 ./apiserver \
 -address=127.0.0.1 \
 -port=8080 \
 -portal_net="172.0.0.0/16" \
 -etcd_servers=http://127.0.0.1:4001 \
 -machines=127.0.0.1 \
 -v=3 \
 -logtostderr=false \
 -log_dir=./log

scheduler

 ./scheduler -master 127.0.0.1:8080 \
 -v=3 \
 -logtostderr=false \
 -log_dir=./log

controller-manager

 ./controller-manager -master 127.0.0.1:8080 \
 -v=3 \
 -logtostderr=false \
 -log_dir=./log

kubelet

 ./kubelet \
 -address=127.0.0.1 \
 -port=10250 \
 -hostname_override=127.0.0.1 \
 -etcd_servers=http://127.0.0.1:4001 \
 -v=3 \
 -logtostderr=false \
 -log_dir=./log

创建pod
搭好了运行环境后，就可以提交pod了。首先编写pod描述文件，保存为redis.json：

 {
   "id": "redis",
   "desiredState": {
     "manifest": {
       "version": "v1beta1",
       "id": "redis",
       "containers": [{
         "name": "redis",
         "image": "dockerfile/redis",
         "imagePullPolicy": "PullIfNotPresent",
         "ports": [{
           "containerPort": 6379,
           "hostPort": 6379
         }]
       }]
     }
   },
   "labels": {
     "name": "redis"
   }
 }

然后，通过命令行工具kubecfg提交：

 ./kubecfg -c redis.json create /pods

提交完后，通过kubecfg查看pod状态：

 # ./kubecfg list /pods
 ID                  Image(s)            Host                Labels              Status
 ----------          ----------          ----------          ----------          ----------
 redis               dockerfile/redis    127.0.0.1/          name=redis          Running

Status是Running表示pod已经在容器里运行起来了，可以用"docker ps"命令来查看容器信息:

 # docker ps
 CONTAINER ID        IMAGE                     COMMAND                CREATED             STATUS              PORTS                    NAMES
 ae83d1e4b1ec        dockerfile/redis:latest   "redis-server /etc/r   19 seconds ago      Up 19 seconds                                k8s_redis.caa18858_redis.default.etcd_1414684622_1b43fe35

创建replicationController

 {
     "id": "redisController",
     "apiVersion": "v1beta1",
     "kind": "ReplicationController",
     "desiredState": {
       "replicas": 1,
       "replicaSelector": {"name": "redis"},
       "podTemplate": {
         "desiredState": {
            "manifest": {
              "version": "v1beta1",
              "id": "redisController",
              "containers": [{
                "name": "redis",
                "image": "dockerfile/redis",
                "imagePullPolicy": "PullIfNotPresent",
                "ports": [{
                    "containerPort": 6379,
                    "hostPort": 6379
                }]
              }]
            }
          },
          "labels": {"name": "redis"}
         }},
     "labels": {"name": "redis"}
   }

然后，通过命令行工具kubecfg提交：

 ./kubecfg -c redisController.json create /replicationControllers

提交完后，通过kubecfg查看replicationController状态：

 # ./kubecfg list /replicationControllers
 ID                  Image(s)            Selector            Replicas
 ----------          ----------          ----------          ----------
 redisController     dockerfile/redis    name=redis          1

同时，1个pod也将被自动创建出来，即使我们故意删除该pod，replicationController也将保证创建1个新pod。