基于Kubernetes构建Docker集群管理详解

Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统，基于Docker构建一个容器的调度服务，提供资源调度、均衡容灾、服务注册、动态扩缩容等功能套件，目前最新版本为0.6.2。本文介绍如何基于CentOS7.0构建Kubernetes平台。

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作者简介：刘天斯，目前就职于腾讯-互动娱乐部(高级工程师)，曾就职于天涯社区，担任架构师/系统管理员，热衷开源技术的研究，包括系统架构、运维开发、负载均衡、缓存技术、数据库、分布式存储及云计算等领域，擅长大规模集群的运维工作。关注互联网技术发展动向，努力紧靠技术前沿。充当一名普通的传播者和分享者。 著有《python自动化运维：技术与实践》、《Docker技术与实践》（预计2015年5月出版）。

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在正式介绍之前，大家有必要先理解Kubernetes几个核心概念及其承担的功能。以下为Kubernetes的架构设计图：

1. Pods

在Kubernetes系统中，调度的最小颗粒不是单纯的容器，而是抽象成一个Pod，Pod是一个可以被创建、销毁、调度、管理的最小的部署单元。比如一个或一组容器。

2. Replication Controllers

Replication Controller是Kubernetes系统中最有用的功能，实现复制多个Pod副本，往往一个应用需要多个Pod来支撑，并且可以保证其复制的副本数，即使副本所调度分配的宿主机出现异常，通过Replication Controller可以保证在其它主宿机启用同等数量的Pod。Replication Controller可以通过repcon模板来创建多个Pod副本，同样也可以直接复制已存在Pod，需要通过Label selector来关联。

3. Services

Services是Kubernetes最外围的单元，通过虚拟一个访问IP及服务端口，可以访问我们定义好的Pod资源，目前的版本是通过iptables的nat转发来实现，转发的目标端口为Kube_proxy生成的随机端口，目前只提供GOOGLE云上的访问调度，如GCE。如果与我们自建的平台进行整合？请关注下篇《kubernetes与HECD架构的整合》文章。

4. Labels

Labels是用于区分Pod、Service、Replication Controller的key/value键值对，仅使用在Pod、Service、Replication Controller之间的关系识别，但对这些单元本身进行操作时得使用name标签。

5. Proxy

Proxy不但解决了同一主宿机相同服务端口冲突的问题，还提供了Service转发服务端口对外提供服务的能力，Proxy后端使用了随机、轮循负载均衡算法。

说说个人一点看法，目前Kubernetes 保持一周一小版本、一个月一大版本的节奏，迭代速度极快，同时也带来了不同版本操作方法的差异，另外官网文档更新速度相对滞后及欠缺，给初学者带来一定挑战。在上游接入层官方侧重点还放在GCE（Google Compute Engine）的对接优化，针对个人私有云还未推出一套可行的接入解决方案。在v0.5版本中才引用service代理转发的机制，且是通过iptables来实现，在高并发下性能令人担忧。但作者依然看好Kubernetes未来的发展，至少目前还未看到另外一个成体系、具备良好生态圈的平台，相信在V1.0时就会具备生产环境的服务支撑能力。

一、环境部署

1. 平台版本说明

1. Centos7.0 OS
2. Kubernetes V0.6.2
3. etcd version 0.4.6
4. Docker version 1.3.2

2. 平台环境说明

3. 环境安装

1）系统初始化工作（所有主机）

系统安装-选择[最小化安装]

# yum -y install wget ntpdate bind-utils
# wget  http://mirror.centos.org/centos/7/extras/x86_64/Packages/epel-release-7-2.noarch.rpm
# yum update

CentOS 7.0默认使用的是firewall作为防火墙，这里改为iptables防火墙（熟悉度更高，非必须）。

1.1 关闭firewall：1.1、关闭firewall：

# systemctl stop firewalld.service #停止firewall
# systemctl disable firewalld.service #禁止firewall开机启动

1.2 安装iptables防火墙

# yum install iptables-services #安装
# systemctl start iptables.service #最后重启防火墙使配置生效
# systemctl enable iptables.service #设置防火墙开机启动

2）安装Etcd（192.168.1.10主机）

# mkdir -p /home/install && cd /home/install  
# wget  https://github.com/coreos/etcd/releases/download/v0.4.6/etcd-v0.4.6-linux-amd64.tar.gz  
# tar -zxvf etcd-v0.4.6-linux-amd64.tar.gz  
# cd etcd-v0.4.6-linux-amd64  
# cp etcd* /bin/  
# /bin/etcd -version  
etcd version 0.4.6 

启动服务etcd服务，如有提供第三方管理需求，另需在启动参数中添加“-cors='*'”参数。

# mkdir /data/etcd  
# /bin/etcd -name etcdserver -peer-addr 192.168.1.10:7001 -addr 192.168.1.10:4001 -data-dir /data/etcd -peer-bind-addr 0.0.0.0:7001 -bind-addr 0.0.0.0:4001 &

配置etcd服务防火墙，其中4001为服务端口，7001为集群数据交互端口。

# iptables -I INPUT -s 192.168.1.0/24 -p tcp --dport 4001 -j ACCEPT
# iptables -I INPUT -s 192.168.1.0/24 -p tcp --dport 7001 -j ACCEPT

3）安装Kubernetes（涉及所有Master、Minion主机）

通过yum源方式安装，默认将安装etcd, docker, and cadvisor相关包。

# curl  https://copr.fedoraproject.org/coprs/eparis/kubernetes-epel-7/repo/epel-7/eparis-kubernetes-epel-7-epel-7.repo -o /etc/yum.repos.d/eparis-kubernetes-epel-7-epel-7.repo
#yum -y install kubernetes

升级至v0.6.2，覆盖bin文件即可，方法如下：

# mkdir -p /home/install && cd /home/install
# wget  https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes/releases/download/v0.6.2/kubernetes.tar.gz
# tar -zxvf kubernetes.tar.gz
# tar -zxvf kubernetes/server/kubernetes-server-linux-amd64.tar.gz
# cp kubernetes/server/bin/kube* /usr/bin

校验安装结果，出版以下信息说明安装正常。

[root@SN2014-12-200 bin]# /usr/bin/kubectl version
Client Version: version.Info{Major:"0", Minor:"6+", GitVersion:"v0.6.2", GitCommit:"729fde276613eedcd99ecf5b93f095b8deb64eb4", GitTreeState:"clean"}
Server Version: &version.Info{Major:"0", Minor:"6+", GitVersion:"v0.6.2", GitCommit:"729fde276613eedcd99ecf5b93f095b8deb64eb4", GitTreeState:"clean"}

4）Kubernetes配置（仅Master主机）

master运行三个组件,包括apiserver、scheduler、controller-manager，相关配置项也只涉及这三块。

4.1【/etc/kubernetes/config】

# Comma seperated list of nodes in the etcd cluster  
KUBE_ETCD_SERVERS="--etcd_servers=http://192.168.1.10:4001"  
# logging to stderr means we get it in the systemd journal  
KUBE_LOGTOSTDERR="--logtostderr=true"  
# journal message level, 0 is debug  
KUBE_LOG_LEVEL="--v=0"  
# Should this cluster be allowed to run privleged docker containers  
KUBE_ALLOW_PRIV="--allow_privileged=false"  

4.2【/etc/kubernetes/apiserver】

# The address on the local server to listen to.  
KUBE_API_ADDRESS="--address=0.0.0.0"  
# The port on the local server to listen on.  
KUBE_API_PORT="--port=8080"  
# How the replication controller and scheduler find the kube-apiserver  
KUBE_MASTER="--master=192.168.1.200:8080"  
# Port minions listen on  
KUBELET_PORT="--kubelet_port=10250"  
# Address range to use for services  
KUBE_SERVICE_ADDRESSES="--portal_net=10.254.0.0/16"  
# Add you own!  
KUBE_API_ARGS=""

4.3【/etc/kubernetes/controller-manager】

# Comma seperated list of minions  
KUBELET_ADDRESSES="--machines= 192.168.1.201,192.168.1.202"  
# Add you own!  
KUBE_CONTROLLER_MANAGER_ARGS=""  

4.4【/etc/kubernetes/scheduler】

# Add your own!  
KUBE_SCHEDULER_ARGS=""  

启动master侧相关服务

# systemctl daemon-reload
# systemctl start kube-apiserver.service kube-controller-manager.service kube-scheduler.service
# systemctl enable kube-apiserver.service kube-controller-manager.service kube-scheduler.service

5）Kubernetes配置（仅minion主机）

minion运行两个组件,包括kubelet、proxy，相关配置项也只涉及这两块。

Docker启动脚本更新

# vi /etc/sysconfig/docker

添加：-H tcp://0.0.0.0:2375，最终配置如下，以便以后提供远程API维护。

OPTIONS=--selinux-enabled -H tcp://0.0.0.0:2375 -H fd://

修改minion防火墙配置，通常master找不到minion主机多半是由于端口没有连通。

iptables -I INPUT -s 192.168.1.200 -p tcp --dport 10250 -j ACCEPT

修改kubernetes minion端配置，以192.168.1.201主机为例，其它minion主机同理。

5.1【/etc/kubernetes/config】

# Comma seperated list of nodes in the etcd cluster  
KUBE_ETCD_SERVERS="--etcd_servers=http://192.168.1.10:4001"  
# logging to stderr means we get it in the systemd journal  
KUBE_LOGTOSTDERR="--logtostderr=true"  
# journal message level, 0 is debug  
KUBE_LOG_LEVEL="--v=0"  
# Should this cluster be allowed to run privleged docker containers  
KUBE_ALLOW_PRIV="--allow_privileged=false"  

5.2【/etc/kubernetes/kubelet】

###  
# kubernetes kubelet (minion) config  
# The address for the info server to serve on (set to 0.0.0.0 or "" for all interfaces)  
KUBELET_ADDRESS="--address=0.0.0.0"  
# The port for the info server to serve on  
KUBELET_PORT="--port=10250"  
# You may leave this blank to use the actual hostname  
KUBELET_HOSTNAME="--hostname_override=192.168.1.201"  
# Add your own!  
KUBELET_ARGS=""  

5.3【/etc/kubernetes/proxy】

KUBE_PROXY_ARGS=""  

启动kubernetes服务

# systemctl daemon-reload
# systemctl enable docker.service kubelet.service kube-proxy.service
# systemctl start docker.service kubelet.service kube-proxy.service

3.校验安装(在master主机操作，或可访问master主机8080端口的client api主机)

1) kubernetes常用命令

# kubectl get minions    #查查看minion主机
# kubectl get pods    #查看pods清单
# kubectl get services 或 kubectl get services -o json    #查看service清单
# kubectl get replicationControllers    #查看replicationControllers清单
# for i in `kubectl get pod|tail -n +2|awk '{print $1}'`; do kubectl delete pod $i; done    #删除所有pods

或者通过Server api for REST方式（推荐，及时性更高）：

# curl -s -L  http://192.168.1.200:8080/api/v1beta1/version | python -mjson.tool    #查看kubernetes版本
# curl -s -L  http://192.168.1.200:8080/api/v1beta1/pods | python -mjson.tool    #查看pods清单
# curl -s -L  http://192.168.1.200:8080/api/v1beta1/replicationControllers | python -mjson.tool    #查看replicationControllers清单
# curl -s -L  http://192.168.1.200:8080/api/v1beta1/minions | python -m json.tool    #查查看minion主机
# curl -s -L  http://192.168.1.200:8080/api/v1beta1/services | python -m json.tool    #查看service清单

注：在新版Kubernetes中，所有的操作命令都整合至kubectl，包括kubecfg、kubectl.sh、kubecfg.sh等

2）创建测试pod单元

# /home/kubermange/pods && cd /home/kubermange/pods

# vi apache-pod.json

{  
  "id": "fedoraapache",  
  "kind": "Pod",  
  "apiVersion": "v1beta1",  
  "desiredState": {  
    "manifest": {  
      "version": "v1beta1",  
      "id": "fedoraapache",  
      "containers": [{  
        "name": "fedoraapache",  
        "image": "fedora/apache",  
        "ports": [{  
          "containerPort": 80,  
          "hostPort": 8080  
        }]  
      }]  
    }  
  },  
  "labels": {  
    "name": "fedoraapache"  
  }  
}  

# kubectl create -f apache-pod.json

# kubectl get pod

NAME                IMAGE(S)            HOST                LABELS              STATUS
fedoraapache        fedora/apache       192.168.1.202/      name=fedoraapache   Running

启动浏览器访问http://192.168.1.202:8080/，对应的服务端口切记在iptables中已添加。效果图如下：

观察kubernetes在etcd中的数据存储结构

观察单个pods的数据存储结构，以json的格式存储。

二、实战操作

任务：通过Kubernetes创建一个LNMP架构的服务集群，以及观察其负载均衡，涉及镜像“yorko/webserver”已经push至registry.hub.docker.com，大家可以通过“docker pull yorko/webserver”下载。

# mkdir -p /home/kubermange/replication && mkdir -p /home/kubermange/service
# cd /home/kubermange/replication 

1. 创建一个replication，本例直接在replication模板中创建pod并复制，也可独立创建pod再通过replication来复制。

【replication/lnmp-replication.json】

{  
  "id": "webserverController",  
  "kind": "ReplicationController",  
  "apiVersion": "v1beta1",  
  "labels": {"name": "webserver"},  
  "desiredState": {  
    "replicas": 2,  
    "replicaSelector": {"name": "webserver_pod"},  
    "podTemplate": {  
      "desiredState": {  
         "manifest": {  
           "version": "v1beta1",  
           "id": "webserver",  
           "volumes": [  
             {"name":"httpconf", "source":{"hostDir":{"path":"/etc/httpd/conf"}}},  
             {"name":"httpconfd", "source":{"hostDir":{"path":"/etc/httpd/conf.d"}}},  
             {"name":"httproot", "source":{"hostDir":{"path":"/data"}}}  
            ],  
           "containers": [{  
             "name": "webserver",  
             "image": "yorko/webserver",  
             "command": ["/bin/sh", "-c", "/usr/bin/supervisord -c /etc/supervisord.conf"],  
             "volumeMounts": [  
               {"name":"httpconf", "mountPath":"/etc/httpd/conf"},  
               {"name":"httpconfd", "mountPath":"/etc/httpd/conf.d"},  
               {"name":"httproot", "mountPath":"/data"}  
              ],  
             "cpu": 100,  
             "memory": 50000000,  
             "ports": [{  
               "containerPort": 80,  
             },{  
               "containerPort": 22,  
            }]  
           }]  
         }  
       },  
       "labels": {"name": "webserver_pod"},  
      },  
  }  
}  

执行创建命令

#kubectl create -f lnmp-replication.json

观察生成的pod副本清单：

[root@SN2014-12-200 replication]# kubectl get pod

NAME                                   IMAGE(S)            HOST                LABELS               STATUS
84150ab7-89f8-11e4-970d-000c292f1620   yorko/webserver     192.168.1.202/      name=webserver_pod   Running
84154ed5-89f8-11e4-970d-000c292f1620   yorko/webserver     192.168.1.201/      name=webserver_pod   Running
840beb1b-89f8-11e4-970d-000c292f1620   yorko/webserver     192.168.1.202/      name=webserver_pod   Running
84152d93-89f8-11e4-970d-000c292f1620   yorko/webserver     192.168.1.202/      name=webserver_pod   Running
840db120-89f8-11e4-970d-000c292f1620   yorko/webserver     192.168.1.201/      name=webserver_pod   Running
8413b4f3-89f8-11e4-970d-000c292f1620   yorko/webserver     192.168.1.201/      name=webserver_pod   Running

2.创建一个service，通过selector指定 "name": "webserver_pod"与pods关联。

【service/lnmp-service.json】

{  
  "id": "webserver",  
  "kind": "Service",  
  "apiVersion": "v1beta1",  
  "selector": {  
    "name": "webserver_pod",  
  },  
  "protocol": "TCP",  
  "containerPort": 80,  
  "port": 8080  
}  

执行创建命令：

# kubectl create -f lnmp-service.json

登录minion主机（192.168.1.201），查询主宿机生成的iptables转发规则（最后一行）

# iptables -nvL -t nat

Chain KUBE-PROXY (2 references)
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination        
    2   120 REDIRECT   tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            10.254.102.162       /* kubernetes */ tcp dpt:443 redir ports 47700
    1    60 REDIRECT   tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            10.254.28.74         /* kubernetes-ro */ tcp dpt:80 redir ports 60099
    0     0 REDIRECT   tcp  --  *      *       0.0.0.0/0            10.254.216.51        /* webserver */ tcp dpt:8080 redir ports 40689

访问测试，http://192.168.1.201:40689/info.php，刷新浏览器发现proxy后端的变化，默认为随机轮循算法。

三、测试过程

1.pods自动复制、销毁测试，观察Kubernetes自动保持副本数（6份）

删除replicationcontrollers中一个副本fedoraapache

[root@SN2014-12-200 pods]# kubectl delete pods fedoraapache

I1219 23:59:39.305730    9516 restclient.go:133] Waiting for completion of operation 142530

fedoraapache

[root@SN2014-12-200 pods]# kubectl get pods

NAME                                   IMAGE(S)            HOST                LABELS              STATUS
5d70892e-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.201/      name=fedoraapache   Running
5d715e56-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.202/      name=fedoraapache   Running
5d717f8d-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.202/      name=fedoraapache   Running
5d71c584-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.201/      name=fedoraapache   Running
5d71a494-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.202/      name=fedoraapache   Running

#自动生成出一个副本，保持6份的效果

[root@SN2014-12-200 pods]# kubectl get pods

NAME                                   IMAGE(S)            HOST                LABELS              STATUS
5d717f8d-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.202/      name=fedoraapache   Running
5d71c584-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.201/      name=fedoraapache   Running
5d71a494-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.202/      name=fedoraapache   Running
2a8fb993-8798-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.201/      name=fedoraapache   Running
5d70892e-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.201/      name=fedoraapache   Running
5d715e56-8794-11e4-970d-000c292f1620   fedora/apache       192.168.1.202/      name=fedoraapache   Running

2.测试不同角色模块中的hostPort

1）pod中hostPort为空，而replicationcontrollers为指定端口，则异常；两侧都指定端口，相同或不同时都异常；pod的hostport为指定，另replicationcon为空，则正常；pod的hostport为空，另replicationcon为空，则正常；结论是在replicationcontrollers场景不能指定hostport，否则异常，待持续测试。

2）结论：在replicationcontronllers.json中，"replicaSelector": {"name": "webserver_pod"}要与"labels": {"name": "webserver_pod"}以及service中的"selector": {"name": "webserver_pod"｝保持一致；

下篇文章中，刘天斯计划介绍《Kubernetes与HECD架构的整合》，敬请期待！

参考文献：

Kubernetes fedora_manual_config.md

kubernetes/DESIGN.md

Kubernetes系统架构简介

原文链接：基于kubernetes构建Docker集群管理详解（责编：周小璐）