图说Kubernetes

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目录

• 一、看图说K8S
• 二、K8S的概念和术语
• 三、K8S集群组件
  • 1、Master组件
  • 2、Node组件
  • 3、核心附件
• 四、K8S的网络模型

一、看图说K8S

先从一张大图来观看一下K8S是如何运作的，再具体去细化K8S的概念、组件以及网络模型。

从上图，我们可以看到K8S组件和逻辑及其复杂，但是这并不可怕，我们从宏观上先了解K8S是怎么用的，再进行庖丁解牛。从上图我们可以看出：

• Kubernetes集群主要由Master和Node两类节点组成
• Master的组件包括：apiserver、controller-manager、scheduler和etcd等几个组件，其中apiserver是整个集群的网关。
• Node主要由kubelet、kube-proxy、docker引擎等组件组成。kubelet是K8S集群的工作与节点上的代理组件。
• 一个完整的K8S集群，还包括CoreDNS、Prometheus（或HeapSter）、Dashboard、Ingress Controller等几个附加组件。其中cAdivsor组件作用于各个节点（master和node节点）之上，用于收集及收集容器及节点的CPU、内存以及磁盘资源的利用率指标数据，这些统计数据由Heapster聚合后，可以通过apiserver访问。

要了解K8S的所有组件，没去走一遍，永远不知道它是怎么跑起来的，那么下面就带着几个新手疑问来看K8S

• 1、K8S是如何对容器编排？

在K8S集群中，容器并非最小的单位，K8S集群中最小的调度单位是Pod，容器则被封装在Pod之中。由此可知，一个容器或多个容器可以同属于在一个Pod之中。

• 2、Pod是怎么创建出来的？

Pod并不是无缘无故跑出来的，它是一个抽象的l逻辑概念，那么Pod是如何创建的呢？Pod是由Pod控制器进行管理控制，其代表性的Pod控制器有Deployment、StatefulSet等。这里我们先有这样的一个概念，后面再详细解刨。

• 3、Pod资源组成的应用如何提供外部访问的？

Pod组成的应用是通过Service这类抽象资源提供内部和外部访问的，但是service的外部访问需要端口的映射，带来的是端口映射的麻烦和操作的繁琐。为此还有一种提供外部访问的资源叫做Ingress。

• 4、Service又是怎么关联到Pod呢？

在上面说的Pod是由Pod控制器进行管理控制，对Pod资源对象的期望状态进行自动管理。而在Pod控制器是通过一个YAML的文件进行定义Pod资源对象的。在该文件中，还会对Pod资源对象进行打标签，用于Pod的辨识，而Servcie就是通过标签选择器，关联至同一标签类型的Pod资源对象。这样就实现了从service-->pod-->container的一个过程。

• 5、Pod的怎么创建逻辑流程是怎样的？

• （1）客户端提交创建请求，可以通过API Server的Restful API，也可以使用kubectl命令行工具。支持的数据类型包括JSON和YAML。
• （2）API Server处理用户请求，存储Pod数据到etcd。
• （3）调度器通过API Server查看未绑定的Pod。尝试为Pod分配主机。
• （4）过滤主机 (调度预选)：调度器用一组规则过滤掉不符合要求的主机。比如Pod指定了所需要的资源量，那么可用资源比Pod需要的资源量少的主机会被过滤掉。
• （5）主机打分(调度优选)：对第一步筛选出的符合要求的主机进行打分，在主机打分阶段，调度器会考虑一些整体优化策略，比如把容一个Replication Controller的副本分布到不同的主机上，使用最低负载的主机等。
• （6）选择主机：选择打分最高的主机，进行binding操作，结果存储到etcd中。
• （7）kubelet根据调度结果执行Pod创建操作： 绑定成功后，scheduler会调用APIServer的API在etcd中创建一个boundpod对象，描述在一个工作节点上绑定运行的所有pod信息。运行在每个工作节点上的kubelet也会定期与etcd同步boundpod信息，一旦发现应该在该工作节点上运行的boundpod对象没有更新，则调用Docker API创建并启动pod内的容器。

从上面的几个疑问，大致了解了K8S怎么工作的，那么现在再从三个面去了解Kubernetes，分别是Kubernetes概念和术语、集群组件、网络模型。

二、K8S的概念和术语

​ Kubernetes是利用共享网络将多个物理机或者虚拟机组成一个集群，在各个服务器之间进行通信，该集群是配置Kubernetes的所有租金啊啊、功能和负载的物理平台。

​ 一个Kubernetes集群由master和node组成。如下图：

• Master：是集群的网关和中枢枢纽，主要作用：暴露API接口，跟踪其他服务器的健康状态、以最优方式调度负载，以及编排其他组件之间的通信。单个的Master节点可以完成所有的功能，但是考虑单点故障的痛点，生产环境中通常要部署多个Master节点，组成Cluster。
• Node：是Kubernetes的工作节点，负责接收来自Master的工作指令，并根据指令相应地创建和销毁Pod对象，以及调整网络规则进行合理路由和流量转发。生产环境中，Node节点可以有N个。

Kubernetes从宏观上看分为2个角色：Master和Node，但是在Master节点和Node节点上都存在着多个组件来支持内部的业务逻辑，其包括：运行应用、应用编排、服务暴露、应用恢复等等，在Kubernetes中这些概念被抽象为Pod、Service、Controller等资源类型。先来了解一下这些常用概念和术语：

• （1）Pod

  从上图，我们可以看到K8S并不直接地运行容器，而是被一个抽象的资源对象--Pod所封装，它是K8S最小的调度单位。这里要注意的是，Pod可以封装一个活多个容器！同一个Pod中共享网络名称空间和存储资源，而容器之间可以通过本地回环接口：lo 直接通信，但是彼此之间又在Mount、User和Pid等名称空间上保持了隔离。

• （2）资源标签（Label）

  标签（Label）是将资源进行分类的标识符，就好像超市的商品分类一般。资源标签具体化的就是一个键值型（key/values)数据，相信了解redis的友友应该知道什么是键值数据。使用标签是为了对指定对象进行辨识，比如Pod对象。标签可以在对象创建时进行附加，也可以创建后进行添加或修改。要知道的是一个对象可以有多个标签，一个标签页可以附加到多个对象。如图：

• （3）标签选择器（Selector）

  有标签，当然就有标签选择器，它是根据Label进行过滤符合条件的资源对象的一种 机制。比如将含有标签role: backend的所有Pod对象挑选出来归并为一组。通常在使用过程中，会通过标签对资源对象进行分类，然后再通过标签选择器进行筛选，最常见的应用就是讲一组这样的Pod资源对象创建为某个Service的端点。如图：

• （4）Pod控制器（Controller）

  虽然Pod是K8S的最小调度单位，但是K8S并不会直接地部署和管理Pod对象，而是要借助于另外一个抽象资源--Controller进行管理。其实一种管理Pod生命周期的资源抽象，并且它是一类对象，并非单个的资源对象，其中包括：ReplicationController、ReplicaSet、Deployment、StatefulSet、Job等。

  以Deployment为例，它负责确保定义的Pod对象的副本数量符合预期的设置，这样用户只需要声明应用的期望状态，控制器就会自动地对其进行管理。如图：

• （5）服务资源（Service）

Service是建立在一组Pod对象之上的资源对象，在前面提过，它是通过标签选择器选择一组Pod对象，并为这组Pod对象定义一个统一的固定访问入口（通常是一个IP地址），如果K8S存在DNS附件（如coredns）它就会在Service创建时为它自动配置一个DNS名称，用于客户端进行服务发现。

通常我们直接请求Service IP，该请求就会被负载均衡到后端的端点，即各个Pod对象，从这点上，是不是有点像负载均衡器呢，因此Service本质上是一个4层的代理服务，另外Service还可以将集群外部流量引入至集群，这就需要节点对Service的端口进行映射了。

• （6）存储卷（Volume）

在使用容器时，我们知道，当数据存放于容器之中，容器销毁后，数据也会随之丢失。这就是需要一个外部存储，以保证数据的持久化存储。而存储卷就是这样的一个东西。

存储卷（Volume）是独立于容器文件系统之外的存储空间，常用于扩展容器的存储空间并为其提供持久存储能力。存储卷在K8S中的分类为：临时卷、本地卷和网络卷。临时卷和本地卷都位于Node本地，一旦Pod被调度至其他Node节点，此类型的存储卷将无法被访问，因为临时卷和本地卷通常用于数据缓存，持久化的数据通常放置于持久卷（persistent volume）之中。

• （7）Name和Namespace

名称（Name）是K8S集群中资源对象的标识符，通常作用于名称空间（Namespace），因此名称空间是名称的额外的限定机制。在同一个名称空间中，同一类型资源对象的名称必须具有唯一性。

名称空间通常用于实现租户或项目的资源隔离，从而形成逻辑分组。关于此概念可以参考：https://www.jb51.net/article/136411.htm

如图：创建的Pod和Service等资源对象都属于名称空间级别，未指定时，都属于默认的名称空间default

• （8）注解（Annotation）

Annotation是另一种附加在对象上的一种键值类型的数据，常用于将各种非标识型元数据（metadata）附加到对象上，但它并不能用于标识和选择对象。其作用是方便工具或用户阅读及查找。

• （9）Ingress

K8S将Pod对象和外部的网络环境进行了隔离，Pod和Service等对象之间的通信需要通过内部的专用地址进行，如果需要将某些Pod对象提供给外部用户访问，则需要给这些Pod对象打开一个端口进行引入外部流量，除了Service以外，Ingress也是实现提供外部访问的一种方式。

三、K8S集群组件

1、Master组件

• 1、API Server

K8S对外的唯一接口，提供HTTP/HTTPS RESTful API，即kubernetes API。所有的请求都需要经过这个接口进行通信。主要负责接收、校验并响应所有的REST请求，结果状态被持久存储在etcd当中，所有资源增删改查的唯一入口。

• 2、etcd

负责保存k8s 集群的配置信息和各种资源的状态信息，当数据发生变化时，etcd会快速地通知k8s相关组件。etcd是一个独立的服务组件，并不隶属于K8S集群。生产环境当中etcd应该以集群方式运行，以确保服务的可用性。

etcd不仅仅用于提供键值数据存储，而且还为其提供了监听（watch）机制，用于监听和推送变更。在K8S集群系统中，etcd的键值发生变化会通知倒API Server，并由其通过watch API向客户端输出。

• 3、Controller Manager

负责管理集群各种资源，保证资源处于预期的状态。Controller Manager由多种controller组成，包括replication controller、endpoints controller、namespace controller、serviceaccounts controller等 。由控制器完成的主要功能主要包括生命周期功能和API业务逻辑，具体如下：

• 生命周期功能：包括Namespace创建和生命周期、Event垃圾回收、Pod终止相关的垃圾回收、级联垃圾回收及Node垃圾回收等。
• API业务逻辑：例如，由ReplicaSet执行的Pod扩展等。

• 4、调度器（Schedule）

资源调度，负责决定将Pod放到哪个Node上运行。Scheduler在调度时会对集群的结构进行分析，当前各个节点的负载，以及应用对高可用、性能等方面的需求。

2、Node组件

Node主要负责提供容器的各种依赖环境，并接受Master管理。每个Node有以下几个组件构成。

• 1、Kubelet

kubelet是node的agent，当Scheduler确定在某个Node上运行Pod后，会将Pod的具体配置信息（image、volume等）发送给该节点的kubelet，kubelet会根据这些信息创建和运行容器，并向master报告运行状态。

• 2、Container Runtime

每个Node都需要提供一个容器运行时（Container Runtime）环境，它负责下载镜像并运行容器。目前K8S支持的容器运行环境至少包括Docker、RKT、cri-o、Fraki等。

• 3、Kube-proxy

service在逻辑上代表了后端的多个Pod，外借通过service访问Pod。service接收到请求就需要kube-proxy完成转发到Pod的。每个Node都会运行kube-proxy服务，负责将访问的service的TCP/UDP数据流转发到后端的容器，如果有多个副本，kube-proxy会实现负载均衡，有2种方式：LVS或者Iptables

3、核心附件

K8S集群还依赖一组附件组件，通常是由第三方提供的特定应用程序。如下图：

• 1、KubeDNS

在K8S集群中调度并运行提供DNS服务的Pod，同一集群内的其他Pod可以使用该DNS服务来解决主机名。K8S自1.11版本开始默认使用CoreDNS项目来为集群提供服务注册和服务发现的动态名称解析服务。

• 2、Dashboard

K8S集群的全部功能都要基于Web的UI，来管理集群中的应用和集群自身。

• 3、Heapster

容器和节点的性能监控与分析系统，它收集并解析多种指标数据，如资源利用率、生命周期时间，在最新的版本当中，其主要功能逐渐由Prometheus结合其他的组件进行代替。

• 4、Ingress Controller

Service是一种工作于4层的负载均衡器，而Ingress是在应用层实现的HTTP(S)的负载均衡。不过，Ingress资源自身并不能进行流量的穿透，，它仅仅是一组路由规则的集合，这些规则需要通过Ingress控制器（Ingress Controller）发挥作用。目前该功能项目大概有：Nginx-ingress、Traefik、Envoy和HAproxy等。如下图就是Nginx-ingress的应用，具体可以查看博文：https://www.cnblogs.com/linuxk/p/9706720.html

四、K8S的网络模型

K8S的网络中主要存在4种类型的通信：

• ①同一Pod内的容器间通信
• ②各个Pod彼此间的通信
• ③Pod和Service间的通信
• ④集群外部流量和Service之间的通信

K8S为Pod和Service资源对象分别使用了各自的专有网络，Pod网络由K8S的网络插件配置实现，而Service网络则由K8S集群进行指定。如下图：

K8S使用的网络插件需要为每个Pod配置至少一个特定的地址，即Pod IP。Pod IP地址实际存在于某个网卡（可以是虚拟机设备）上。

而Service的地址却是一个虚拟IP地址，没有任何网络接口配置在此地址上，它由Kube-proxy借助iptables规则或ipvs规则重定向到本地端口，再将其调度到后端的Pod对象。Service的IP地址是集群提供服务的接口，也称为Cluster IP。

Pod网络和IP由K8S的网络插件负责配置和管理，具体使用的网络地址可以在管理配置网络插件时进行指定，如10.244.0.0/16网络。而Cluster网络和IP是由K8S集群负责配置和管理，如10.96.0.0/12网络。

从上图进行总结起来，一个K8S集群包含是三个网络。

• （1）节点网络：各主机（Master、Node、ETCD等）自身所属的网络，地址配置在主机的网络接口，用于各主机之间的通信，又称为节点网络。
• （2）Pod网络：专用于Pod资源对象的网络，它是一个虚拟网络，用于为各Pod对象设定IP地址等网络参数，其地址配置在Pod中容器的网络接口上。Pod网络需要借助kubenet插件或CNI插件实现。
• （3）Service网络：专用于Service资源对象的网络，它也是一个虚拟网络，用于为K8S集群之中的Service配置IP地址，但是该地址不会配置在任何主机或容器的网络接口上，而是通过Node上的kube-proxy配置为iptables或ipvs规则，从而将发往该地址的所有流量调度到后端的各Pod对象之上。