k8s——kubernetes基础概述

1.kubernetes介绍

1.1. kubernetes介绍

kubernetes是一种开源的容器编排工具，通过调度系统维持用户预期数量和状态的容器正常运行。kubernetes提供的功能：
• 服务发现和负载均衡：Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址公开容器，如果到容器的流量很大，Kubernetes 可以负载均衡并分配网络流量，从而使部署稳定。
• 存储编排
Kubernetes 允许您自动挂载您选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等
• 自动部署和回滚
您可以使用 Kubernetes 描述已部署容器的所需状态，它可以以受控的速率将实际状态更改为所需状态。例如，您可以自动化 Kubernetes 来为您的部署创建新容器，删除现有容器并将它们的所有资源用于新容器。
• 自我修复
Kubernetes 重新启动失败的容器、替换容器、杀死不响应用户定义的运行状况检查的容器，并且在准备好服务之前不将其通告给客户端。
• 密钥与配置管理
Kubernetes 允许您存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 ssh 密钥。您可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应用程序配置，也无需在堆栈配置中暴露密钥。

2.Kubernetes设计架构

Kubernetes集群包含有节点代理kubelet和Master组件(APIs, scheduler, etc)，一切都基于分布式的存储系统。下面这张图是Kubernetes的架构图。

3.Kubernetes节点

3.1节点

在这张系统架构图中，我们把服务分为运行在工作节点上的服务和组成集群级别控制板的服务。
Kubernetes节点有运行应用容器必备的服务，而这些都是受Master的控制。
每次个节点上当然都要运行Docker。Docker来负责所有具体的映像下载和容器运行。
Kubernetes主要由以下几个核心组件组成：

• etcd保存了整个集群的状态；
• apiserver提供了资源操作的唯一入口，并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制；
• controller manager负责维护集群的状态，比如故障检测、自动扩展、滚动更新等；
• scheduler负责资源的调度，按照预定的调度策略将Pod调度到相应的机器上；
• kubelet负责维护容器的生命周期，同时也负责Volume（CVI）和网络（CNI）的管理；
• Container runtime负责镜像管理以及Pod和容器的真正运行（CRI）；
• kube-proxy负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡；
  除了核心组件，还有一些推荐的Add-ons：
• kube-dns负责为整个集群提供DNS服务
• Ingress Controller为服务提供外网入口
• Heapster提供资源监控
• Dashboard提供GUI
• Federation提供跨可用区的集群
• Fluentd-elasticsearch提供集群日志采集、存储与查询
  
  

4.分层架构

Kubernetes设计理念和功能其实就是一个类似Linux的分层架构，如下图所示

• 核心层：Kubernetes最核心的功能，对外提供API构建高层的应用，对内提供插件式应用执行环境
• 应用层：部署（无状态应用、有状态应用、批处理任务、集群应用等）和路由（服务发现、DNS解析等）
• 管理层：系统度量（如基础设施、容器和网络的度量），自动化（如自动扩展、动态Provision等）以及策略管理（RBAC、Quota、PSP、NetworkPolicy等）
• 接口层：kubectl命令行工具、客户端SDK以及集群联邦
• 生态系统：在接口层之上的庞大容器集群管理调度的生态系统，可以划分为两个范畴
• Kubernetes外部：日志、监控、配置管理、CI、CD、Workflow、FaaS、OTS应用、ChatOps等
• Kubernetes内部：CRI、CNI、CVI、镜像仓库、Cloud Provider、集群自身的配置和管理等

5.kubernetes组件

5.1 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。在二进制部署etcd集群的时候，必须要考虑到高可用方案，一般部署三个或者三个以上的奇数个节点，因为当master宕机时，是通过选举制度来选择master的。

5.2 master组件

master和node是两个逻辑上节点，当服务器资源充足时，可以将其分开在不同的机器上部署，当服务器资源不足时，也可以放到同一台机器上部署。master节点在部署的时候必须要考虑高可用方案，至少部署两个master。

5.2.1 apiserver

主节点上负责提供 Kubernetes API 服务的组件；它是 Kubernetes 控制面的前端。是整个集群中资源操作的唯一入口，并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制。
apiserver提供了集群管理的restful api接口(鉴权、数据校验、集群变更等)，负责和其它模块之间进行数据交互，承担了通信枢纽功能。
通过kubectl操作集群资源时需要登陆到master节点之上，而跨主机调用apiserver时，直接通过master前端的负载均衡来实现，详细可以参考：https://www.yuque.com/duduniao/ww8pmw/tr3hch#ziHTp

5.2.2 controller manager

controller manager 译为“控制器管理器”，k8s内部有很多资源控制器，比如：Node Controller、Replication Controller、Deployment Controller、Job Controller、Endpoints Controller等等，为了降低复杂度，将这些控制切都编译成了一个可执行文件，并且在同一个进程中运行。
controller manager 负责维护集群的状态，比如故障检测、自动扩展、滚动更新等。

5.2.3 scheduler

调度器组件监视那些新创建的未指定运行节点的 Pod，并选择节点让 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。
当前各个node节点资源会通过kubelet汇总到etcd中，当用户提交创建pod请求时，apiserver将请求交给controller manager处理，controller manager通知scheduler进行筛选合适的node。此时scheduler通过etcd中存储的node信息进行预选(predict)，将符合要求的node选出来。再根据优选(priorities)策略，选择最合适的node用于创建pod。

5.3 node组件

5.3.1 kubelet

一个在集群中每个节点上运行的代理，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。
简单来说主要是三个功能：
• 接收pod的期望状态(副本数、镜像、网络等)，并调用容器运行环境(container runtime)来实现预期状态，目前container runtime基本都是docker ce。需要注意的是，pod网络是由kubelet管理的，而不是kube-proxy。
• 定时汇报节点的状态给 apiserver，作为scheduler调度的基础
• 对镜像和容器的清理工作，避免不必要的文件资源占用磁盘空间

5.3.2 kube-porxy

kube-proxy 是集群中每个节点上运行的网络代理，是实现service资源功能组件之一。kube-proxy 建立了pod网络和集群网络之间的关系，即 cluster ip 和 pod ip 中间的关系。不同node上的service流量转发规则会通过kube-proxy进行更新，其实是调用apiserver访问etcd进行规则更新。
service流量调度方式有三种方式: userspace(废弃，性能很差)、iptables(性能差，复杂)、ipvs(性能好，转发方式清晰)。

5.3.3. container runtime

即容器运行环境，Kubernetes 支持多个容器运行环境: Docker、 containerd、cri-o、 rktlet 以及任何实现 Kubernetes CRI (容器运行环境接口)。常用的是Docker CE。

5.4. 核心附件

核心附件虽然不都是必须要存在的，但是为了更好使用和管理kubernetes集群，这些核心附件强烈建议安装！

5.4.1. CNI网络插件

Kubernetes设计了网络模型，但是却将具体实现方式交给了网络插件来实现，CNI网络插件实现的是pod之间跨宿主机进行通信。默认情况下安装好node节点后，无法跨node进行宿主机通信。可以参考: https://www.yuque.com/duduniao/ww8pmw/tr3hch#GtBRc
CNI网络插件有很多，比如：Flannel、Calico、Canal、Contiv、OpenContrail等，其中最常用的是Flannel和Calico两种。Flannel在node节点比较少，不夸网段时性能比较好，也是市场占有率最高的网络插件。

5.4.1.1. Flannel 通信原理

在已安装完毕flannel的node节点上，查看路由表会发现，其实flannel就是添加了一个路由信息，将跨宿主机访问pod的路由方式写到了系统路由表中。

[root@hdss7-21 ~]# route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         10.4.7.254      0.0.0.0         UG    100    0        0 ens32
10.4.7.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 ens32
172.7.21.0      0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 docker0
172.7.22.0      10.4.7.22       255.255.255.0   UG    0      0        0 ens32
[root@hdss7-22 ~]# route -n 
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         10.4.7.254      0.0.0.0         UG    100    0        0 ens32
10.4.7.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 ens32
172.7.21.0      10.4.7.21       255.255.255.0   UG    0      0        0 ens32
172.7.22.0      0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 docker0

5.4.1.2 Flannel三种工作模式

• Host-Gateway 模式：
只是在主机上添加前往其它主机的pod网段的路由表而已，这种模式在同一个网段内部效率非常高。

• VXLan模式：
VXLan(Virtual Extensible LAN 虚拟可扩容局域网)，是Linux本身就支持的模式，vxlan模型中的VTEP(VXLAN Tunnel End Point 虚拟隧道端点) 就是各个node上的flannel.1设备。
当使用vxlan模式工作时，会将数据包经过docker0转给flannel.1设备，该设备会查询到目标pod宿主机的flannel.1设备的mac地址，在数据包基础上加封一个vxlan头部，这里面有一个VNI标志，flannel默认为1，flannel.1将封装好的数据包交给宿主机网卡ens32处理。ens32再添加目标pod的宿主机ip和mac。
目标pod的flannel.1的mac地址和宿主机的IP地址都是由flannel进程通过etcd维护的。

5.4.1.3. flannel的模式选择和查看

在生产中，一般会将所有的node规划到同一个局域网下，200多台的高配置的node基本够用了。对于环境隔离要求很高的业务，也不会放到同一个k8s集群，因此跨网段进行node管理的场景不多。host-gw模式下性能损失很小，vxlan模式下性能损失较大，如果存在跨网段可以考虑flannel的混合模式，或者采用其它的CNI网络插件。

# 查看
[root@hdss7-21 ~]# /opt/apps/etcd/etcdctl get /coreos.com/network/config
{"Network": "172.7.0.0/16", "Backend": {"Type": "host-gw"}}

5.4.1.4. flannel 部署和nat优化

https://www.yuque.com/duduniao/ww8pmw/tr3hch#boFnZ

5.4.2. DNS

在k8s集群中pod的IP地址会发生变化，k8s通过标签选择器筛选出一组pod，这组pod共同指关联到抽象资源service，这个service拥有固定的IP地址，即cluster ip。此时无论后端的pod如何变化，都可以请求都可以通过service到达后端的pod上。
每个service有着自己的名称和cluster IP地址，可以通过IP地址直接访问到service后端对应的pod资源，也可以使用DNS将cluster ip 和 service 名称关联，实现通过service的名称访问后端pod。kubernetes的dns插件有kube-dns和coredns两种，在kubernetes 1.11 开始使用coredns较多，在此之前使用kube-dns比较多。
使用dns解析时，如果在pod外，需要使用全域名解析如：nginx-web.default.svc.cluster.local，pod内部则可以使用短域名。

[root@hdss7-21 ~]# kubectl exec nginx-ds-jdp7q -- /bin/bash -c "cat /etc/resolv.conf" # 重点关注主机域
nameserver 192.168.0.2
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local host.com
options ndots:5
#######
# 全路径访问(常用在集群外访问情况):
[root@hdss7-21 ~]# dig -t A kubernetes.default.svc.cluster.local @192.168.0.2 +short
192.168.0.1

# 短域名访问(常用在同一个名称空间内pod之间访问)
[root@hdss7-21 ~]# kubectl exec nginx-ds-jdp7q -- /bin/bash -c "host kubernetes"
kubernetes.default.svc.cluster.local has address 192.168.0.1

# 带名称空间的短域名(常用在跨名称空间pod之间访问)
[root@hdss7-21 ~]# kubectl exec nginx-ds-jdp7q -- /bin/bash -c "host coredns.kube-system"
coredns.kube-system.svc.cluster.local has address 192.168.0.2

5.4.3. Dashboard

Dashboard是管理Kubernetes集群一个WEB GUI插件，可以再浏览器中实现资源配置和查看。可参考：https://www.yuque.com/duduniao/ww8pmw/myrwhq#aZGMp

5.4.4. Ingress Controller

service是将一组pod管理起来，提供了一个cluster ip和service name的统一访问入口，屏蔽了pod的ip变化。
ingress 是一种基于七层的流量转发策略，即将符合条件的域名或者location流量转发到特定的service上，而ingress仅仅是一种规则，k8s内部并没有自带代理程序完成这种规则转发。ingress-controller 是一个代理服务器，将ingress的规则能真正实现的方式，常用的有 nginx,traefik,haproxy。但是在k8s集群中，建议使用traefik，性能比haroxy强大，更新配置不需要重载服务，是首选的ingress-controller。