【Kubernets系列-2】Kubernetes的本质

背景介绍

通过之前的文章我们可以看出，一个正在运行的 Linux 容器，其实可以看成两部分：

1，一组联合挂载在 /var/lib/docker/aufs/mnt 上的 rootfs，这一部分我们称为“容器镜像”（Container Image），是容器的静态视图；
2，一个由 Namespace+Cgroups 构成的隔离环境，这一部分我们称为“容器运行时”（Container Runtime），是容器的动态视图。

作为一名开发者，我并不关心容器运行时的差异。因为，在整个“开发 - 测试 - 发布”的流程中，真正承载着容器信息进行传递的，是容器镜像，而不是容器运行时。

所以“容器运行”或“容器编排”这个“上层建筑”必然是日后容器生态中举足轻重的位置。

从一个开发者和单一的容器镜像，到无数开发者和庞大的容器集群，容器技术实现了从“容器”到“容器云”的飞跃，标志着它真正得到了市场和生态的认可。

这其中，最具代表性的容器编排工具，当属 Docker 公司的 Compose+Swarm 组合，以及 Google 与 RedHat 公司共同主导的 Kubernetes 项目。

Kubernetes 缘起

跟很多基础设施领域先有工程实践、后有方法论的发展路线不同，Kubernetes 项目的理论基础则要比工程实践走得靠前得多，这当然要归功于 Google 公司在 2015 年 4 月发布的 Borg 论文了。

相比于 Spanner、BigTable 等相对上层的项目，Borg 要承担的责任，是承载 Google 公司整个基础设施的核心依赖。在 Google 公司已经公开发表的基础设施体系论文中，Borg 项目当仁不让地位居整个基础设施技术栈的最底层。

上面这幅图，它描绘了当时 Google 已经公开发表的整个基础设施栈。在这个图里，你既可以找到 MapReduce、BigTable 等知名项目，也能看到 Borg 和它的继任者 Omega 位于整个技术栈的最底层。

正是由于这样的定位，Borg 可以说是 Google 最不可能开源的一个项目。而幸运的是，得益于 Docker 项目和容器技术的风靡，它却终于得以以另一种方式与开源社区见面，这个方式就是 Kubernetes 项目。

Kubernetes 核心概念

相比较当时的其他技术体系， Docker 技术栈的“稚嫩”和 Mesos 社区的“老迈”之后，这个社区很快就明白了：Kubernetes 项目在 Borg 体系的指导下，体现出了一种独有的“先进性”与“完备性”，而这些特质才是一个基础设施领域开源项目赖以生存的核心价值。

Kubernetes 项目 在定义核心功能的过程中，正是依托着 Borg 项目的理论优势，才在短短几个月内迅速站稳了脚跟，进而确定了一个如下图所示的全局架构：

我们可以看到，Kubernetes 项目的架构，跟它的原型项目 Borg 非常类似，都由 Master 和 Node 两种节点组成，而这两种角色分别对应着控制节点和计算节点。

其中，控制节点，即 Master 节点，由三个紧密协作的独立组件组合而成，它们分别是负责 API 服务的 kube-apiserver、负责调度的 kube-scheduler，以及负责容器编排的 kube-controller-manager。
整个集群的持久化数据，则由 kube-apiserver 处理后保存在 Etcd 中。

而计算节点上最核心的部分，则是一个叫作 kubelet 的组件。

在 Kubernetes 项目中，kubelet 主要负责同容器运行时（比如 Docker 项目）打交道。而这个交互所依赖的，是一个称作 CRI（Container Runtime Interface）的远程调用接口，这个接口定义了容器运行时的各项核心操作，比如：启动一个容器需要的所有参数。

而具体的容器运行时，比如 Docker 项目，则一般通过 OCI 这个容器运行时规范同底层的 Linux 操作系统进行交互，即：把 CRI 请求翻译成对 Linux 操作系统的调用（操作 Linux Namespace 和 Cgroups 等）

而 kubelet 的另一个重要功能，则是调用网络插件和存储插件为容器配置网络和持久化存储。这两个插件与 kubelet 进行交互的接口，分别是 CNI（Container Networking Interface）和 CSI（Container Storage Interface）。

Master 节点

Borg 对于 Kubernetes 项目的指导作用主要体现在 Master 节点

虽然在 Master 节点的实现细节上 Borg 项目与 Kubernetes 项目不尽相同，但它们的出发点却高度一致，即：如何编排、管理、调度用户提交的作业？

所以，Borg 项目完全可以把 Docker 镜像看作一种新的应用打包方式。这样，Borg 团队过去在大规模作业管理与编排上的经验就可以直接“套”在 Kubernetes 项目上了。

而 Kubernetes 项目要着重解决的问题，则来自于 Borg 的研究人员在论文中提到的一个非常重要的观点：

运行在大规模集群中的各种任务之间，实际上存在着各种各样的关系。这些关系的处理，才是作业编排和管理系统最困难的地方。

其实，这种任务与任务之间的关系，在我们平常的各种技术场景中随处可见。比如，一个 Web 应用与数据库之间的访问关系，一个负载均衡器和它的后端服务之间的代理关系，一个门户应用与授权组件之间的调用关系。

而在容器技术普及之前，传统虚拟机环境对这种关系的处理方法都是比较“粗粒度”的。你会经常发现很多功能并不相关的应用被一股脑儿地部署在同一台虚拟机中，只是因为它们之间偶尔会互相发起几个 HTTP 请求。

但容器技术出现以后，你就不难发现，在“功能单位”的划分上，容器有着独一无二的“细粒度”优势：毕竟容器的本质，只是一个进程而已。

所以，Kubernetes 项目最主要的设计思想是，从更宏观的角度，以统一的方式来定义任务之间的各种关系，并且为将来支持更多种类的关系留有余地。

应用容器化

不同类型的访问

Pod

比如，Kubernetes 项目对容器间的“访问”进行了分类，首先总结出了一类非常常见的“紧密交互”的关系，即：这些应用之间需要非常频繁的交互和访问；又或者，它们会直接通过本地文件进行信息交换。

在常规环境下，这些应用往往会被直接部署在同一台机器上，通过 Localhost 通信，通过本地磁盘目录交换文件。而在 Kubernetes 项目中，这些容器则会被划分为一个Pod，Pod 里的容器共享同一个 Network Namespace、同一组数据卷，从而达到高效率交换信息的目的。

Service

而对于另外一种更为常见的需求，比如 Web 应用与数据库之间的访问关系，Kubernetes 项目则提供了一种叫作“Service”的服务。像这样的两个应用，往往故意不部署在同一台机器上，这样即使 Web 应用所在的机器宕机了，数据库也完全不受影响。

可是，我们知道，对于一个容器来说，它的 IP 地址等信息不是固定的，那么 Web 应用又怎么找到数据库容器的 Pod 呢？

所以，Kubernetes 项目的做法是给 Pod 绑定一个 Service 服务，而 Service 服务声明的 IP 地址等信息是“终生不变”的。

这个 Service 服务的主要作用，就是作为 Pod 的代理入口（Portal），从而代替 Pod 对外暴露一个固定的网络地址。

像这样，围绕着容器和 Pod 不断向真实的技术场景扩展，我们就能够摸索出一幅如下所示的 Kubernetes 项目核心功能的“全景图”。

按照这幅图的线索，我们从容器这个最基础的概念出发，首先遇到了容器间“紧密协作”关系的难题，于是就扩展到了 Pod；有了 Pod 之后，我们希望能一次启动多个应用的实例，这样就需要 Deployment 这个 Pod 的多实例管理器；而有了这样一组相同的 Pod 后，我们又需要通过一个固定的 IP 地址和端口以负载均衡的方式访问它，于是就有了 Service。

Secret

还有一种场景的场景：如果现在两个不同 Pod 之间不仅有“访问关系”，还要求在发起时加上授权信息。最典型的例子就是 Web 应用对数据库访问时需要 Credential（数据库的用户名和密码）信息。

那么，在 Kubernetes 中这样的关系又如何处理呢？Kubernetes 项目提供了一种叫作 Secret 的对象，它其实是一个保存在 Etcd 里的键值对数据。这样，你把 Credential 信息以 Secret 的方式存在 Etcd 里，Kubernetes 就会在你指定的 Pod（比如，Web 应用的 Pod）启动时，自动把 Secret 里的数据以 Volume 的方式挂载到容器里。这样，这个 Web 应用就可以访问数据库了。

应用形态

除了应用与应用之间的关系外，应用运行的形态是影响“如何容器化这个应用”的第二个重要因素。

为此，Kubernetes 定义了新的、基于 Pod 改进后的对象。比如 Job，用来描述一次性运行的 Pod（比如，大数据任务）；

再比如 DaemonSet，用来描述每个宿主机上必须且只能运行一个副本的守护进程服务；又比如 CronJob，则用于描述定时任务等等。

可以看到，在 Kubernetes 项目中，我们所推崇的使用方法是：
1，首先，通过一个“编排对象”，比如 Pod、Job、CronJob 等，来描述你试图管理的应用；
2，然后，再为它定义一些“服务对象”，比如 Service、Secret、Horizontal Pod Autoscaler（自动水平扩展器）等。这些对象，会负责具体的平台级功能。

这种使用方法，就是所谓的“声明式 API”。这种 API 对应的“编排对象”和“服务对象”，都是 Kubernetes 项目中的 API 对象（API Object）。

声明式 API

比如，我现在已经制作好了一个 Nginx 容器镜像，希望让平台帮我启动这个镜像。并且，我要求平台帮我运行两个完全相同的 Nginx 副本，以负载均衡的方式共同对外提供服务。

编写如下这样一个 YAML 文件：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

在上面这个 YAML 文件中，我们定义了一个 Deployment 对象，它的主体部分（spec.template 部分）是一个使用 Nginx 镜像的 Pod，而这个 Pod 的副本数是 2（replicas=2）。

然后执行：

$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml

这样，两个完全相同的 Nginx 容器副本就被启动了。