【云原生训练营】模块四 Kubernetes 架构原则和对象设计

K8s安装

CentOS7利用Kubeadm快速部署Kubernetes集群

K8s概念

Kubernetes 是谷歌开源的容器集群管理系统，是 Google 多年大规模容器管理技术 Borg 的开源版本，主要功能包括：

• 基于容器的应用部署、维护和滚动升级；
• 负载均衡和服务发现；
• 跨机器和跨地区的集群调度；
• 自动伸缩；
• 无状态服务和有状态服务；
• 插件机制保证扩展性。

K8s架构

K8s Master：

• API服务器：这是 Kubernetes 控制面板中唯一带有用户可访问 API 以及用户可交互的组件。API 服务器会暴露一个 RESTful 的 Kubernetes API 并使用 JSON 格式的清单文件（manifest files）。

• etcd：etcd 是 CoreOS 基于 Raft 开发的分布式 key-value 存储，可用于服务发现、共享配置以及一致性保障（如数据库选主、分布式锁等）。

  • 基本的key-value存储
  • 监听机制（数据发生变化watch API-Server，长连接）
  • key 的过期及续约机制，用于监控和服务发现
  • 原子 CAS 和 CAD，用于分布式锁和 leader 选举

• Controller Manager：它运行着所有处理集群日常任务的控制器。包括了节点控制器、副本控制器、端点（endpoint）控制器以及服务账户等。

Controller Manager 是多个控制器的组合，每个 Controller 事实上都是一个 control loop，负责侦听其管控的对象，当对象发生变更时完成配置；Controller 配置失败通常会触发自动重试，整个集群会在控制器不断重试的机制下确保最终一致性（ Eventual Consistency）

• 调度器Scheduler：调度器会监控新建的pods（一组或一个容器）并将其分配给节点。

K8s Worker：

• kubelet：负责调度到对应节点的 Pod 的生命周期管理，执行任务并将 Pod 状态报告给主节点的渠道，通过容器运行时（拉取镜像、启动和停止容器等）来运行这些容器。它还会定期执行被请求的容器的健康探测程序。
• kube-proxy：它负责节点的网络，在主机上维护网络规则并执行连接转发。它还负责对正在服务的 pods 进行负载平衡。

ETCD
直接访问etcd的数据
进入容器查询数据（获取etcd数据库里以斜杠开头的key）
get --keys-only --prefix

export ETCDCTL_API=3
etcdctl --endpoints https://localhost:2379 --cert /etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt --key
/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key --cacert /etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt get --keys-only --prefix /

监听对象变化（watch）
watch --prefix /registry/services/specs/default/mynginx

etcdctl --endpoints https://localhost:2379 --cert /etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt --key
/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key --cacert /etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt watch --prefix /registry/services/specs/default/mynginx

APIServer
Kube-APIServer 是 Kubernetes 最重要的核心组件之一，主要提供以下功能：

• 提供集群管理的 REST API 接口，包括:
  • 认证 Authentication；
  • 授权 Authorization；
  • 准入 Admission（Mutating & Valiating）。
• 提供其他模块之间的数据交互和通信的枢纽（其他模块通过 APIServer 查询或修改数据，只有 APIServer 才直接操作 etcd）。
• APIServer 提供 etcd 数据缓存以减少集群对 etcd 的访问。
  
  

Scheduler
特殊的 Controller，工作原理与其他控制器无差别。
Scheduler 的特殊职责在于监控当前集群所有未调度的 Pod，并且获取当前集群所有节点的健康状况和资源使用情况，为待调度 Pod 选择最佳计算节点，完成调度。

调度阶段分为：

• Predict：过滤不能满足业务需求的节点，如资源不足、端口冲突等。
• Priority：按既定要素将满足调度需求的节点评分，选择最佳节点。
• Bind：将计算节点与 Pod 绑定，完成调度。

kubelet
Kubernetes 的初始化系统（init system）

• 从不同源获取 Pod 清单，并按需求启停 Pod 的核心组件：
  • Pod 清单可从本地文件目录，给定的 HTTPServer 或 Kube-APIServer 等源头获取；
  • Kubelet 将运行时，网络和存储抽象成了 CRI，CNI，CSI。
• 负责汇报当前节点的资源信息和健康状态；
• 负责 Pod 的健康检查和状态汇报。

kube-proxy

• 监控集群中用户发布的服务，并完成负载均衡配置。
• 每个节点的 Kube-Proxy 都会配置相同的负载均衡策略，使得整个集群的服务发现建立在分布式负载
  均衡器之上，服务调用无需经过额外的网络跳转（Network Hop）。
• 负载均衡配置基于不同插件实现：
  • userspace。
  • 操作系统网络协议栈不同的 Hooks 点和插件：
    • iptables；
    • ipvs。

控制器的工作流程

实际上就是个生产者消费者，把控制器放在消息队列里，等待worker去消费

Informer的内部机制
Reflector会解析对象的key。
代码本地的Thread Safe Store会存储对象和键值，

控制器的协同工作原理
Controller Manager
把结果写到API Server

了解Kubectl

• kubectl 是一个 Kubernetes 的命令行工具，它允许Kubernetes 用户以命令行的方式与 Kubernetes 交
  互，其默认读取配置文件 ~/.kube/config。
• kubectl 会将接收到的用户请求转化为 rest 调用以rest client 的形式与 apiserver 通讯。
• apiserver 的地址，用户信息等配置在 kubeconfig。

kubectl手册：
kubectl logs 可查看 pod 的标准输入（stdout, stderr），与 tail 用法类似
kubectl exec 提供进入运行容器的通道，可以进入容器进行 debug 操作。
kubectl describe 展示资源的详细信息和相关 Event。
kubectl get po -oyaml -w
kubectl 可查看对象。

• -oyaml
  输出详细信息为 yaml 格式。
• -w watch
  该对象的后续变化。
• -owide
  以详细列表的格式查看对象。

Kubernetes生态系统

分层架构

• 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）、
  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。

Kubernetes 如何通过对象的组合完成业务描述

架构设计原则

• 只有 APIServer 可以直接访问 etcd 存储，其他服务必须通过 Kubernetes
  API 来访问集群状态；
• 单节点故障不应该影响集群的状态；
• 在没有新请求的情况下，所有组件应该在故障恢复后继续执行上次最后收到的请求
  （比如网络分区或服务重启等）；
• 所有组件都应该在内存中保持所需要的状态，APIServer 将状态写入 etcd 存储，而其
  他组件则通过 APIServer 更新并监听所有的变化；
• 优先使用事件监听而不是轮询。

常用 Kubernetes 对象及其分组

核心技术概念和 API 对象

API 对象是 Kubernetes 集群中的管理操作单元。
Kubernetes 集群系统每支持一项新功能，引入一项新技术，一定会新引入对应的 API 对象，支持对该功能的管理操作。

每个 API 对象都有四大类属性：

• TypeMeta
• MetaData
• Spec
• Status

TypeMeta

Kubernetes对象的最基本定义，它通过引入GKV（Group，Kind，Version）模型定义了一个对象的类型。

1. Group
   Kubernetes 定义了非常多的对象，如何将这些对象进行归类是一门学问，将对象依据其功能范围归入不同的分组，
   比如把支撑最基本功能的对象归入 core 组，把与应用部署有关的对象归入 apps 组，会使这些对象的可维护性和可
   理解性更高。
2. Kind
   定义一个对象的基本类型，比如 Node、Pod、Deployment 等。
3. Version
   与软件版本类似，通常社区提出一个模型定义以后，随着该对象不断成熟，其版本可能会
   从 v1alpha1 到 v1alpha2，或者到 v1beta1，最终变成生产就绪版本 v1。

Metadata 中有两个最重要的属性：Namespace和Name，分别定义了对象的
Namespace 归属及名字，这两个属性唯一定义了某个对象实例。

1. Label

   • 顾名思义就是给对象打标签，一个对象可以有任意对标签，其存在形式是键值对。
     Label 定义了对象的可识别属性，Kubernetes API 支持以 Label 作为过滤条件
     查询对象。
   • Label 定义好后其他对象可以使用 Label Selector 来选择一组相同 label 的对象
   • Label Selector 支持以下几种方式：等式，如 app=nginx 和 env!=production；集合，如 env in (production, qa)；多个 label（它们之间是 AND 关系），如 app=nginx,env=test。
     

2. Annotation
   Annotation 与 Label 一样用键值对来定义，但 Annotation 是作为属性扩展，

• Annotations 是 key/value 形式附加于对象的注解。
• 不同于 Labels 用于标志和选择对象，Annotations 则是用来记录一些附加信息，用来辅助应用部署、安全策略以及调度策略等。
• 比如 deployment 使用 annotations 来记录 rolling update 的状态。

3. Finalizer
   Finalizer 本质上是一个资源锁，Kubernetes 在接收某对象的删除请求时，会检
   查 Finalizer 是否为空，如果不为空则只对其做逻辑删除（pod会处于terminating状态），即只会更新对象中的
   metadata.deletionTimestamp 字段。
4. ResourceVersion
   ResourceVersion 可以被看作一种乐观锁，每个对象在任意时刻都有其
   ResourceVersion，当 Kubernetes 对象被客户端读取以后，ResourceVersion
   信息也被一并读取。此机制确保了分布式系统中任意多线程能够无锁并发访问对
   象，极大提升了系统的整体效率

Spec 和 Status 才是对象的核心。

• Spec 是用户的期望状态，由创建对象的用户端来定义。
• Status 是对象的实际状态，由对应的控制器收集实际状态并更新。
• 与 TypeMeta 和 Metadata 等通用属性不同，Spec 和 Status 是每个对象独有的。

核心对象概览

Node

• Node 是 Pod 真正运行的主机，可以物理机，也可以是虚拟机。
• 为了管理 Pod，每个 Node 节点上至少要运行 container runtime（比如 Docker 或者 Rkt）、Kubelet 和 Kube-proxy 服务。

Namespace

• Namespace 是对一组资源和对象的抽象集合，比如可以用来将系统内部的对象划分为不同的项目组或用户组。
• 常见的 pods, services, replication controllers 和 deployments 等都是属于某一个 Namespace 的（默认是 default），而 Node, persistentVolumes
  等则不属于任何 Namespace。

Pod

• Pod 是一组紧密关联的容器集合，它们共享 PID、IPC、Network 和 UTS namespace，是 Kubernetes
  调度的基本单位。
• Pod 的设计理念是支持多个容器在一个 Pod 中共享网络和文件系统，可以通过进程间通信和文件共享这种简单高效的方式组合完成服务。
• 同一个 Pod 中的不同容器可共享资源：
  • 共享网络 Namespace；
  • 可通过挂载存储卷共享存储；
  • 共享 Security Context。

存储卷

• 通过存储卷可以将外挂存储挂载到 Pod 内部使用。
• 存储卷定义包括两个部分: Volume 和 VolumeMounts。
  • Volume：定义 Pod 可以使用的存储卷来源；
  • VolumeMounts：定义存储卷如何 Mount 到容器内部。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: hello-volume
spec:
  containers:
  - image: nginx:1.15
    name: nginx
    volumeMounts:
	- name: data
	  mountPath: /data
  volumes:
  - name: data
    emptyDir: {}

资源限制
Kubernetes 通过 Cgroups 提供容器资源管理的功能，可以限制每个容器的CPU 和内存使用，比如对于刚才创建的 deployment，可以通过下面的命令限制nginx 容器最多只用 50% 的 CPU 和 128MB 的内存：

$ kubectl set resources deployment nginx-app -c=nginx --limits=cpu=500m,memory=128Mi
deployment "nginx" resource requirements updated

等同于在每个 Pod 中设置 resources limits

健康检查
Kubernetes 作为一个面向应用的集群管理工具，需要确保容器在部署后确实处在正常的运行状态。

1. 探针类型：

• LivenessProbe
  • 探测应用是否处于健康状态，如果不健康则删除并重新创建容器。
• ReadinessProbe
  • 探测应用是否就绪并且处于正常服务状态，如果不正常则不会接收来自 Kubernetes Service 的流量。
• StartupProbe
  • 探测应用是否启动完成，如果在failureThreshold*periodSeconds 周期内未就绪，则会应用进程会被重启。

2. 探活方式：

• Exec
• TCP socket
• HTTP

ConfigMap

• ConfigMap 用来将非机密性的数据保存到键值对中。
• 使用时， Pods 可以将其用作环境变量、命令行参数或者存储卷中的配置文件。
• ConfigMap 将环境配置信息和 容器镜像解耦，便于应用配置的修改。

Secret

• Secret 是用来保存和传递密码、密钥、认证凭证这些敏感信息的对象。
• 使用 Secret 的好处是可以避免把敏感信息明文写在配置文件里。

用户帐户和服务帐户的一个区别是作用范围：

• 用户帐户对应的是人的身份，人的身份与服务的 Namespace 无关，所以用户账户是跨Namespace 的；
• 而服务帐户对应的是一个运行中程序的身份，与特定 Namespace 是相关的。

Service
Service 是应用服务的抽象，通过 labels 为应用提供负载均衡和服务发现。匹
配 labels 的 Pod IP 和端口列表组成 endpoints，由 Kube-proxy 负责将服务
IP 负载均衡到这些 endpoints 上。

每个 Service 都会自动分配一个 cluster IP（仅在集群内部可访问的虚拟地址）
和 DNS 名，其他容器可以通过该地址或 DNS 来访问服务，而不需要了解后端
容器的运行。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
spec:
  ports:
  - port: 8078 # the port that this service should serve on
    name: http
    # the container on each pod to connect to, can be a name
    # (e.g. 'www') or a number (e.g. 80)
    targetPort: 80
    protocol: TCP
  selector:
    app: nginx

有状态服务集（StatefulSet）

• 对于 StatefulSet 中的 Pod，每个 Pod 挂载自己独立的存储，如果一个 Pod 出现故障，从其他节点启动一个同样名字的Pod，要挂载上原来 Pod 的存储继续以它的状态提供服务。
• 适合于 StatefulSet 的业务包括数据库服务 MySQL 和 PostgreSQL，集群化管理服务 ZooKeeper、etcd 等有状态服务。
• 使用 StatefulSet，Pod 仍然可以通过漂移到不同节点提供高可用，而存储也可以通过外挂的存储来提供高可靠性，StatefulSet 做的只是将确定的 Pod 与确定的存储关联起来保证状态的连续性

Statefulset 与 Deployment 的差异

• 身份标识
  • StatefulSet Controller 为每个 Pod 编号，序号从0开始。
• 数据存储
  • StatefulSet 允许用户定义 volumeClaimTemplates，Pod 被创建的同时，Kubernetes 会以volumeClaimTemplates 中定义的模板创建存储卷，并挂载给 Pod。

StatefulSet 的升级策略不同

• onDelete
• 滚动升级
• 分片升级

任务（Job）

• Job 是 Kubernetes 用来控制批处理型任务的 API 对象。
• Job 管理的 Pod 根据用户的设置把任务成功完成后就自动退出。
• 成功完成的标志根据不同的 spec.completions 策略而不同：
  • 单 Pod 型任务有一个 Pod 成功就标志完成；
  • 定数成功型任务保证有 N 个任务全部成功；
  • 工作队列型任务根据应用确认的全局成功而标志成功。

后台支撑服务集（DaemonSet）

• 长期伺服型和批处理型服务的核心在业务应用，可能有些节点运行多个同类业务的 Pod，有些节点上又没有这类 Pod 运行；
• 而后台支撑型服务的核心关注点在 Kubernetes 集群中的节点（物理机或虚拟机），要保证每个节点上都有一个此类 Pod 运行。
• 节点可能是所有集群节点也可能是通过 nodeSelector 选定的一些特定节点。
• 典型的后台支撑型服务包括存储、日志和监控等在每个节点上支撑 Kubernetes 集群运行的服务。

存储PV和PVC

• PersistentVolume（PV）是集群中的一块存储卷，可以由管理员手动设置，或当用户创建 PersistentVolumeClaim（PVC）时根据 StorageClass 动态设置。
• PV 和 PVC 与 Pod 生命周期无关。也就是说，当 Pod 中的容器重新启动、
  Pod 重新调度或者删除时，PV 和 PVC 不会受到影响，Pod 存储于 PV 里
  的数据得以保留。
• 对于不同的使用场景，用户通常需要不同属性（例如性能、访问模式等）
  的 PV。

课后练习

• 启动一个 Envoy Deployment。
• 要求 Envoy 的启动配置从外部的配置文件 Mount 进 Pod。
• 进入 Pod 查看 Envoy 进程和配置。
• 更改配置的监听端口并测试访问入口的变化。
• 通过非级联删除的方法逐个删除对象。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    run: envoy
  name: envoy
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      run: envoy
  template:
    metadata:
      labels:
        run: envoy
    spec:
      containers:
      - image: envoyproxy/envoy-dev
        name: envoy
        volumeMounts:
        - name: envoy-config
          mountPath: "/etc/envoy"
          readOnly: true
      volumes:
      - name: envoy-config
        configMap:
          name: envoy-config