Kubernetes----基础概念篇

前言：

Kubernetes 是一个可移植的、可扩展的开源平台，用于管理容器化的工作负载和服务，可促进声明式配置和自动化。Kubernetes 拥有一个庞大且快速增长的生态系统。Kubernetes 的服务、支持和工具广泛可用。

名称 Kubernetes 源于希腊语，意为 “舵手” 或 “飞行员”。Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目。Kubernetes 建立在 Google 在大规模运行生产工作负载方面拥有十几年的经验的基础上，结合了社区中最好的想法和实践。

一、Kubernetes 发展

• 传统部署时代

  早期，组织在物理服务器上运行应用程序。无法为物理服务器中的应用程序定义资源边界，这会导致资源分配问题。

  例如，如果在物理服务器上运行多个应用程序，则可能会出现一个应用程序占用大部分资源的情况，结果可能导致其他应用程序的性能下降。一种解决方案是在不同的物理服务器上运行每个应用程序，但是由于资源利用不足而无法扩展，并且组织维护许多物理服务器的成本很高

• 虚拟化部署时代

  作为解决方案，引入了虚拟化功能，它允许您在单个物理服务器的 CPU 上运行多个虚拟机（VM）。虚拟化功能允许应用程序在 VM 之间隔离，并提供安全级别，因为一个应用程序的信息不能被另一应用程序自由地访问。

  因为虚拟化可以轻松地添加或更新应用程序、降低硬件成本等等，所以虚拟化可以更好地利用物理服务器中的资源，并可以实现更好的可伸缩性
  

• 容器部署时代

容器类似于 VM，但是它们具有轻量级的隔离属性，可以在应用程序之间共享操作系统（OS）。因此，容器被认为是轻量级的。容器与 VM 类似，具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和 OS 分发进行移植

二、Kubernetes 作用

• 容器因为具有许多优势而变得很流行，容器是打包和运行应用程序非常好的方式，在生产环境中会面临一个问题：

  在日常工作中，管理运行的应用程序，并确保不会停机，例如，如果一个容器发送故障，则需要启动另一个容器。如果给系统处理，效率会较低

三、 Kubernetes 其他特性

• Kubernetes 不是传统的、包罗万象的 PaaS（平台即服务）系统，由于 Kubernetes 在容器级别而不是在硬件级别运行，因此它提供了 PaaS 产品共有的一些普遍适用的功能，例如部署、扩展、负载均衡、日志记录和监视
• 但是，Kubernetes 不是单一的，默认解决方案是可选和可插拔的。Kubernetes 提供了构建开发人员平台的基础，但是在重要的地方保留了用户的选择和灵活性

3.1 Kubernetes其他特性

• ① Kubernetes 不限制支持的应用程序类型。Kubernetes 旨在支持极其多种多样的工作负载，包括无状态、有状态和数据处理工作负载。如果应用程序可以在容器中运行，那么它应该可以在 Kubernetes 上很好地运行。
• ② Kubernetes 不部署源代码，也不构建应用程序。持续集成(CI)、交付和部署（CI/CD）工作流取决于组织的文化和偏好以及技术要求
• ③ Kubernetes 不提供应用程序级别的服务作为内置服务，例如中间件（例如，消息中间件）、数据处理框架（例如，Spark）、数据库（例如，mysql）、缓存、集群存储系统（例如，Ceph）。这样的组件可以在 Kubernetes 上运行，并且/或者可以由运行在 Kubernetes 上的应用程序通过可移植机制（例如，开放服务代理）来访问
• ④ Kubernetes 不指定日志记录、监视或警报解决方案。它提供了一些集成作为概念证明，并提供了收集和导出指标的机制。
• ⑤ Kubernetes 不提供或不要求配置语言/系统（例如 jsonnet），它提供了声明性 API，该声明性 API 可以由任意形式的声明性规范所构成。
• ⑥ Kubernetes 不提供也不采用任何全面的机器配置、维护、管理或自我修复系统
• ⑦ 此外，Kubernetes 不仅仅是一个编排系统，实际上它消除了编排的需要。编排的技术定义是执行已定义的工作流程：首先执行 A，然后执行 B，再执行 C。相比之下，Kubernetes 包含一组独立的、可组合的控制过程，这些过程连续地将当前状态驱动到所提供的所需状态。从 A 到 C 的方式无关紧要，也不需要集中控制，这使得系统更易于使用且功能更强大、健壮、弹性和可扩展性。

四、Kubernetes 集群架构与组件

4.1 Kubernetes 集群架构图

4.2 Kubernetes 各组件详解

• master节点主要由apiserver、controller-manager和scheduler三个组件，以及一个用于集群状态存储的etcd存储服务组成，而每个node节点则主要包含kubelet、kube-proxy及容器引擎等组件。此外，完整的集群服务还依赖于一些附加组件，如kubedns等。

4.2.1 Master 节点/组件

• Master组件：

  提供集群的管理控制中心。Master组件可以在集群中任何节点上运行。但是为了简单起见，通常在一台VM/机器上启动所有Master组件，并且不会在此VM/机器上运行用户容器。

• **① kube-apiServer（核心组件） **

  Kubernetes API，集群的统一吐口，各组件协调者，以RESTful api 提供接口服务，所有的对象资源的增删改查和监听操作都是叫给APIServer处理后再提交给Etcd存储

• ② kube-controller-manager

  处理集群中常规后台任务，一个资源对应一个控制器，而ControllerManaager就是负责管理这些控制器的

  控制器包括（部分）:

  • 节点控制器：负责在节点出现故障时进行通知和响应。
  • 复制控制器：负责为系统中的每个复制控制器对象维护正确数量的Pod。
  • 端点控制器：填充“端点”对象（即，加入“服务和窗格”）。
  • 服务帐户和令牌控制器：为新的名称空间创建默认帐户和API访问令牌。

• ③ kube-scheduler

  根据调度算法为新创建的Pod选择一个Node节点，可以任意部署，可以再部署再同一个节点上，也可以部署再不同的节点上。

  调度算法（之后会对此进行介绍）：

  • ① 预选算法：过滤nodes
  • ② 优选算法：对nodes打分

• ④ Etcd

  分布式键值存储系统，用于保存集群状态数据，比如Pod、Service等对象信息

  Etcd 具有服务发现系统，这是mysql、Oracle数据库锁没有的，同时还有以下特点：

  • 简单：安装配置简单，而且提供了HTTP API进行交互，使用也很简单
  • 安全：支持SSL证书验证
  • 快速：根据官方提供的benchmark数据，单实例支持每秒2K+读操作
  • 可靠：采用raft算法，实现分布式系统数据的可用性和一致性

  之后也会对Etcd进行单篇博客介绍

4.2.2 Node节点组件

• 节点组件运行在Node，提供Kubernetes运行时环境，以及维护Pod。

• ① kublet

  kubelet 是Master在Node节点上的Agent，管理本机运行容器的生命周期，比如创建容器、Pod挂载数据卷、下载secret、获取容器和节点状态等工作。kubelet将每个Pod转换成一组容器

• ② kube-proxy

  在Node节点上实现Pod网络代理，维护网络规则和四层负载均衡工作。

• ③ docker或rocket

  容器引擎，运行容器

4.2.3 Add-ons 附加组件

• 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

4.3 单节点架构工作流程

4.3.1 单节点简易图

4.3.2 流程详解：

• 假设用户需创建 nginx资源（网站/调度）
• 请求发送至master 首先需要经过apiserver（资源控制请求的唯一入口）
• apiserver 接收到请求后首先会先记载在Etcd中
• Etcd的数据库根据controllers manager（控制器） 查看创建的资源状态（有无状态化）
• 通过controllers 触发 scheduler (调度器)
• scheduler 通过验证算法 验证架构中的nodes节点，筛选出最适合创建该资源，接着分配给这个节点进行创建
• node节点中的kubelet 负责执行master给与的资源请求，根据不同指令，执行不同操作
• 对外提供服务则由kube-proxy开设对应的规则（代理）
• container 容器开始运行（runtime 生命周期开始计算）
• 外界用户进行访问时，需要经过kube-proxy 访问到container
• 如果container 因故障而被销毁了，master节点的controllers 会再次通过scheduler 资源调度通过kubelet再次创建容器，恢复基本条件限制

五、Kubernetes 核心概念

• Pod

  ① 最小部署单元

  ② 一组容器的集合

  ③ 一个Pod中的容器共享网络命名空间（可以理解在同一个局域网）

  ④ Pod 是短暂的（有生命周期）

• Controllers

  ① ReplicaSet：确保预期的Pod副本数量(参数，可进行设置)

  ② Deployment：无状态应用（例如：web、nignx、apache、tomcat）

  ③ StatefulSet：有状态应用部署

  • 有状态：该应用独一无二，无法重新创建进行完美替代，例如mysql、Oracle数据库

  ④ DaemonSet：确保所有的Node运行同一个Pod（把所有的Node设置为同一个命名空间）

  ⑤ Job：一次性任务（类比linux：at）

  ⑥ Cronjob：定时任务（类比linux：crontab）

  更高层次对象，部署和管理Pod

• Service

  防止Pod失联

  定义一组Pod访问的策略（主要作用）

  确保每个Pod之间的独立性（安全）

• Label

  标签，附加到某个资源上，用于关联对象、查询和筛选

• Namespaces

  命名空间，将对象逻辑上隔离

• Annotations

  注释

总结：

本篇博客介绍了k8s中的基础概念，之后会逐步进行深入介绍~~~