Kubernetes(k8s) 架构原理一文详解

目录

一、k8s 概述

1.什么是k8s？

2.特性

3.主要功能

三、集群架构与组件

1.Master 组件

（1）Kube-apiserver

（2）Kube-controller-manager

（3）Kube-scheduler

2.配置存储中心

3.Node 组件

（1）Kubelet

（2）Kube-Proxy

（3）docker 或 rocket

四、k8s的工作流程

五、k8s的资源对象

1.Pod

2.Pod 控制器

2.Label

3.Label 选择器（Label selector）

4.Service

5.Ingress

6.Name

7.Namespace

六、请求访问过程

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一、k8s 概述

1.什么是k8s？

        K8S 的全称为 Kubernetes。用于自动部署、扩展和管理“容器化（containerized）应用程序”的开源系统。

        可以理解成 K8S 是负责自动化运维管理多个容器化程序（比如 Docker）的集群，是一个生态极其丰富的容器编排框架工具。

        K8S是Google开源的容器集群管理系统，在Docker等容器技术的基础上，为容器化的应用提供部署运行、资源调度、服务发现和动态伸缩等一系列完整功能，提高了大规模容器集群管理的便捷性。 

        K8S由google的Borg系统(博格系统，google内部使用的大规模容器编排工具)作为原型，后经GO语言延用Borg的思路重写并捐献给CNCF基金会开源。

        云原生基金会（CNCF）于2015年12月成立，隶属于Linux基金会。CNCF孵化的第一个项目就是Kubernetes，随着容器的广泛使用，Kubernetes已经成为容器编排工具的事实标准。

官网：https://kubernetes.io

GitHub：https://github.com/kubernetes/kubernetes 

2.特性

• 弹性伸缩：使用命令、UI或者基于CPU使用情况自动快速扩容和缩容应用程序实例，保证应用业务高峰并发时的高可用性；业务低峰时回收资源，以最小成本运行服务。
• 自我修复：在节点故障时重新启动失败的容器，替换和重新部署，保证预期的副本数量；杀死健康检查失败的容器，并且在未准备好之前不会处理客户端请求，确保线上服务不中断。
• 服务发现和负载均衡：K8S为多个容器提供一个统一访问入口（内部IP地址和一个DNS名称），并且负载均衡关联的所有容器，使得用户无需考虑容器IP问题。
• 自动发布（默认滚动发布模式）和回滚：K8S采用滚动策略更新应用，一个更新一个Pod，而不是同时删除所有的Pod，如果更新过程中出现问题，将回滚更改，确保升级不收影响业务。
• 集中化配置管理和密钥管理：管理机密数据和应用程序配置，而不需要把敏感数据暴露在镜像里，提高敏感数据安全性，并可以将一些常用的配置存储在K8S中，方便应用程序使用。
• 存储编排：支持外挂存储并对外挂存储资源进行编排，挂载外部存储系统，无论是来自本地存储，公有云（如：AWS），还是网络存储（如：NFS、Glusterfs、Ceph）都作为集群资源的一部分使用，极大提高存储使用灵活性。
• 任务批量处理运行：提供一次性任务，定时任务，满足批量数据处理和分析的场景。

3.主要功能

• 跨主机编排容器。
• 更充分地利用硬件资源来最大化地满足企业应用的需求。
• 控制与自动化应用的部署与升级。
• 为有状态的应用程序挂载和添加存储器。
• 线上扩展或缩减容器化应用程序与它们的资源。
• 声明式的容器管理，保证所部署的应用按照我们部署的方式运作。
• 通过自动布局、自动重启、自动复制、自动伸缩实现应用的状态检查与自我修复。
• 为多个容器提供服务发现和负载均衡，使得用户无需考虑容器IP问题。

三、集群架构与组件

        K8S 是属于主从设备模型（Master-Slave 架构），即有 Master 节点负责集群的调度、管理和运维，Slave 节点是集群中的运算工作负载节点。

        主节点一般被称为 Master 节点，master节点上有 apiserver、controller-manager、scheduler 以及使用 etcd 做k8s集群存储；而从节点则被称为 Worker Node 节点，node节点上有 kubelet、kube-proxy、容器引擎（比如docker），每个 Node 都会被 Master 分配一些工作负载。

        Master 组件可以在群集中的任何计算机上运行，但建议 Master 节点占据一个独立的服务器。因为 Master 是整个集群的大脑，如果 Master 所在节点宕机或不可用，那么所有的控制命令都将失效。除了 Master，在 K8S 集群中的其他机器被称为 Worker Node 节点，当某个 Node 宕机时，其上的工作负载会被 Master 自动转移到其他节点上去。

1.Master 组件

（1）Kube-apiserver

        用于暴露 Kubernetes API，任何资源请求或调用操作都是通过 kube-apiserver 提供的接口进行。以 HTTP Restful API 提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给 API Server 处理后再提交给 Etcd 存储。

        可以理解成 API Server 是 K8S 的所有服务的请求入口。API Server 负责接收 K8S 所有请求（来自 UI 界面或者 CLI 命令行工具）， 然后根据用户的具体请求，去通知其他组件干活。可以说 API Server 是 K8S 集群架构的大脑。

（2）Kube-controller-manager

        运行管理控制器，是 K8S 集群中处理常规任务的后台线程，是 K8S 集群里所有资源对象的自动化控制中心。

        在 K8S 集群中，一个资源对应一个控制器，而 Controller manager 就是负责管理这些控制器的。

        由一系列控制器组成，通过 API Server 监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，比如当某个 Node 意外宕机时，Controller Manager 会及时发现并执行自动化修复流程，确保集群始终处于预期的工作状态。

这些控制器主要包括：

• Node Controller（节点控制器）：负责在节点出现故障时发现和响应。
• Replication Controller（副本控制器）：负责保证集群中一个 RC（资源对象 Replication Controller）所关联的 Pod 副本数始终保持预设值。可以理解成确保集群中有且仅有 N 个 Pod 实例，N 是 RC 中定义的 Pod 副本数量。
• Endpoints Controller（端点控制器）：填充端点对象（即连接 Services 和 Pods），负责监听 Service 和对应的 Pod 副本的变化。 可以理解端点是一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务，则必须知道它的 endpoint。
• Service Account & Token Controllers（服务帐户和令牌控制器）：为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌。
• ResourceQuota Controller（资源配额控制器）：确保指定的资源对象在任何时候都不会超量占用系统物理资源。
• Namespace Controller（命名空间控制器）：管理 namespace 的生命周期。
• Service Controller（服务控制器）：属于 K8S 集群与外部的云平台之间的一个接口控制器

（3）Kube-scheduler

        是负责资源调度的进程，根据调度算法为新创建的 Pod 选择一个合适的 Node 节点。

        可以理解成 K8S 所有 Node 节点的调度器。当用户要部署服务时，Scheduler 会根据调度算法选择最合适的 Node 节点来部署 Pod。

调度算法：

• 预选策略（predicate）
• 优选策略（priorities）

        API Server 接收到请求创建一批 Pod ，API Server 会让 Controller-manager 按照所预设的模板去创建 Pod，Controller-manager 会通过 API Server 去找 Scheduler 为新创建的 Pod 选择最适合的 Node 节点。比如运行这个 Pod 需要 2C4G 的资源，Scheduler 会通过预选策略过滤掉不满足策略的 Node 节点。Node 节点中还剩多少资源是通过汇报给 API Server 存储在 etcd 里，API Server 会调用一个方法找到 etcd 里所有 Node 节点的剩余资源，再对比 Pod 所需要的资源，如果某个 Node 节点的资源不足或者不满足 预选策略的条件则无法通过预选。预选阶段筛选出的节点，在优选阶段会根据优选策略为通过预选的 Node 节点进行打分排名， 选择得分最高的 Node。例如，资源越富裕、负载越小的 Node 可能具有越高的排名。

2.配置存储中心

        etcd 是分布式键值存储系统，是K8S 的存储服务，存储了 K8S 的关键配置和用户配置，K8S 中仅 API Server 才具备读写权限，其他组件必须通过 API Server 的接口才能读写数据。

        etcd是Coreos团队于2013年6月发起的开源项目，它的目标是构建一个高可用的分布式键值 (kev-value)数据库。etcd内部采用raft协议作为一致性算法，etcd是go语言编写的。

etcd 作为服务发现系统，有以下的特点：

• 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SSI证书验证
• 快速：单实例支持每秒2k+读操作
• 可靠：采用rat算法，实现分布式系统数据的可用性和一致性

        etcd 目前默认使用2379端口提供HTTP API服务， 2380端口和peer通信（这两个端口已经被IANA官方预留给etcd）。即etcd默认使用2379端口对外为客户端提供通讯，使用端口2380来进行服务器间内部通讯。

        etcd 在生产环境中一般推荐集群方式部署。由于etcd 的leader选举机制，要求至少为3台或以上的奇数台。

3.Node 组件

（1）Kubelet

        Node 节点的监视器，以及与 Master 节点的通讯器。Kubelet 是 Master 节点安插在 Node 节点上的“眼线”，它会定时向 API Server 汇报自己 Node 节点上运行的服务的状态，并接受来自 Master 节点的指示采取调整措施。

        从 Master 节点获取自己节点上 Pod 的期望状态（比如运行什么容器、运行的副本数量、网络或者存储如何配置等）， 直接跟容器引擎交互实现容器的生命周期管理，如果自己节点上 Pod 的状态与期望状态不一致，则调用对应的容器平台接口（即 docker 的接口）达到这个状态。

        还负责管理镜像和容器的清理工作，保证节点上镜像不会占满磁盘空间，退出的容器不会占用太多资源。

        即在 Kubernetes 集群中，在每个 Node 上都会启动一个 kubelet 服务进程。该进程用于处理 Master 下发到本节点的任务，管理 Pod 及 Pod 中的容器。每个 kubelet 进程都会在 API Server 上注册节点自身的信息，定期向 Master 汇报节点资源的使用情况，并通过 cAdvisor 监控容器和节点资源。

（2）Kube-Proxy

        在每个 Node 节点上实现 Pod 网络代理，是 Kubernetes Service 资源的载体，负责维护网络规则和四层负载均衡工作。 负责写入规则至iptables、ipvs实现服务映射访问的。

        Kube-Proxy 本身不是直接给 Pod 提供网络，Pod 的网络是由 Kubelet 提供的，Kube-Proxy 实际上维护的是虚拟的 Pod 集群网络。

        Kube-apiserver 通过监控 Kube-Proxy 进行对 Kubernetes Service 的更新和端点的维护。

        在 K8S 集群中微服务的负载均衡是由 Kube-proxy 实现的。Kube-proxy 是 K8S 集群内部的负载均衡器。它是一个分布式代理服务器，在 K8S 的每个节点上都会运行一个 Kube-proxy 组件。

（3）docker 或 rocket

        容器引擎，运行容器，负责本机的容器创建和管理工作。当 kubernetes 把 pod 调度到节点上，节点上的 kubelet会指示 docker 启动特定的容器。接着，kubelet 会通过 docker 持续地收集容器的信息， 然后提交到主节点上。docker 会如往常一样拉取容器镜像、启动或停止容器。不同点仅仅在于这是由自动化系统控制而非管理员在每个节点上手动操作的。

四、k8s的工作流程

1. 用户通过客户端发送创建pod的请求到master节点上的apiserver；
2. apiserver会先把相关的请求信息写入到etcd中，再找controller-manager根据预设的资源模板创建pod清单；
3. 然后controller-manager会通过apiserver去找scheduler为新创建的pod选择最适合的Node节点；
4. scheduler会通过调度算法的预选策略和优选策略筛选出最适合的Node节点；
5. 然后再通过apiserver找到对应的Node节点上的kubelet去创建和管理pod；
6. kubelet会直接跟容器引擎交互来管理容器的生命周期；
7. 用户通过创建承载在kube-proxy上的service资源，写入相关的网络规则，实现对pod的服务发现和负载均衡。

五、k8s的资源对象

        Kubernetes 包含多种类型的资源对象：Pod、Label、Service、Replication Controller 等。

        所有的资源对象都可以通过 Kubernetes 提供的 kubectl 工具进行增、删、改、查等操作，并将其保存在 etcd 中持久化存储。

        Kubernets其实是一个高度自动化的资源控制系统，通过跟踪对比etcd存储里保存的资源期望状态与当前环境中的实际资源状态的差异，来实现自动控制和自动纠错等高级功能。

1.Pod

        Pod是 Kubernetes 创建或部署的最小/最简单的基本单位，一个 Pod 代表集群上正在运行的一个进程。可以把 Pod 理解成豌豆荚，而同一 Pod 内的每个容器是一颗颗豌豆。

        一个 Pod 由一个或多个容器组成，Pod 中容器共享网络、存储和计算资源，在同一台 Docker 主机上运行。

        一个 Pod 里可以运行多个容器，又叫边车模式（SideCar）。而在生产环境中一般都是单个容器或者具有强关联互补的多个容器组成一个 Pod。

        同一个 Pod 之间的容器可以通过 localhost 互相访问，并且可以挂载 Pod 内所有的数据卷；但是不同的 Pod 之间的容器不能用 localhost 访问，也不能挂载其他 Pod 的数据卷。

2.Pod 控制器

        Pod 控制器是 Pod 启动的一种模版，用来保证在K8S里启动的 Pod 应始终按照用户的预期运行（副本数、生命周期、健康状态检查等）。

K8S 内提供了众多的 Pod 控制器，常用的有以下几种

• Deployment：无状态应用部署。Deployment 的作用是管理和控制 Pod 和 ReplicaSet，管控它们运行在用户期望的状态中。
• Replicaset：确保预期的 Pod 副本数量。ReplicaSet 的作用就是管理和控制 Pod，管控他们好好干活。但是，ReplicaSet 受控于 Deployment。
• Daemonset：确保所有节点运行同一类 Pod，保证每个节点上都有一个此类 Pod 运行，通常用于实现系统级后台任务。
• Statefulset：有状态应用部署
• Job：一次性任务。根据用户的设置，Job 管理的 Pod 把任务成功完成就自动退出了。
• Cronjob：周期性计划性任务

2.Label

        标签，是 K8S 特色的管理方式，便于分类管理资源对象。Label 可以附加到各种资源对象上，例如 Node、Pod、Service、RC 等，用于关联对象、查询和筛选。

        一个 Label 是一个 key-value 的键值对，其中 key 与 value 由用户自己指定。

        一个资源对象可以定义任意数量的Label，同一个Label 也可以被添加到任意数量的资源对象中，也可以在对象创建后动态添加或者删除。

        可以通过给指定的资源对象捆绑一个或多个不同的 Label，来实现多维度的资源分组管理功能。

与 Label 类似的，还有 Annotation（注释）
区别在于有效的标签值必须为63个字符或更少，并且必须为空或以字母数字字符（[a-z0-9A-Z]）开头和结尾，中间可以包含横杠（-）、下划线（_）、点（.）和字母或数字。注释值则没有字符长度限制。

3.Label 选择器（Label selector）

        给某个资源对象定义一个 Label，就相当于给它打了一个标签；随后可以通过标签选择器（Label selector）查询和筛选拥有某些 Label 的资源对象。

标签选择器目前有两种：

• 基于等值关系（等于、不等于）
• 基于集合关系（属于、不属于、存在）

4.Service

        在K8S的集群里，虽然每个Pod会被分配一个单独的IP地址，但由于Pod是有生命周期的（它们可以被创建，而且销毁之后不会再启动），随时可能会因为业务的变更，导致这个 IP 地址也会随着 Pod 的销毁而消失。而Service 就是用来解决这个问题的核心概念。

        K8S 中的 Service 并不是我们常说的“服务”的含义，而更像是网关层，可以看作一组提供相同服务的Pod的对外访问接口、流量均衡器。

        Service 作用于哪些 Pod 是通过标签选择器来定义的。在 K8S 集群中，Service 可以看作一组提供相同服务的 Pod 的对外访问接口。客户端需要访问的服务就是 Service 对象。每个 Service 都有一个固定的虚拟 ip（这个 ip 也被称为 Cluster IP），自动并且动态地绑定后端的 Pod，所有的网络请求直接访问 Service 的虚拟 ip，Service 会自动向后端做转发。

        Service 除了提供稳定的对外访问方式之外，还能起到负载均衡（Load Balance）的功能，自动把请求流量分布到后端所有的服务上，Service 可以做到对客户透明地进行水平扩展（scale）。
而实现 service 这一功能的关键，就是 kube-proxy。kube-proxy 运行在每个节点上，监听 API Server 中服务对象的变化， 可通过以下三种流量调度模式： userspace（废弃）、iptables（濒临废弃）、ipvs（推荐，性能最好）来实现网络的转发。

        Service 是 K8S 服务的核心，屏蔽了服务细节，统一对外暴露服务接口，真正做到了“微服务”。比如我们的一个服务 A，部署了 3 个副本，也就是 3 个 Pod； 对于用户来说，只需要关注一个 Service 的入口就可以，而不需要操心究竟应该请求哪一个 Pod。
优势非常明显：一方面外部用户不需要感知因为 Pod 上服务的意外崩溃、K8S 重新拉起 Pod 而造成的 IP 变更， 外部用户也不需要感知因升级、变更服务带来的 Pod 替换而造成的 IP 变化。

5.Ingress

        Service 主要负责 K8S 集群内部的网络拓扑，那么集群外部怎么访问集群内部呢？这个时候就需要 Ingress 了。Ingress 是整个 K8S 集群的接入层，负责集群内外通讯。

        Ingress 是 K8S 集群里工作在 OSI 网络参考模型下，第7层的应用，对外暴露的接囗，典型的访问方式是 http/https。

        Service 只能进行第四层的流量调度，表现形式是 ip+port。Ingress 则可以调度不同业务域、不同URL访问路径的业务流量。

        比如：客户端请求 http://www.abc.com:port  ---> Ingress ---> Service ---> Pod

6.Name

        由于 K8S 内部，使用 “资源” 来定义每一种逻辑概念（功能），所以每种 “资源”，都应该有自己的 “名称”。

        “资源” 有 api 版本（apiversion）、类别（kind）、元数据（metadata）、定义清单（spec）、状态（status）等配置信息。

        “名称” 通常定义在 “资源” 的 “元数据” 信息里。在同一个 namespace 空间中必须是唯一的。

7.Namespace

        随着项目增多、人员增加、集群规模的扩大，需要一种能够逻辑上隔离 K8S 内各种 “资源” 的方法，这就是 Namespace。

        Namespace 是为了把一个 K8S 集群划分为若干个资源不可共享的虚拟集群组而诞生的。
不同 Namespace 内的 “资源” 名称可以相同，相同 Namespace 内的同种 “资源”，“名称” 不能相同。

        合理的使用 K8S 的 Namespace，可以使得集群管理员能够更好的对交付到 K8S 里的服务进行分类管理和浏览。

        K8S 里默认存在的 Namespace 有：default、kube-system、kube-public 等。查询 K8S 里特定 “资源” 要带上相应的 Namespace。

六、请求访问过程

1. service资源通过标签选择器关联具有相同标签的Pod；
2. 每个service都有一个固定的clusterip，可供在k8s集群内部被访问；
3. service可以把通过cluster ip发来的请求负载均衡 4层代理转发到它所关联的后端pod上；
4. ingress可以作为k8s对外暴露的网关接口接收k8s集群外部发来的请求流量；
5. ingress支持7层代理转发，它可以通过根据不同的域名或者URL访问路径把请求流量转发到不同的service上。