K8S自动化运维容器化(Docker)集群程序

一、K8S概述

1.什么是K8S

K8S全程为Kubernetes，由于K到S直接有8个字母简称为K8S。

版本：目前一般是1.18~1.2.0，后续可能会到1.24-1.26，1.24版本后丢弃了docker(如需要使用需要第三方插件配合)，目前最新版本是1.27

官网：https://kubernetes.io

GitHub：GitHub - kubernetes/kubernetes: Production-Grade Container
Scheduling and Management

2.为什么要用K8S

（1）试想下传统的后端部署办法:把程序包(包括可执行二进制文件、配置文件等)放到服务器上，接着运行启动脚本把程序跑起来，同时启动守护脚本定期检查程序运行状态、必要的话重新拉起程序。
（2）设想一下，如果服务的请求量上来，已部署的服务响应不过来怎么办?传统的做法往往是，如果请求量、内存、CPu超过阈值做了告警，运维人员马上再加几台服务器，部署好服务之后，接入负载均衡来分担已有服务的压力。
（3）这样问题就出现了:从监控告警到部署服务，中间需要人力介入!那么，有没有办法自动完成服务的部署、更新、卸载和扩容、缩容呢，而这就是K8S要做的事情:自动化运维管理容器化(Docker) 程序。

（4）解决了docker的以下个问题：

• 单机使用，无法有效集群
• 随着容器数量的上升，管理成本攀升
• 没有有效的容灾、自愈机制
• 没有预设编排模板，无法实现快速、大规模容器调度
• 没有统一的配置管理中心工具
• 没有容器生命周期的管理工具
• 没有图形化运维管理工具

3.作用及功能

（1）作用：用于自动部署、扩展、管理编排容器化应用程序。

（2）功能：容器编排、资源调度、弹性伸缩、部署管理、服务发现等。

二、K8S的特性

1.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，保证应用高并发时的高可用和业务低峰时回收资源，以最小成本运行服务。

2.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。

3.服务发现和复制均衡

为多容器提供同一的访问入口(内部ip地址和一个dns名称)，并且负载均衡关联所有容器，用户无需考虑容器ip问题

4.自动发布和回滚

默认是滚动发布模式(其他二种发布模式，蓝绿发布、灰度发布)。采用滚动更新策略更新应用，一次更新一个Pod而不是同时删除所有Pod如果更新过程中有问题可以回滚更改确保业务升级不受影响

5.集中化配置管理和秘钥管理

管理机密数据和应用程序配置，而不是把敏感数据暴露在镜像中，提高敏感数据安全性、可以将一些常用的配置存储在k8s中，方便应用程序使用

6.存储编排

支持外挂存储并对外挂存储进行编排，挂载外部存储系统，无论是来自本地存储，公有云还是网络存储（NFS、ceph、GlusterFS）都作为集群资源的一部分使用，极大提高存储使用灵活性

7.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

三、K8S的集群架构

1.架构

K8S是属于主从设备模型(master-slave架构)，master负责集群的调度管理和运维，slave节点是集群中运算工作负载节点，企业中一般最少2台master，多数为3台作为负载。

2.模式

主节点成为master节点，从节点成为worker node节点。每个node都会被master分配任务

3.工作

master可以在任何集群中的计算机上运行，建议给master一台独立的服务器防止master出问题所有控制命令都将实现，worker node节点宕机该机器上的任务会被自动转移其他节点继续运行

4.流程图

四、K8S的核心组件

1.Master组件

（1）Kube-apiserver
统一请求入口服务组件，所有资源请求或者调用都通过Kube-apiserver入口提供的接口进行，以Http Restful API 提供接口服务，所有对资源的增删改查和监听都交给APIserver处理，然后再交给ETCD存储(键值对存储方式，相当于分布式数据库)。APIserver负责接受所有请求(uI和CLI)，然后根据用户具体请求通知其他组件干活，APIserver相当于K8S的大脑

（2）Kube-controller-manager
运行管理控制器由各种控制器组成，处理常规任务的后台线程，所有资源对象的自动化控制中心。在K8S中一个资源对应一个控制器，controller-manager负责管理这些控制器，通过API server监控整个集群的状态，确保集群处于预期的工作状态，当某个node意外宕机，controlle-manager会及时发现并自动化修复，确保集群处于预期的工作状态。

控制器	控制名称	控制器作用
Node Controller	节点控制器	负责在节点出现故障时发送和响应
Replication Controller	副本控制器	负责保证集群中一个RC即资源对象所关联的Pod副本数据始终保持预期值
Endpoints Controller	端点控制器	填充端点对象(service和Pods)，负责监听service和对应的Pod副本的变化，服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务必须知道他都Endpoints
Service Account & Tocken Controller	服务账户和令牌控制器	为新的命名空间创建默认账户和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	服务器控制器	属于K8S集群与外部云平台之间的一个接口控制器

（3）Kube-scheduler
负责资源调度的进程，根据调度算法(62种算法)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。

预选策略(predicate)：首选过滤掉资源不满足的node

优选策略(priorities)：预选后的满足的节点进行打分排名选择最优的node

2.配置存储中心etcd

etcd：K8s的存储服务，是分布式键值存储系统，最少三台最优为8G内存。存储了K8S的关键配置和用户配置并且持久化保存，K8s中仅有API server才具有读写权限，其他组件必须通过API server的接口才能读写数据。端口为2379和2380,2379用于对外客户的提供通信，2380用于对集群服务器间内部的通信

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节点的眼线，会定时向API server汇报自己Node节点上运行服务的状态，并接受来自Master节点的指示采取调整措施(例如创建Pod)。

从Master节点获取自己节点上Pod的期望状态(例如运行什么容器、运行的副本数量、网络等)，直接与容器引擎交互实现容器的声明周期管理，如果自己节点上的Pod状态与期望状态不一致调用对应容器的接口达到预期状态

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，退出的容器不会占用太多的资源

（2）Kube-Proxy
每个节点上实现Pod网络代理，是K8S 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等实现服务映射访问的。

本身不是直接给Pod提供网络，Pod的网络是由Kubelet提供的，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rocker
容器引擎，运行容器，负责本机的容器创建和管理工作

4.K8S三种负载均衡模式

（1）namespace

（2）iptables(默认使用 )

（3）ipvs(此模式更快，所有安装是需要更改为此模式。内核运行更快，性能更好。 )

5.K8S架构工作流程

（1）运维人员操作Kubectl命令向API server发送任务请求，先到Auth进行鉴权认证，然后进到API Server中，API Server存储操作到Etcd

（2）然后API Server根据Etcd中用户执行的操作调用 controller manager对应的控制器进行操作，例如创建

（3）controller manager通过调用创建控制器到API Server创建replication副本，APIserver将操作存到Etcd中，API Server再调用Scheduler进行算法选择为Pod选择最合适的节点创建，Scheduler需要通过API Server在node节点上的Kubelet进行预选策略和优选策略选择最优的node节点APIserver将动作保存到Etcd中

（4）Scheduler选择完节点后通过APIserver的Kubelet在对应的node节点上创建Pod，并通知对应node节点的doker在Pod中创建容器

（5）容器需要对外提供服务时，通过node节点的Kube-Proxy代理对外映射端口信息，Kube-proxy进来后通过service负载均衡器分发到容器上，访问容器是根据Label标签访问的。