K8S原理架构与实战教程

一、背景

1.1 物理机时代、虚拟机时代、容器化时代

在介绍K8S之前，先来看看服务器的演变过程：物理机时代、虚拟机时代、容器化时代。

物理机时代的缺点：

• 部署慢 ：每台服务器都要安装操作系统、相关的应用程序所需要的环境，各种配置
• 成本高：物理服务器的价格十分昂贵
• 资源浪费：硬件资源不能充分利用
• 扩展和迁移成本高：扩展和迁移需要重新配置一模一样的环境

虚拟机时代很好的解决了物理机时代的缺点，虚拟机时代的特点是：

• 易部署：每台物理机可部署多台虚拟机，且可以通过模板，部署快，成本低
• 资源池：开出来的虚拟机可作为资源池备用，充分压榨服务器性能
• 资源隔离：每个虚拟机都有独立分配的内存磁盘等硬件资源，虚拟机之间不会互相影响
• 易扩展：随时都能在一个物理机上创建或销毁虚拟机

虚拟机的缺点是：每台虚拟机都需要安装操作系统

容器化时代解决了虚拟机时代的缺点，容器化时代在继承了虚拟机时代优点的基础之上，还有以下优势：

• 更高效的利用硬件资源：所有容器共享主机操作系统内核，不需要安装操作系统。
• 一致的运行环境：相同的镜像产生相同的行为
• 更小：较虚拟机而言，容器镜像更小，因为不需要打包操作系统
• 更快：容器能达到秒级启动，其本质是主机上的一个进程

1.2 容器编排的需要

容器技术的代表就是docker，docker在单机上使用方便快捷，但在集群中表现如何呢？假设现在有5个节点，每个节点中都装有docker，现在要部署一个应用，要求要10个副本，有如下做法：

• 在5个节点上随机分配
• 平均分配，每台节点分配2个
• 根据不同节点的负载状态分配，负载低的优先分配

无论选择哪种方法都需要执行相同docker run命令10遍，如果是最后一种做法还需要挨个检查每个节点的负载，这种问题叫做不利于自动装箱。

如果以后增加了1个副本还需要再重复上面的动作，如果增加10个呢？增加100个呢？人为去操作那就有点难受了，这种问题叫做不利于水平扩容与缩容，简称水平扩缩。

如果现在要变更版本，更新或者回滚，需要停止容器，然后替换新版本镜像，再启动，这样的操作每个副本都要来一次，如果副本太多，简直是噩梦，这种问题叫做不利于自动化上线和回滚。

如果现在一个容器停止运行了，docker的重启策略会将它拉起来继续运行，这没什么问题，如果节点宕机了呢？上面的所有容器都停止了，docker重启策略就没用了，这样副本的数量就会减少，这个问题叫做不能自我修复。

假设需要负载均衡，那么得新增一个节点安装负载均衡器，并且配置5个节点的IP和端口，前提是容器的端口要映射到主机端口，而且容器之前网络是隔离的，不能相互访问，维护成本高，这个问题叫不利于服务发现与负载均衡。

上面的这些操作，就是容器编排，既然存在如上问题，那么就需要一个技术进行自动化编排，这个技术就是K8S，K8S即kubernetes /kjubɚ’nɛtɪs/

Kubernetes，是一个工业级的容器编排平台。Kubernetes 这个单词是希腊语，它的中文翻译是“舵手”或者“飞行员”。在一些常见的资料中也会看到“ks”这个词，也就是“K8s”，它是通过将 8 个字母“ubernete ”替换为“8”而成为的一个缩写。

K8S官网：https://kubernetes.io/zh-cn/
根据官网描述，它有如下功能：

二、K8S架构

在K8S中，由Master控制节点和Worker节点共同构成一个集群，总体架构如下图所示：

## 2.1 Master节点

• etcd：分布式KV数据库，使用Raft协议，用于保存集群中的相关数据，项目地址：https://github.com/etcd-io/etcd
• API Server：集群统一入口，以restful风格进行操作，同时交给etcd存储（是唯一能访问etcd的组件）；提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制，可以通过kubectl命令行工具，dashboard可视化面板，或者sdk等访问。
• Scheduler：节点的调度，选择node节点应用部署。
• Controller Manager：处理集群中常规后台任务，一个资源对应一个控制器，同时监控集群的状态，确保实际状态和最终状态一致。

2.2 Worker节点

• kubelet：相当于Master派到node节点代表，管理本机容器，上报数据给API Server
• Container Runtime：容器运行时，K8S支持多个容器运行环境：Docker、Containerd、CRI-O、Rktlet以及任何实现- Kubernetes CRI (容器运行环境接口) 的软件
• kube-proxy：实现服务（Service）抽象组件，屏蔽PodIP的变化和负载均衡

三、核心概念

3.1 Pod

• Pod是最小调度单元
• Pod里面会包含一个或多个容器（Container）
• Pod内的容器共享存储及网络，可通过localhost通信

Pod本意是豌豆荚的意思，此处指的是K8S中资源调度的最小单位，豌豆荚里面的小豆子就像是Container，豌豆荚本身就像是一个Pod。

3.2 Deployment

Deployment 是在 Pod 这个抽象上更为上层的一个抽象，它可以定义一组 Pod 的副本数目、以及这个 Pod 的版本。一般大家用 Deployment 这个抽象来做应用的真正的管理，而 Pod 是组成 Deployment 最小的单元。

• 定义一组Pod的副本数量，版本等
• 通过控制器维护Pod的数目
• 自动恢复失败的Pod
• 通过控制器以指定的策略控制版本

3.3 Service

Pod是不稳定的，IP是会变化的，所以需要一层抽象来屏蔽这种变化，这层抽象叫做Service

• 提供访问一个或者多个Pod实例稳定的访问地址
• 支持多种访问方式ClusterIP（对集群内部访问）NodePort（对集群外部访问）LoadBalancer（集群外部负载均衡）

3.4 Volume

Volume就是存储卷，在Pod中可以声明卷来问访问文件系统，同时Volume也是一个抽象层，其具体的后端存储可以是本地存储、NFS网络存储、云存储（阿里云盘、AWS云盘、Google云盘等）、分布式存储（比如说像 ceph、GlusterFS ）

• 声明在Pod中容器可以访问的文件系统
• 可以被挂载在Pod中一个或多个容器的指定路径下
• 支持多种后端储存

3.5 Namespace

Namespace（命令空间）是用来做资源的逻辑隔离的，比如上面的Pod、Deployment、Service都属于资源，不同Namespace下资源可以重名。同一Namespace下资源名需唯一

• 一个集群内部的逻辑隔离机制（鉴权、资源等）
• 每个资源都属于一个Namespace
• 同一个Namespace中资源命名唯一
• 不同Namespace中资源可重名

四、K8S安装

具体的安装教程可以参考：https://kuboard.cn/install/install-k8s.html
里面写的很详细了，此处不再赘述，简化过程如下

1. 创建虚拟机，2个或者2个以上
2. 操作系统为 CentOS 7.8 或者 CentOS Stream 8
3. 每个节点CPU 内核数量大于等于 2，且内存大于等于 4G（实测2G也可以）
4. 修改网络配置文件：/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 改成固定IP
5. 安装containerd/kubelet/kubeadm/kubectl，注意教程中使用的容器运行时为containerd，如果需要使用docker，可以先安装docker然后跳过脚本中安装containerd的部分
6. 初始化-master-节点
7. 初始化-worker节点
8. 验证：在Master节点上执行kubectl get nodes -o wide，能看到添加的worker节点即安装成功

我的环境情况如下：

NAME        STATUS   ROLES                  AGE   VERSION   INTERNAL-IP       
my-master   Ready    control-plane,master   27h   v1.21.0   192.168.108.101
my-node     Ready                     27h   v1.21.0   192.168.108.102

192.168.108.101是Master角色，名字为my-master；192.168.108.102是Worker角色，名字为my-node

五、kubectl常用命令

kubectl 则是 Kubernetes 的命令行工具，用于管理 Kubernetes 集群。

kubectl controls the Kubernetes cluster manager.
意为K8S集群管理的控制器，kubectl --help可以打印帮助命令。

（1）查看集群信息：

kubectl cluster-info  # 显示集群信息。

（2）查看资源状态：

kubectl get pods  # 查看所有Pod的状态
kubectl get deployments  # 查看所有部署的状态
kubectl get services  # 查看所有服务的状态
kubectl get nodes  # 查看所有节点的状态
kubectl get namespaces  # 查看所有命名空间的状态

kubectl describe pod   # 显示特定Pod的详细信息
kubectl describe node   # 显示特定Node的详细信息

（3）创建和管理资源：

kubectl create -f   # 根据YAML文件创建资源
kubectl apply -f   # 根据YAML文件创建或更新资源
kubectl delete -f   # 根据YAML文件删除资源

kubectl scale deployment  --replicas=  # 扩展或缩减部署的副本数
kubectl expose deployment  --port= --type=type>  # 创建一个服务来公开部署

（4）执行操作：

kubectl exec -it  --   # 在Pod中执行特定命令
kubectl logs   # 查看Pod的日志
kubectl port-forward  :  # 将本地端口与Pod的端口进行转发

（5）删除资源：

kubectl delete deployment   # 删除部署
kubectl delete pod   # 删除Pod
kubectl delete service   # 删除服务

六、K8S实战

6.1 水平扩容

为什么先实战水平扩容？因为这个最简单，首先来部署一个喜闻乐见的nginx

kubectl create deployment web --image=nginx:1.14

这句话表示创建一个资源，啥资源呢？是一个deployment（可以简写为deploy），取名叫web，指定了镜像为nginx的1.14版本，但是先别执行这句话，我们一般不这么部署应用，因为不好复用，一般通过yaml文件来部署，如下：

kubectl create deployment web --image=nginx:1.14 --dry-run -o yaml > web.yaml

• –dry-run表示试运行，试一下看行不行，但是不运行
• -o yaml表示以yaml格式输出
• web.yaml表示将输出的内容重定向到web.yaml文件中

执行之后看看web.yaml文件里面有些什么：

apiVersion: apps/v1        # 表示资源版本号为apps/v1 
kind: Deployment           # 表示这是一个Deployment
metadata:                  # 一些元数据信息
  creationTimestamp: null
  labels:                  # 标签，可以随便定义
    app: web
  name: web                # 这个资源的名字
spec:                      # 资源的描述或者规格
  replicas: 1              # 副本数量
  selector:                # 选择器
    matchLabels:           # 需要匹配的标签
      app: web             # 标签的具体键值对
  strategy: {}
  template:                # 模板。表示Pod的生成规则
    metadata:
      creationTimestamp: null
      labels:
        app: web
    spec:                  
      containers:
      - image: nginx:1.14  #指定镜像文件
        name: nginx
        resources: {}
status: {}

用下面的命令应用web.yaml，web.yaml声明了一个Deployment和一个Pod

kubectl apply -f web.yaml

执行完后以后可以通过以下命令查看Deployment和Pod：

kubectl get deploy,po -o wide

结果如下：

NAME                  READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE     CONTAINERS   IMAGES       SELECTOR
deployment.apps/web   1/1     1            1           2m40s   nginx        nginx:1.14   app=web

NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE    ...
pod/web-5bb6fd4c98-lg555   1/1     Running   0          2m40s   10.100.255.120   my-node ...

可以看到资源已经建立起来了，运行在Worker节点中，尝试访问一下Pod的IP：

curl 10.100.255.120

有如下nginx的标准返回说明应用已经部署完毕：

<!DOCTYPE html>