云原生：详解｜K8s技术栈解析 —--- 一文读懂K8s工作原理

文章比较长，但通俗易懂的工作原理解析：

K8s学习办法、K8s标准对象、K8s核心组件、K8s分层架构、K8s架构原则

上一节我们详解了容器的核心技术：详解｜容器核心技术解析

回顾容器主要技术

有 name space做隔离，有Cgroup的资源控制，可以很安全地把一个应用丢到某个隔离环境中去运行，并且不对整个主机产生影响。这个应用要跑起来，需要所支撑的文件系统是overlayFS。上一节主要解析了这些技术。

容器技术，从原理上了解，它是用什么样的方式让容器运行起来的。

K8s学习办法

了解了容器技术基础上，看一下K8s做了哪些事情，为什么变成了业界的标准，K8s的主要架构是什么，它的控制面组件是什么样的。

与本节相关的理论概念，参见：K8s架构概念

当我们去学习任何技术的时候，都要去研究一下这个技术的来龙去脉是什么，它的前身是什么，前身在解决什么问题，然后很自然地就知道这个新系统是为了解决哪些问题的。往回看，在没有这个技术的时候，这个世界怎么样，它在追求解决什么问题，上一代的平台是怎么样的，这有助于我们去理解这项技术的更深层次。

学习K8s也一样。

K8s在谷歌的前身，是一套集群管理的系统叫Borg。Google Borg有篇paper，建议大家去读一下，有助于了解云原生。

1、找到价值

对于任何平台，一个问题是，其核心价值是什么？
应用的高可用、灵活、高性能。

容器是一个个的独立个体，要跑一个容器应用，一定要有一个东西来做housekeeper，来管控它。如果应用出现故障，应该有一种方法来做资源管控，做整个应用的生命周期管理，如果失败了，要重启等等这些机能，这就是Borg需要去解决的问题。

Borg本身是一个集群管理加一个作业调度的平台，它要支持很多灵活调度的策略。有了Borg系统，能实现应用的高可用和高可靠。它把很多基础架构层面的东西隐藏起来了，这也是云的价值。

• 云的理解，把它简单理解为把计算资源抽象出来，对应用开发人员或者应用这个云平台的使用者，只要去描述要跑哪个作业即可。

• 云上运行业务，可以通过Docker把业务build成一个个容器镜像，容器镜像里面，第一，可以定义运行时要跑哪些应用，第二，定义资源需求。然后把这个请求发给某一个云平台，剩下的事情交给云平台，云平台帮你去做调度。

• 云的优势，就是它把所有硬件的底层相关的资源都抽象出来了，对用户来讲，只需要告诉它你要跑什么作业，需要多少资源，它帮你去处理所有的东西。这也是Borg追求的目标和它的优势。

2、理解原理和机能

Borg 管理谷歌的整个数据中心。

谷歌有两类大的应用，一类叫做Product workload； 一类叫做non product workload。 

• Product workload就是我们日常所熟知的在线的服务，比如web search。它的特性是这些应用永远在线。提供任何在线业务所追求的终极目标就是它的可用性，即任何用户来访问，它都在提供服务。这是一个最基本的需求。

• Non- Product workload是批处理应用。比如电信银行要做对账，账单的处理是批处理行为，比如要对一些用户的日志做行为分析等等，都是批处理业务。它的特性是实时性要求不高，但是很耗资源，所以这种作业就是有资源就跑一跑。如果Product workload需要资源了，就可以把我的资源先临时让给你，等你空闲了以后我再继续跑。

i、资源利用率

通过在线应用和离线应用混布的手段，保证整个集群资源利用率很高。

在Borg里面有一个Cell的概念， Cell就是一个集群，一个数据中心可能有10万台机器，需要把这些机器化成一个个的逻辑单元，可能是5000台或者1万台。

为什么这么划分？

第一，因为集群规模支撑的上限是有限的，集群规模越大，越意味着集群控制面所做的计算越大。要提升性能，要做一定的切分

第二，因为故障率的控制。要把集群分成一个小的逻辑单元，带来的好处就是控制面Down的话，只有一部分机器死了。

ii、自动化运维

K8s和Borg被应用的原因一样，相对于虚拟机的一些问题，而启用的云机能，比如虚拟机缺少全自动化，如果一个instance虚机坏了，需要把这个虚拟机下架，要起一个新的虚拟机，要把应用部署到这台虚机上，让应用起好，然后一点点去测新应用没有问题，再把它跟之前的那台整个替换才完成。这样就会涉及到大量人工操作，使得整个应用的维护成本非常高。

自己维护平台，所有这些维护工作加业务逻辑都得写，成本是很大的。

Borg这样的系统，它跟OpenStack的区别是什么？

最核心就是调度的不是虚机，是目标实体，就是你的作业，是某一个应用。

通过模型抽象，就使得从开发到基础架构能知道这台机器上跑了哪些应用，就可以做很多自动化的功能。

自动化运维就是云的最大特征。

iii、应用高可用

怎么确保应用高可用？最常见的手段就是冗余部署。

这时要考虑故障率。无论在Borg，在K8s里面都有多种范围，比如主机、机架、可用区、数据中心等等。

要控制故障率，就要考虑清楚哪一个是控制面，哪一个是数据面。

控制面要控制的是什么？要保证平台上面跑的应用的高可用。比如跑了一个web server，Borg是可以死的，但是 web server不能死，所以是确保应用的高可用，就是数据面所运行的应用是非常非常重要。作为一个平台，平台出现故障，