kubernetes学习笔记-概念

参考：https://kubernetes.io/zh-cn/docs/concepts/overview/

概述

Kubernetes 是一个可移植、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，其服务、支持和工具的使用范围相当广泛。

Kubernetes 这个名字源于希腊语，意为“舵手”或“飞行员”。k8s 这个缩写是因为 k 和 s 之间有八个字符的关系。

容器部署时代：

容器类似于 VM，但是更宽松的隔离特性，使容器之间可以共享操作系统（OS）。 因此，容器比起 VM 被认为是更轻量级的。且与 VM 类似，每个容器都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 发行版本进行移植。

容器因具有许多优势而变得流行起来，例如：

• 敏捷应用程序的创建和部署：与使用 VM 镜像相比，提高了容器镜像创建的简便性和效率。
• 持续开发、集成和部署：通过快速简单的回滚（由于镜像不可变性）， 提供可靠且频繁的容器镜像构建和部署。
• 关注开发与运维的分离：在构建、发布时创建应用程序容器镜像，而不是在部署时， 从而将应用程序与基础架构分离。
• 可观察性：不仅可以显示 OS 级别的信息和指标，还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
• 跨开发、测试和生产的环境一致性：在笔记本计算机上也可以和在云中运行一样的应用程序。
• 跨云和操作系统发行版本的可移植性：可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地、 Google Kubernetes Engine 和其他任何地方运行。
• 以应用程序为中心的管理：提高抽象级别，从在虚拟硬件上运行 OS 到使用逻辑资源在 OS 上运行应用程序。
• 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务：应用程序被分解成较小的独立部分， 并且可以动态部署和管理 - 而不是在一台大型单机上整体运行。
• 资源隔离：可预测的应用程序性能。
• 资源利用：高效率和高密度

容器是打包和运行应用程序的好方式。在生产环境中， 你需要管理运行着应用程序的容器，并确保服务不会下线。 例如，如果一个容器发生故障，则你需要启动另一个容器。 Kubernetes 为你提供了一个可弹性运行分布式系统的框架。 Kubernetes 会满足你的扩展要求、故障转移你的应用、提供部署模式等。 例如，Kubernetes 可以轻松管理系统的 Canary (金丝雀) 部署。

Kubernetes 为你提供：

• 服务发现和负载均衡

  Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址来暴露容器。 如果进入容器的流量很大， Kubernetes 可以负载均衡并分配网络流量，从而使部署稳定。

• 存储编排

  Kubernetes 允许你自动挂载你选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等。

• 自动部署和回滚

  你可以使用 Kubernetes 描述已部署容器的所需状态， 它可以以受控的速率将实际状态更改为期望状态。 例如，你可以自动化 Kubernetes 来为你的部署创建新容器， 删除现有容器并将它们的所有资源用于新容器。

• 自动完成装箱计算

  你为 Kubernetes 提供许多节点组成的集群，在这个集群上运行容器化的任务。 你告诉 Kubernetes 每个容器需要多少 CPU 和内存 (RAM)。 Kubernetes 可以将这些容器按实际情况调度到你的节点上，以最佳方式利用你的资源。

• 自我修复

  Kubernetes 将重新启动失败的容器、替换容器、杀死不响应用户定义的运行状况检查的容器， 并且在准备好服务之前不将其通告给客户端。

• 密钥与配置管理

  Kubernetes 允许你存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 SSH 密钥。 你可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应用程序配置，也无需在堆栈配置中暴露密钥。

• 批处理执行 除了服务外，Kubernetes 还可以管理你的批处理和 CI（持续集成）工作负载，如有需要，可以替换失败的容器。
• 水平扩缩 使用简单的命令、用户界面或根据 CPU 使用率自动对你的应用进行扩缩。
• IPv4/IPv6 双栈 为 Pod（容器组）和 Service（服务）分配 IPv4 和 IPv6 地址。
• 为可扩展性设计 在不改变上游源代码的情况下为你的 Kubernetes 集群添加功能。

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。 而 Kubernetes 包含了一组独立可组合的控制过程，可以持续地将当前状态驱动到所提供的预期状态。 你不需要在乎如何从 A 移动到 C，也不需要集中控制，这使得系统更易于使用且功能更强大、 系统更健壮，更为弹性和可扩展。

本文档概述了一个正常运行的 Kubernetes 集群所需的各种组件。

控制平面组件（Control Plane Components）

控制平面组件会为集群做出全局决策，比如资源的调度。 以及检测和响应集群事件，例如当不满足部署的 replicas 字段时， 要启动新的 pod）。

控制平面组件可以在集群中的任何节点上运行。 然而，为了简单起见，设置脚本通常会在同一个计算机上启动所有控制平面组件， 并且不会在此计算机上运行用户容器。

kube-apiserver

API 服务器是 Kubernetes 控制平面的组件， 该组件负责公开了 Kubernetes API，负责处理接受请求的工作。 API 服务器是 Kubernetes 控制平面的前端。

Kubernetes API 服务器的主要实现是 kube-apiserver。 kube-apiserver 设计上考虑了水平扩缩，也就是说，它可通过部署多个实例来进行扩缩。 你可以运行 kube-apiserver 的多个实例，并在这些实例之间平衡流量。

etcd

一致且高可用的键值存储，用作 Kubernetes 所有集群数据的后台数据库。

kube-scheduler

kube-scheduler 是控制平面的组件， 负责监视新创建的、未指定运行节点（node）的 Pods， 并选择节点来让 Pod 在上面运行。

调度决策考虑的因素包括单个 Pod 及 Pods 集合的资源需求、软硬件及策略约束、 亲和性及反亲和性规范、数据位置、工作负载间的干扰及最后时限。

kube-controller-manager

kube-controller-manager 是控制平面的组件， 负责运行控制器进程。

有许多不同类型的控制器。以下是一些例子：

• 节点控制器（Node Controller）：负责在节点出现故障时进行通知和响应
• 任务控制器（Job Controller）：监测代表一次性任务的 Job 对象，然后创建 Pods 来运行这些任务直至完成
• 端点分片控制器（EndpointSlice controller）：填充端点分片（EndpointSlice）对象（以提供 Service 和 Pod 之间的链接）。
• 服务账号控制器（ServiceAccount controller）：为新的命名空间创建默认的服务账号（ServiceAccount）。

cloud-controller-manager

cloud-controller-manager 仅运行特定于云平台的控制器。 因此如果你在自己的环境中运行 Kubernetes，或者在本地计算机中运行学习环境， 所部署的集群不需要有云控制器管理器。

下面的控制器都包含对云平台驱动的依赖：

• 节点控制器（Node Controller）：用于在节点终止响应后检查云提供商以确定节点是否已被删除
• 路由控制器（Route Controller）：用于在底层云基础架构中设置路由
• 服务控制器（Service Controller）：用于创建、更新和删除云提供商负载均衡器

Node 组件

节点组件会在每个节点上运行，负责维护运行的 Pod 并提供 Kubernetes 运行环境。

kubelet

kubelet 会在集群中每个节点（node）上运行。 它保证容器（containers）都运行在 Pod 中。

kubelet 接收一组通过各类机制提供给它的 PodSpec，确保这些 PodSpec 中描述的容器处于运行状态且健康。 kubelet 不会管理不是由 Kubernetes 创建的容器。

kube-proxy

kube-proxy 是集群中每个节点（node）上所运行的网络代理， 实现 Kubernetes 服务（Service） 概念的一部分。

kube-proxy 维护节点上的一些网络规则， 这些网络规则会允许从集群内部或外部的网络会话与 Pod 进行网络通信。

如果操作系统提供了可用的数据包过滤层，则 kube-proxy 会通过它来实现网络规则。 否则，kube-proxy 仅做流量转发。

容器运行时（Container Runtime）

这个基础组件使 Kubernetes 能够有效运行容器。 它负责管理 Kubernetes 环境中容器的执行和生命周期。

Kubernetes 支持许多容器运行环境，例如 containerd、 CRI-O 以及 Kubernetes CRI (容器运行环境接口) 的其他任何实现。

插件（Addons）

插件使用 Kubernetes 资源（DaemonSet、 Deployment 等）实现集群功能。

DNS

集群 DNS 是一个 DNS 服务器，和环境中的其他 DNS 服务器一起工作，它为 Kubernetes 服务提供 DNS 记录。

Kubernetes 启动的容器自动将此 DNS 服务器包含在其 DNS 搜索列表中。

Web 界面（仪表盘）

Dashboard 是 Kubernetes 集群的通用的、基于 Web 的用户界面。 它使用户可以管理集群中运行的应用程序以及集群本身， 并进行故障排除。

容器资源监控

容器资源监控 将关于容器的一些常见的时间序列度量值保存到一个集中的数据库中， 并提供浏览这些数据的界面。

集群层面日志

集群层面日志机制负责将容器的日志数据保存到一个集中的日志存储中， 这种集中日志存储提供搜索和浏览接口。

网络插件

网络插件 是实现容器网络接口（CNI）规范的软件组件。它们负责为 Pod 分配 IP 地址，并使这些 Pod 能在集群内部相互通信。

Kubernetes API

Kubernetes 控制面的核心是 API 服务器。 API 服务器负责提供 HTTP API，以供用户、集群中的不同部分和集群外部组件相互通信。

Kubernetes API 使你可以在 Kubernetes 中查询和操纵 API 对象 （例如 Pod、Namespace、ConfigMap 和 Event）的状态。

大部分操作都可以通过 kubectl 命令行接口或类似 kubeadm 这类命令行工具来执行， 这些工具在背后也是调用 API。不过，你也可以使用 REST 调用来访问这些 API。

Kubernetes 为 API 实现了一种基于 Protobuf 的序列化格式，主要用于集群内部通信。 

持久化

Kubernetes 通过将序列化状态的对象写入到 etcd 中完成存储操作。

API 发现

集群支持的所有组版本列表被发布在 /api 和 /apis 端点。 每个组版本还会通过 /apis// （例如 /apis/rbac.authorization.k8s.io/v1alpha1）广播支持的资源列表。 这些端点由 kubectl 用于获取集群支持的资源列表。

API 资源通过其 API 组、资源类型、名字空间（用于名字空间作用域的资源）和名称来区分。 API 服务器透明地处理 API 版本之间的转换：所有不同的版本实际上都是相同持久化数据的呈现。 API 服务器可以通过多个 API 版本提供相同的底层数据。

例如，假设针对相同的资源有两个 API 版本：v1 和 v1beta1。 如果你最初使用其 API 的 v1beta1 版本创建了一个对象， 你稍后可以使用 v1beta1 或 v1 API 版本来读取、更新或删除该对象， 直到 v1beta1 版本被废弃和移除为止。此后，你可以使用 v1 API 继续访问和修改该对象。

Kubernetes 已设计了 Kubernetes API 来持续变更和成长。 Kubernetes 项目的目标是 不要 给现有客户端带来兼容性问题，并在一定的时期内维持这种兼容性， 以便其他项目有机会作出适应性变更。

Kubernetes 对维护达到正式发布（GA）阶段的官方 API 的兼容性有着很强的承诺，通常这一 API 版本为 v1。 此外，Kubernetes 保持与 Kubernetes 官方 API 的 Beta API 版本持久化数据的兼容性， 并确保在该功能特性已进入稳定期时数据可以通过 GA API 版本进行转换和访问。

Kubernetes 架构

Kubernetes 集群架构

节点

Kubernetes 通过将容器放入在节点（Node）上运行的 Pod 中来执行你的工作负载。 节点可以是一个虚拟机或者物理机器，取决于所在的集群配置。 每个节点包含运行 Pod 所需的服务； 这些节点由控制面负责管理。

节点上的组件包括 kubelet、 容器运行时以及 kube-proxy。

管理

向 API 服务器添加节点的方式主要有两种：

1. 节点上的 kubelet 向控制面执行自注册；
2. 你（或者别的什么人）手动添加一个 Node 对象

Kubernetes 会在内部创建一个 Node 对象作为节点的表示。Kubernetes 检查 kubelet 向 API 服务器注册节点时使用的 metadata.name 字段是否匹配。 如果节点是健康的（即所有必要的服务都在运行中），则该节点可以用来运行 Pod。 否则，直到该节点变为健康之前，所有的集群活动都会忽略该节点。

Node 对象的名称必须是合法的 DNS 子域名。

节点名称唯一性

节点的名称用来标识 Node 对象。 没有两个 Node 可以同时使用相同的名称。 Kubernetes 还假定名字相同的资源是同一个对象。

手动节点管理

你可以使用 kubectl 来创建和修改 Node 对象。

如果你希望手动创建节点对象时，请设置 kubelet 标志 --register-node=false。

你可以结合使用 Node 上的标签和 Pod 上的选择算符来控制调度。 例如，你可以限制某 Pod 只能在符合要求的节点子集上运行。

如果标记节点为不可调度（unschedulable），将阻止新 Pod 调度到该 Node 之上， 但不会影响任何已经在其上的 Pod。 这是重启节点或者执行其他维护操作之前的一个有用的准备步骤。

要标记一个 Node 为不可调度，执行以下命令：

kubectl cordon $NODENAME

被 DaemonSet 控制器创建的 Pod 能够容忍节点的不可调度属性。 DaemonSet 通常提供节点本地的服务，即使节点上的负载应用已经被腾空， 这些服务也仍需运行在节点之上。

节点状态

一个节点的状态包含以下信息:

• 地址（Addresses）
• 状况（Condition）
• 容量与可分配（Capacity）
• 信息（Info）

你可以使用 kubectl 来查看节点状态和其他细节信息：

kubectl describe node <节点名称>

kubectl describe node bigdata05

节点心跳

Kubernetes 节点发送的心跳帮助你的集群确定每个节点的可用性，并在检测到故障时采取行动。

节点控制器

节点控制器是 Kubernetes 控制面组件， 管理节点的方方面面。

节点与控制面之间的通信

节点到控制面

Kubernetes 采用的是中心辐射型（Hub-and-Spoke）API 模式。 所有从节点（或运行于其上的 Pod）发出的 API 调用都终止于 API 服务器。 其它控制面组件都没有被设计为可暴露远程服务。 API 服务器被配置为在一个安全的 HTTPS 端口（通常为 443）上监听远程连接请求， 并启用一种或多种形式的客户端身份认证机制。 一种或多种客户端鉴权机制应该被启用， 特别是在允许使用匿名请求 或服务账户令牌的时候。

应该使用集群的公共根证书开通节点， 这样它们就能够基于有效的客户端凭据安全地连接 API 服务器。 一种好的方法是以客户端证书的形式将客户端凭据提供给 kubelet。 请查看 kubelet TLS 启动引导 以了解如何自动提供 kubelet 客户端证书。

想要连接到 API 服务器的 Pod 可以使用服务账号安全地进行连接。 当 Pod 被实例化时，Kubernetes 自动把公共根证书和一个有效的持有者令牌注入到 Pod 里。 kubernetes 服务（位于 default 名字空间中）配置了一个虚拟 IP 地址， 用于（通过 kube-proxy）转发请求到 API 服务器的 HTTPS 末端。

控制面到节点

从控制面（API 服务器）到节点有两种主要的通信路径。 第一种是从 API 服务器到集群中每个节点上运行的 kubelet 进程。 第二种是从 API 服务器通过它的代理功能连接到任何节点、Pod 或者服务。

API 服务器到 kubelet

从 API 服务器到 kubelet 的连接用于：

• 获取 Pod 日志。
• 挂接（通过 kubectl）到运行中的 Pod。
• 提供 kubelet 的端口转发功能。

API 服务器到节点、Pod 和服务

从 API 服务器到节点、Pod 或服务的连接默认为纯 HTTP 方式，因此既没有认证，也没有加密。 

这些连接可通过给 API URL 中的节点、Pod 或服务名称添加前缀 https: 来运行在安全的 HTTPS 连接上。 不过这些连接既不会验证 HTTPS 末端提供的证书，也不会提供客户端证书。 因此，虽然连接是加密的，仍无法提供任何完整性保证。 这些连接 目前还不能安全地 在非受信网络或公共网络上运行。

Konnectivity 服务

Konnectivity 服务提供 TCP 层的代理，以便支持从控制面到集群的通信。 Konnectivity 服务包含两个部分：Konnectivity 服务器和 Konnectivity 代理， 分别运行在控制面网络和节点网络中。 Konnectivity 代理建立并维持到 Konnectivity 服务器的网络连接。 启用 Konnectivity 服务之后，所有控制面到节点的通信都通过这些连接传输。

控制器

在机器人技术和自动化领域，控制回路（Control Loop）是一个非终止回路，用于调节系统状态。

这是一个控制环的例子：房间里的温度自动调节器。

当你设置了温度，告诉了温度自动调节器你的期望状态（Desired State）。 房间的实际温度是当前状态（Current State）。 通过对设备的开关控制，温度自动调节器让其当前状态接近期望状态。

在 Kubernetes 中，控制器通过监控集群 的公共状态，并致力于将当前状态转变为期望的状态。

租约（Lease）

分布式系统通常需要租约（Lease）；租约提供了一种机制来锁定共享资源并协调集合成员之间的活动。 在 Kubernetes 中，租约概念表示为 coordination.k8s.io API 组中的 Lease 对象， 常用于类似节点心跳和组件级领导者选举等系统核心能力。

节点心跳

Kubernetes 使用 Lease API 将 kubelet 节点心跳传递到 Kubernetes API 服务器。 对于每个 Node，在 kube-node-lease 名字空间中都有一个具有匹配名称的 Lease 对象。 在此基础上，每个 kubelet 心跳都是对该 Lease 对象的 update 请求，更新该 Lease 的 spec.renewTime 字段。 Kubernetes 控制平面使用此字段的时间戳来确定此 Node 的可用性。

领导者选举

Kubernetes 也使用 Lease 确保在任何给定时间某个组件只有一个实例在运行。 这在高可用配置中由 kube-controller-manager 和 kube-scheduler 等控制平面组件进行使用， 这些组件只应有一个实例激活运行，而其他实例待机。

kubectl -n kube-system get lease

kubectl -n kube-system get lease apiserver-ujecl7f5lrhtiugm5nwzypf33i -o yaml

云控制器管理器

使用云基础设施技术，你可以在公有云、私有云或者混合云环境中运行 Kubernetes。 Kubernetes 的信条是基于自动化的、API 驱动的基础设施，同时避免组件间紧密耦合。

组件 cloud-controller-manager 是指云控制器管理器， 一个 Kubernetes 控制平面组件， 嵌入了特定于云平台的控制逻辑。 云控制器管理器（Cloud Controller Manager） 允许你将你的集群连接到云提供商的 API 之上， 并将与该云平台交互的组件同与你的集群交互的组件分离开来。

通过分离 Kubernetes 和底层云基础设置之间的互操作性逻辑， cloud-controller-manager 组件使云提供商能够以不同于 Kubernetes 主项目的步调发布新特征。

cloud-controller-manager 组件是基于一种插件机制来构造的， 这种机制使得不同的云厂商都能将其平台与 Kubernetes 集成

云控制器管理器以一组多副本的进程集合的形式运行在控制面中，通常表现为 Pod 中的容器。每个 cloud-controller-manager 在同一进程中实现多个控制器。