【云原生技术】- Kubernetes 中，kubelet、kubectl和容器运行时 简介

在 Kubernetes 集群中， kubelet、 kubectl 和容器运行时扮演着关键且不同的角色。下面详细说明它们各自的功能、关联、区别以及它们与控制平面的关系和相互作用方式。

1、kubelet

1. 是什么

• kubelet 是运行在每个 Kubernetes 工作节点（Node）上的代理，负责管理该节点上的容器。

2. 作用

• 管理 Pod 生命周期，确保 Pod 和其中的容器根据 Kubernetes API 的说明运行。

Kubernetes 中的 Pod 生命周期包括多个阶段，从创建到终止。了解这些生命周期阶段有助于更好地管理和调试 Pod。

3. Pod 生命周期的主要阶段

1. Pending:

• Pod 已经被 Kubernetes 系统接受，但还有一个或多个容器镜像尚未创建。
• 这个阶段可能包括调度 Pod 到特定节点并下载容器镜像等过程。

2. Running:

• Pod 已经被绑定到一个节点上，所有容器都已被创建，至少有一个容器正在运行、正在启动或正在重启。
• 在这个阶段，Pod 正在执行其指定的任务。

3. Succeeded:

• Pod 中的所有容器都正常运行完毕，并且已经退出。
• 这个状态通常适用于那些执行一次性任务的 Pod，任务完成后 Pod 就进入 Succeeded 状态。

4. Failed:

• Pod 中的一个或多个容器以非零状态退出，表明这些容器失败了。
• 这可能是因为应用错误、配置错误或其他原因导致的。

5. Unknown:

• 由于某种原因，Pod 的状态无法确定，通常是因为与 Pod 所在节点的通信出现问题。

6. CrashLoopBackOff:

• 这不是 Pod 的官方状态，但是在实际操作中常见。
• 当 Pod 中的一个或多个容器反复崩溃（例如，应用启动失败），Kubernetes 会尝试重启它们，但如果失败仍持续，就会出现这个状态。

7. Terminating:

• 当 Pod 被标记为删除并且正在等待被终止时的状态。
• 这个阶段可能涉及清理资源和关闭运行中的进程。

了解 Pod 的生命周期阶段有助于在部署和维护 Kubernetes 应用时做出正确的决策，并能更有效地调试问题。每个阶段都有其特定的特征和行为，这些行为可能需要根据应用的需求和配置来相应地管理。

4. 关联和区别

• 与容器运行时关联，因为它直接与容器运行时交互，管理容器。
• 与 kubectl 无直接交互，但 kubectl 发出的命令可能会由 kubelet 执行。

在 Kubernetes 集群中，kubelet 与容器运行时的关联是通过 Kubernetes 的容器运行时接口（Container Runtime Interface，CRI）实现的。CRI 是一套标准化的 API，允许 kubelet 与不同的容器运行时进行交互，如 Docker、containerd、CRI-O 等。以下是 kubelet 如何与容器运行时交互和管理容器的详细说明：

(1) kubelet 与容器运行时的关联

1. CRI (Container Runtime Interface):

   • Kubernetes 引入了 CRI 作为插件接口，允许 kubelet 使用各种容器运行时，而无需修改 Kubernetes 本身的代码。
   • CRI 定义了一组必须由容器运行时实现的 gRPC（Google Remote Procedure Call）服务。

2. Pod 的生命周期管理:

   • kubelet 负责管理 Pod 的整个生命周期，这包括启动、停止、监控以及删除 Pod 中的容器。
   • 为此，kubelet 使用 CRI 接口与容器运行时通信，发送创建、启动、停止容器等指令。

(2) kubelet 如何管理容器

1. 容器的创建与启动:

   • 当 kubelet 收到创建新 Pod 的指令时，它通过 CRI 调用容器运行时创建并启动容器。
   • 它配置容器的网络、分配资源，并设置容器应有的状态。

2. 健康检查与状态报告:

   • kubelet 定期执行容器的健康检查，并监控其运行状态。
   • 它将容器的状态信息报告给 Kubernetes API Server。

3. 日志管理和执行命令:

   • kubelet 通过容器运行时来收集容器日志，并能在容器内执行命令（如 kubectl exec）。

4. 容器的停止与删除:

   • 当 Pod 需要被删除时，kubelet 指示容器运行时停止并删除容器。
   • 它还负责清理任何由容器留下的资源。

(3) 结论

通过 CRI，kubelet 能够与不同的容器运行时进行交互，无需关心每个运行时的具体实现细节。这种抽象允许 Kubernetes 跨多种容器技术工作，同时提供一致的用户体验。这种架构设计使得 Kubernetes 在容器管理方面具有高度的灵活性和扩展性。

5. 与控制平面组件的关系

• 直接与 API Server 通信，接收来自控制平面的指令，例如启动或停止 Pod。
  kubelet 与 Kubernetes API Server 的通信是 Kubernetes 集群正常运行的关键。这种通信允许 kubelet 接收来自控制平面的指令并采取相应行动，如启动或停止 Pod。以下是这一过程的具体细节：

(1) kubelet 与 API Server 的通信方式

1. HTTPS 请求:

   • kubelet 使用 HTTPS 协议与 API Server 进行安全通信。
   • 通信过程中使用 TLS 加密，确保数据传输的安全性。

2. 认证和授权:

   • kubelet 使用证书或令牌进行身份认证，以证明其身份。
   • API Server 通过角色基于访问控制（RBAC）机制对 kubelet 请求进行授权。

3. 心跳和状态更新:

   • kubelet 定期向 API Server 发送心跳，表明节点的健康状态。
   • 它还报告节点和 Pod 的状态信息，如资源使用情况、运行状态等。

(2) 接收和执行指令

1. 监听 Pod 创建指令:

   • kubelet 监听绑定到其所在节点的 Pod 创建指令。
   • 当新 Pod 被调度到节点上时，kubelet 会接收到相关信息。

2. Pod 生命周期管理:

   • 一旦接收到新 Pod 的信息，kubelet 将使用本地容器运行时创建和启动 Pod 中的容器。
   • 它负责配置容器网络、分配资源并设置环境变量等。

3. 健康检查和自我修复:

   • kubelet 执行定期的健康检查，确保 Pod 和容器的健康。
   • 如果检测到容器崩溃，kubelet 会尝试重启它，以保持 Pod 的正常运行。

4. 执行更新和删除操作:

   • 当 API Server 发送更新或删除 Pod 的指令时，kubelet 将执行这些操作。
   • 这可能包括更新容器的镜像、配置、资源限制或者完全删除 Pod。

(3) 结论

kubelet 与 API Server 的这种通信机制是 Kubernetes 自动化管理和自愈能力的核心。通过不断地从控制平面接收指令并反馈状态，kubelet 保证了 Pod 和容器在节点上正确运行，符合用户的部署和管理意图。

6. 相互作用

• kubelet 将节点和 Pod 状态报告给 API Server，并执行 API Server 发送的指令。
  kubelet 执行来自 API Server 的指令的过程涉及多个步骤，包括接收指令、解析、执行操作以及更新状态。下面以 Pod 的创建和启动为例来说明这个过程，然后我会用 Python 绘制一个简化的流程图来展示这一过程。

（1）例子：Pod 的创建和启动

1. API Server 发送 Pod 创建指令:

   • 当用户通过 kubectl 或其他方式创建一个新的 Pod 时，这个请求首先被发送到 API Server。API Server（控制平面的一部分）向 kubelet 发送 Pod 创建指令。
   • API Server 接受请求，将 Pod 信息存储在 etcd 中，并调度 Pod 到一个适当的节点。

2. kubelet 监听并接收指令:

   • kubelet 在每个节点上定期轮询 API Server，检查是否有分配给它的新 Pod。
   • 一旦发现新的 Pod，kubelet 将获取该 Pod 的相关信息，包括容器镜像、环境变量、卷挂载等。

3. 执行 Pod 创建:

   • kubelet 使用获取的 Pod 信息调用容器运行时创建容器。
   • 这包括下载容器镜像、创建网络和存储资源、启动容器以及配置其他资源等步骤。

4. 健康检查和状态报告:

   • 容器启动后，kubelet 执行健康检查，确保容器运行正常。
   • kubelet 将 Pod 和容器的运行状态报告给 API Server，这包括 Pod 的健康状况、运行状态、资源使用情况等信息，API Server 更新 etcd 中的状态信息。

5. 持续监控和管理:

   • kubelet 继续监控 Pod 的状态，执行任何必要的维护操作，如重启失败的容器。
   • 对于任何状态的变化，kubelet 都会更新 API Server。

kubelet 执行 Pod 创建和启动过程的各个步骤。这个过程从用户通过 kubectl 发送创建 Pod 的请求开始，经由 API Server 处理并存储请求，然后由 kubelet 轮询 API Server 以接收和执行这些指令。kubelet 通过调用容器运行时来创建和启动容器，随后执行健康检查，最终将 Pod 状态报告回 API Server。

这个流程反映了 Kubernetes 中控制平面和节点之间的交互方式，其中 kubelet 负责实际执行在节点上发生的操作，而 API Server 起到调度和协调的作用。通过这种机制，Kubernetes 能够确保 Pod 根据用户的配置和集群的调度策略在适当的节点上得到创建和管理。

2、kubectl

1. 是什么：

• kubectl 是 Kubernetes 集群的命令行接口，允许用户与集群进行交互。

2. 作用：

• 用于运行命令来部署和管理应用、查看集群状态、获取日志等。
  当然，kubectl 是 Kubernetes 的命令行工具，用于与 Kubernetes 集群进行交互。它支持一系列命令来部署和管理应用、查看集群状态、获取日志等。以下是

（1）一些常见的 kubectl 命令：

1. 部署和管理应用

1. 创建资源:

   • kubectl create -f ：根据 YAML 文件创建资源。
   • kubectl run --image=：快速启动一个新的 Pod。

2. 更新资源:

   • kubectl apply -f ：应用 YAML 文件中的更改。
   • kubectl set image deployment/ =：更新 Deployment 中的容器镜像。

3. 删除资源:

   • kubectl delete -f ：根据 YAML 文件删除资源。
   • kubectl delete pod,service ：删除指定名称的 Pod 和 Service。

4. 缩放应用:

   • kubectl scale deployment --replicas=：调整 Deployment 的副本数量。

5. 回滚操作:

   • kubectl rollout undo deployment/：回滚到上一个 Deployment 状态。

2. 查看集群状态

1. 获取资源列表:

   • kubectl get pods：列出所有 Pod。
   • kubectl get deployments：列出所有 Deployment。
   • kubectl get services：列出所有 Service。

2. 查看资源详情:

   • kubectl describe pod ：查看特定 Pod 的详细信息。
   • kubectl describe deployment ：查看特定 Deployment 的详细信息。

3. 查看集群和节点信息:

   • kubectl cluster-info：查看集群信息。
   • kubectl get nodes：列出所有节点及其状态。

3. 获取日志和调试

1. 查看容器日志:

   • kubectl logs ：查看 Pod 中容器的日志。
   • kubectl logs -c ：查看 Pod 中特定容器的日志。

2. 执行 Pod 内的命令:

   • kubectl exec -it -- ：在 Pod 中执行特定命令。

3. 复制文件:

   • kubectl cp ：从 Pod 复制文件到本地，或者反过来。

4. 高级操作

1. 编辑资源:

   • kubectl edit /：直接编辑并更新集群中的资源。

2. 标签和注解:

   • kubectl label pods =：为 Pod 添加标签。
   • kubectl annotate pods =：为 Pod 添加注解。

这些命令覆盖了 kubectl 的常见使用场景，包括资源管理、状态查询、日志获取和故障排查。通过这些命令，用户可以有效地与 Kubernetes 集群进行交互，管理资源和监控集群状态。

（2）一些其他用于日志获取和故障排查的命令

这些命令对于理解和解决在 Kubernetes 集群中出现的问题非常有用：

1. 日志获取

1. 实时查看日志:

   • kubectl logs -f ：实时跟踪 Pod 的日志输出。

2. 查看上次容器崩溃的日志:

   • kubectl logs --previous ：查看 Pod 中容器上次运行时的日志。

2. 故障排查

1. 执行 Pod 内的命令:

   • kubectl exec -it -- ：在 Pod 中执行特定命令，如 bash、sh 或其他调试命令。

2. 检查和诊断网络问题:

   • kubectl run -it --rm --restart=Never --image=busybox -- ：启动一个临时 Pod 以运行诸如 nslookup、ping 等网络诊断工具。

3. 获取 Pod 的详细信息:

   • kubectl describe pod ：获取 Pod 的详细状态和事件日志，这对于确定 Pod 为何无法启动或运行异常非常有用。

4. 获取集群事件:

   • kubectl get events：列出集群中发生的所有事件，可用于诊断问题。

5. 检查 API Server 日志:

   • 对于掌握集群访问权限的用户，检查 Kubernetes API Server 的日志也是理解集群行为的重要手段。

6. 查看节点状态和日志:

   • kubectl describe node ：查看特定节点的详细信息和状态。
   • kubectl get node -o yaml ：以 YAML 格式获取节点的详细信息，包括状态和配置。

7. 使用端到端测试工具:

   • 运行 Kubernetes 附带的端到端测试可以帮助诊断集群是否正常工作。

请记住，故障排查通常需要结合日志信息、Pod 和节点的状态以及集群事件来进行。在具体的故障排查过程中，可能还需要结合集群的特定配置和运行状况来进行深入分析。

3. 关联和区别：

• 与 kubelet 无直接交互，但可以发送命令到 API Server，这些命令可能最终由 kubelet 执行。
• 不直接与容器运行时交互。

4. 与控制平面的关系：

• 直接与 API Server 通信，作为用户与 Kubernetes 集群交互的主要工具。

5. 相互作用：

• 用户通过 kubectl 向 API Server 发送指令，这些指令会被转发到适当的组件（如 kubelet）。

3、容器运行时

1. 是什么：

• 容器运行时是底层软件，用于运行容器。

2. 作用：

• 管理容器的生命周期，包括容器的创建、启动、停止、删除等。

3. 关联和区别：

• kubelet 通过调用容器运行时的 API 来管理容器。
• kubectl 不直接与容器运行时交互，但通过 kubelet 可以间接影响容器的行为。

4. 与控制平面的关系：

• 容器运行时与控制平面组件没有直接的交互，但通过 kubelet 间接接收来自控制平面的指令。

5. 相互作用：

• kubelet 接收来自 API Server 的指令，并通过容器运行时 API 来管理容器。

总结

• kubelet` 是节点层面的代理，直接管理容器和 Pod；
• kubectl` 是用户与 Kubernetes 集群交互的命令行工具；
• 容器运行时是底层的容器管理系统。
  这三者共同协作，使得 Kubernetes 能够有效地管理和运行容器化应用。