从零开始的K8S学习笔记（一）概念入门

Kubernetes，简称K8s，是用8代替名字中间的8个字符“ubernete”而成的缩写。是一个开源的，用于管理云平台中多个主机上的容器化的应用。

本文旨在分享我自己的知识笔记，帮助像我这样的初学者去初步了解K8S集群的一些基本概念，文章将按照容器——Docker——Kubernetes的顺序去梳理相关知识点。

容器和虚拟机

可能很多初学者对容器这个概念比较陌生，所以这里先从大家都有一定了解的虚拟机开始讨论。

虚拟机 (VM)，顾名思义，虚拟机就是可以远程连接的虚拟服务器。

而容器（Container），顾名思义，是用于容纳某些东西的，而容器技术就是有效的将单个操作系统的资源“装”到某个“容器”中。

现在假设你要在虚拟机上运行一个网络应用 —— 包括一个 MySQL 数据库、一个 Vue 前端和一些 Java 库，在 Ubuntu 操作系统 (OS) 上运行。

而一个应用程序由各种组件、服务和库组成，它们运行在操作系统上。

现在，将应用程序打包成一个虚拟机镜像，这个镜像中包括了Ubuntu 操作系统。这使得虚拟机变得非常笨重 —— 通常有几个 G 的大小。

虚拟机镜像包含了整个操作系统及所有的库，对应用程序来说，这个镜像过于臃肿，其中大部分组件并没有被应用程序直接调用。如果你需要重新创建、备份或扩展这个应用程序，就需要复制整个环境（虚拟机镜像），在新环境中启动应用通常需要几十秒甚至几分钟时间。如果你想单独升级应用中的某个组件，比如说 Vue 应用，就需要重建整个虚拟机镜像。另外，如果你的两个应用依赖同一个底层镜像，升级底层镜像会同时影响这两个应用，而有时候，你只需要升级其中一个应用的依赖而已。这就是所谓的 “依赖陷阱”。（参见下图）

总之，使用打包虚拟机镜像这种方式，将使应用的运行、配置、管理、所有生存周期将与当前操作系统绑定，不利于应用的升级更新/回滚等操作，可移植性也差。

解决这个问题的办法就是容器。容器是继虚拟机之后更高层次的抽象，在这层抽象中，整个应用程序的每个组件被单独打包成一个个独立的单元，这个单元就是所谓的容器。通过这种方式，可以将代码和应用服务从底层架构中分离出来，实现了完全的可移植性（在任何操作系统或环境上运行应用的能力）。

在上面的例子中，Ubuntu 操作系统就是一个单元（容器）。MySQL 数据库是另一个容器，Vue 环境和相关的库也是一个容器。

而每个容器之间互相隔离，每个容器有自己的文件系统 ，容器之间进程不会相互影响，能区分计算资源。相对于虚拟机，容器能快速部署，由于容器与底层设施、机器文件系统解耦的，所以它能在不同云、不同版本操作系统间进行迁移。

容器占用资源少、部署快，每个应用可以被打包成一个容器镜像，每个应用与容器间成一对一关系也使容器有更大优势，使用容器可以在build或release 的阶段，为应用创建容器镜像，因为每个应用不需要与其余的应用堆栈组合，也不依赖于生产环境基础结构，这使得从研发到测试、生产能提供一致环境。类似地，容器比虚机轻量、更“透明”，这更便于监控和管理。

物理机、虚拟机和容器：

虚拟机属于虚拟化技术。而容器技术，也是虚拟化技术，属于轻量级的虚拟化。

Docker

Docker 是最常用的容器化工具，并且是一个开源项目，诞生于 2013 年初，最初是 dotCloud 公司（后由于 Docker 开源后大受欢迎就将公司改名为 Docker Inc ）内部的一个开源的 PAAS 服务 (Platform as a ServiceService) 的业余项目。

它基于 Google 公司推出的 Go 语言实现。 项目后来加入了 Linux 基金会，遵从了 Apache 2.0 协议，项目代码在 GitHub 上进行维护。

Docker 相比虚拟机的交付速度更快，资源消耗更低，Docker 采用客户端 / 服务端架构，使用远程 API 来管理和创建容器，其可以轻松的创建一个轻量级的、可移植的、自给自足的容器，docker 的三大理念是 build (构建)、ship (运输)、 run (运行)，Docker 遵从 apache 2.0 协议，并通过（namespace 及 cgroup 等）来提供容器的资源隔离与安全保障等，所以 Docke 容器在运行时不需要类似虚拟机（空运行的虚拟机占用物理机 6-8% 性能）的额外资源开销，因此可以大幅提高资源利用率。

容器和虚拟机的比较

Docker的优势

. 快速部署：短时间内可以部署成百上千个应用，更快速交付到线上

. 高效虚拟化：不需要额外hypervisor支持，基于linux内核实现应用虚拟化，相比虚拟机大幅提高性能和效率

. 节省开支：提高服务器利用率，降低IT支出

. 简化配置：将运行环境打包保存至容器，使用时直接启动即可 . 环境统一：将开发，测试，生产的应用运行环境进行标准化和统一，减少环境不一样带来的各种问题 . 快速迁移和扩展：可实现跨平台运行在物理机、虚拟机、公有云等环境，良好的兼容性可以方便将应用从A宿主机迁移到B宿主机，甚至是A平台迁移到B平台

Docker的缺点

隔离性：多个容器共用宿主机的内核，各应用之间的隔离不如虚拟机彻底

Docker的架构

Docker的三个重要概念

容器

镜像（Image）和容器（Container）的关系，就像是面向对象程序设计中的类和实例一样，镜像是静态的定义，容器是镜像运行时的实体。容器可以被创建、启动、停止、删除、暂停等。

镜像

Docker 镜像（Image），就相当于是一个 root 文件系统。比如官方镜像 ubuntu:16.04 就包含了完整的一套 Ubuntu16.04 最小系统的 root 文件系统。

仓库

仓库可看成一个代码控制中心，用来保存镜像。

Kubernetes

Kubernetes一词来自希腊语，意思是 “飞行员” 或 “舵手”。

这个名字很贴切，Kubernetes 可以帮助你在波涛汹涌的容器海洋中航行。

Kubernetes是谷歌十几年来大规模容器技术应用的重要成果，是谷歌严格保密十几年的秘密武器——Borg的一个开源版本。Borg是谷歌内部使用的久负盛名的大规模集群管理系统，基于容器技术来实现资源管理的自动化，以及跨多个数据中心的资源利用率的最大化。

总之，使用Kubernetes提供的解决方案，不仅节省开发成本，还可以将精力更加集中于业务本身，而且由于Kubernetes提供了强大的自动化机制，所以系统后期的运维难度和运维成本大幅度降低。

Kubernetes是一个完备的分布式系统支撑平台。Kubernetes具有完备的集群管理能力，包括多层次的安全防护和准入机制、多租户应 用支撑能力、透明的服务注册和服务发现机制、内建的智能负载均衡器、强大的故障发现和自我修复能力、服务滚动升级和在线扩容能力、 可扩展的资源自动调度机制，以及多粒度的资源配额管理能力。同时， Kubernetes提供了完善的管理工具，这些工具涵盖了包括开发、部署测试、运维监控在内的各个环节。因此，Kubernetes是一个全新的基于容器技术的分布式架构解决方案，并且是一个一站式的完备的分布式系统开发和支撑平台。

使用 Kubernetes 构建云原生架构应用

Borg架构

Kubernetes架构

Kubernetes 借鉴了 Borg 的设计理念。Kubernetes 的整体架构跟 Borg 非常像，如下图所示。

k8s集群结构图

K8S属于主从设备模型（Master-Slave架构），由Master和Node节点组成。

Master 节点负责集群的管理。Master 协调集群中的所有行为/活动，例如应用的运行、修改、更新等。

Node 节点作为Kubernetes集群中的工作节点，可以是VM虚拟机、物理机。每个node上都有一个Kubelet，用于管理node节点与Kubernetes Master通信。每个Node节点上至少还要运行container runtime（比如docker或者rkt）。

Kubernetes Architecture

完整且有效的 Kubernetes 集群所需的各种组件

Kubernetes cluster

Master节点包含以下组件：

• kube-APIserver：对外暴露了Kubernetes API

• kube-Controller-Manager：是控制平面的组件， 负责运行控制器进程。

从逻辑上讲， 每个控制器都是一个单独的进程， 但是为了降低复杂性，它们都被编译到同一个可执行文件，并在同一个进程中运行。

这些控制器包括：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

端点控制器（Endpoints Controller）：填充端点（Endpoints）对象（即加入 Service 与 Pod）

服务帐户和令牌控制器（Service Account & Token Controllers）：为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌

• Etcd：后端存储。负责保存Kubernetes Cluster的配置信息和各种资源的状态信息，始终为 Kubernetes 集群的 etcd 数据提供备份计划。

• kube-Scheduler：调度新创建的Pod

Kubernetes Master

Node节点包含以下组件：

• Kubelet:负责与管控组件沟通，并按照管控组件的指示，直接管理 Worker 节点

• Kube-proxy:每个节点上运行的网络代理

• 容器运行时（Container Runtime） :容器运行环境是负责运行容器的软件

• 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。 因为这些插件提供集群级别的功能，插件中命名空间域的资源属于kube-system命名空间。 常用的插件有DNS、Web 界面（仪表盘）、容器资源监控等。

Kubernetes Node

Kubernetes的一些重要概念

简单理解Pod

Pod 是 kubernetes 中可以创建和部署的最小也是最简的单位。代表着集群中运行的进程。

Pod的意思是豌豆荚，就像一个豌豆荚里面有多个豆子，一个Pod有一组（一个或多个）容器。

Pod运行在Node中（参见上图Kubernetes Node），这个节点既可以是物理机，也可以是虚拟机，在一个Node上能够运行多个Pod；其次，在每个Pod中都运行着一个特殊的被称为Pause的容器，其他容器则为业务容器。

Pod 中封装着应用的容器（有的情况下是好几个容器），存储、独立的网络 IP，管理容器如何运行的策略选项。

Pod 中可以同时运行多个进程（作为容器运行）协同工作。同一个 Pod 中的容器会自动的分配到同一个 node 上。同一个 Pod 中的容器共享资源、网络环境和依赖，它们总是被同时调度。

注意在一个 Pod 中同时运行多个容器是一种比较高级的用法。只有当你的容器需要紧密配合协作的时候才考虑用这种模式。例如，你有一个容器作为 web 服务器运行，需要用到共享的 volume，有另一个 “sidecar” 容器来从远端获取资源更新这些文件，如下图所示：

Pod 中可以共享两种资源：网络和存储。

简单理解Service

Kubernetes Service 定义了这样一种抽象：

逻辑上的一组 Pod，一种可以访问它们的策略 —— 通常称为微服务。 Service 所针对的 Pod 集合通常是通过选择算符来确定的。

举个例子，考虑一个图片处理后端，它运行了 3 个副本。这些副本是可互换的 —— 前端不需要关心它们调用了哪个后端副本。 然而组成这一组后端程序的 Pod 实际上可能会发生变化， 前端客户端不应该也没必要知道，而且也不需要跟踪这一组后端的状态。

Service 定义的抽象能够解耦这种关联。

概念上来讲，K8S 集群的服务，其实就是负载均衡、或反向代理。

在Kubernetes中，Service是分布式集群架构的核心。一个Service对象拥有如下关键特征。

◎ 拥有唯一指定的名称（比如mysql-server）。

◎ 拥有一个虚拟IP地址（ClusterIP地址）和端口号。

◎ 能够提供某种远程服务能力。

◎ 能够将客户端对服务的访问请求转发到一组容器应用上。

简单理解控制平面组件（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。

控制平面组件包括kube-apiserver、etcd、kube-scheduler、kube-controller-manager等，即Master节点组件。

Node节点组件则负责维护运行的 Pod 并提供 Kubernetes 运行环境，包括kubelet、kube-proxy、容器运行时（Container Runtime）等。

简单理解kubectl命令行工具

Kubelet是使用 Kubernetes API 与 Kubernetes 集群的控制面进行通信的命令行工具，负责与管控组件沟通，并按照管控组件的指示，直接管理 Worker 节点。

Kubernetes集群小结

Kubernetes 在容器级别而不是硬件级别运行

比较 Kubernetes 和单机操作系统，Kubernetes 相当于内核，它负责集群软硬件资源管理，并对外提供统一的入口，用户可以通过这个入口来使用集群，和集群沟通。

文章参考自《Kubernetes权威指南》、《深入浅出Kubernetes项目实战手册》、《云原生新手入门指南》。

下一篇文件将会讲解Kubernetes集群学习环境——minikube的安装部署。

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