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使用者:九千鴉/k8s

< User:九千鸦

概括

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Kubernetes 與傳統的 PaaS 不同，它更多的被稱為 容器的PaaS 或者 CaaS（Containers as a service，容器即服務）。[1]

概念

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Kubernetes 包含一系列抽象概念，這些抽象概念用於表示系統的狀態，這包括：已部署的容器化應用和工作負載的抽象概念、與之相關的網絡和磁盤資源的抽象、集群運行的其他信息的抽象。[2]

工作节点
    |--------------┐
    Pod 1          Pod 2
    |               |
   容器1           容器2
   容器2           容器3
 IP 10.1.0.1    IP 10.1.0.2

Kubernetes API

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Kubernetes API是REST API，是 Kubernetes 的基礎組件。組件間的操作和通信，以及外部用戶命令都是通過該API完成的，因此，Kubernetes平台里的任何對象都可以說是該API的執行對象。該API由 API服務器（kube-apiserver）管理。[3]

對象

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對象有兩個內嵌對象字段：spec 和 status 。 status 用於表示對象的當前狀態，通過以下命令可以查看到pod的當前狀態：[4]

# 通过以下命令可以获得status
# kubectl get pods 
# kubectl describe pods [Pod名称] 
$ kubectl get pods
NAME        READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-app   1/1     Running   0          20h

spec 表示集群期待的狀態（Desired State）。用戶可以使用YAML文件部署應用（創建對象），spec 字段則表示要部署的應用有什麼特徵。[4] 以下YAML文件描述了一個高級對象（Deployment），字段詳情可查看該網站。

apiVersion: apps/v1 # for versions before 1.9.0 use apps/v1beta2
kind: Deployment # 对象的类型
metadata: # 该Deployment对象的元数据
  name: nginx-deployment
spec:
  selector: # Pods的标签选择器。选择哪些Pods受该Deployment管理。
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 2 # 希望运行2个pod
  template:
    metadata: # Pods对象的元数据
      labels: # Pods对象的标签
        app: nginx 
    spec:
      containers:
      - name: nginx # Pod的容器名为nginx
        image: nginx:1.14.2 # 从Docker Hub拉去的镜像
        ports:
        - containerPort: 80

基礎對象

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Pod

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Pod（英語：豆莢）是最小單元（atomic unit）。Pod封裝了一個或若干個容器（Docker容器是最常用的容器），各容器可共享同一IP地址和端口、存儲資源（存儲卷）。但通常，一個Pod只會裝載一個容器，除非各容器間需要使用文件系統（存儲資源）進行通訊。[5][6]

雖然Pod擁有獨立的IP地址，但是該IP地址無法暴露在集群之外。此時，需要 服務 該對象進行幫助。[7]

服務

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服務（service），可以理解為邏輯上的Pod。通過服務的DNS名稱名（DNS name）可以找到服務，再通過服務可以調用Pod。[8] 調用方 通過調用服務的方式，避免了調用方與Pod的耦合，這樣當Pod宕機時，也不會影響到調用方，這也可用於負載均衡、服務發現等場景。[9]

                         选择一个Endpoint进行调用
            |-----------| -------- Endpoint 1 -----> [Pod 1 暴露端口:80 IP:10.244.0.25]
            |           |        [10.244.0.25:80]
   调用 --> | service   | -------- Endpoint 2 -----> [Pod 2 暴露端口:80 IP:10.244.0.26] 
            |10.96.92.53|        [10.244.0.26:80]      
            |-----------| -------- Endpoint 3 -----> [Pod 3 暴露端口:80 IP:10.244.0.27] 
                                 [10.244.0.27:80]

服務也是擁有IP地址（稱為cluster IP）[9]，通過kubectl get service 可查看到。服務沒有通過選擇器（selector）選擇Pod時，Endpoint對象 將無法被自動生成，服務將無法調用；另外，可通過直接指定 IP和端口 的方式，生成Endpoint對象，從而調用服務。[10] 可通過kubectl get endpoints 的方式查看Endpoint對象。

服務定義文件格式為 YAML（推薦） 和 JSON，示例如下：[7]

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: redis-master # DNS名
  labels:
    app: redis
    role: master
    tier: backend
spec:
  ports:
  - port: 6666  # 该服务暴露给外界的端口
    targetPort: 6379 # Pods暴露的端口
  selector: # 标签选择器，用于服务连接的Pod
    app: redis 
    role: master
    tier: backend

標籤和選擇器

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標籤（label）是鍵值對，用於存儲對象的數據。這些數據是特意展示給用戶看，具有意義和標誌性。 用戶通過 選擇器（全稱：標籤選擇器，Label selector）匹配標籤，API 將可找到匹配對象。[11]

"metadata": {
  "labels": {
    "key1" : "value1",
    "key2" : "value2"
  }
}

高級對象

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高級對象 是依賴於控制器 ，而控制器是建立於基礎對象之上，並為之添加功能性和方便性。[2]

ReplicationController

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ReplicationController 用於確保Pod的數量正常。[12]

ReplicaSet

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ReplicaSet 是 ReplicationController 的升級版本，ReplicaSet 的標籤選擇器更加靈活。[13]

DaemonSet

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DaemonSet（Daemon：守護進程） 為了每一個節點分配有且只有一個Pod，使用場景有：[14][15]

  • 存儲用的守護進程。
  • 日誌收集的守護進程。
  • 節點監控的守護進程。

Deployment

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Deployment控制器 提供了聲明式（使用YAML文件）的方式，更新Pod和ReplicaSet。[16][17][18] Deployment控制器可以管理其 Pod 組件的生命周期，還可以執行橫向擴縮以根據需要更改 Pod 的數量。[19]

下例為查看deployment對象：

$ kubectl get deployments 
NAME           READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
frontend       1/1     1            1           5d4h

Job

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Job控制器用於執行非持續性的任務（即任務是可執行完畢的），例如使用Pod發送一封郵件，發送完畢後Job控制器會被標記完成，失敗的話則重新發送一封郵件。Job控制器可創建單個或者多個Pod，如果創建多個Pod的話，將以並行的方式執行。[20]

CronJob

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CronJob控制器 在特定時間或按特定間隔運行任務，就像Cron工具。[21]

設計

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開發者使用 Kubernetes 有兩種方式：使用命令行工具（如：kubectl 、 kubeadm）、客戶端庫。而這兩種方式均是基於Kubernetes API。[3]

當開發者想要部署 應用，那麼需要通過命令行工具等方式要告訴Master，Master將會調度Pod（Pod裝載着容器化的應用）到工作節點上。[22]

|-----------------------------------------------------------------------|
|                           cluster                                     |
|    Control Plane Components                                                              |
|         Master node                       Work node                   |
|   |------------------------|      |--------------------|              |
|   | kube-apiserver         |      |       kubelet      |              |
|   | kube-scheduler         |      |   kubelet-proxy    |              |
|   | kube-contoller-manager |      |  Container runtime |              |
|   |         etcd           |      |      [ Pods ]      |              |
|   |------------------------|      |--------------------|              |
|                                                                       |
|-----------------------------------------------------------------------|

Control Plane

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控制平面（英語：Control Plane）位於主節點（Master node），包含主控件組（Master）、etcd。控制平面 通常用於與工作節點進行交互。[23]

Masters

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由於Master是由三個進程組成的，所以可以翻譯為「主控件組」。Master所在的工作節點將會被指定為 主節點。[2]主控組件包含的三個進程分別是：kube-apiserver、kube-controller-manager 和 kube-scheduler。[2]主控組件負責管理集群。[22]

  • kube-apiserver（API server）， 用於與（集群的）外界進行通訊。API server將會判斷接請求是否有效，如果有效就會處理。kubectl 等命令行實質就是和該組件通訊。[23]
  • kube-scheduler，用於調度資源。觀察是否存在新創建的Pod沒有指派到節點，如果存在的話，則將其指派到其中一個節點上。[24]
  • kube-controller-manager，通過控制器進行維護集群。從API server接收到的命令，將會修改集群某些對象的期待狀態（desired state），控制器觀察到這些期待狀態的變化，就會將這些對象的當前狀態（current state）變為期待狀態（desired state）。[25][22][24]
    • Node controller：負責監視節點，當節點宕不可用時，進行通知。
    • Replication controller：負責維護每一個replication controller對象所關聯的Pod數量。
    • Endpoints controller：負責填充 Endpoints對象。
    • Service Account & Token controllers：創建默認的賬號和API訪問令牌。
            |--------------------|                            
command-->  |   kube-apiserver   | ---> change object's 
            |--------------------|      desired state       
                                             ∧
                                             || watch
                                |---------------------------| 
       change object's  <---    |   kube-contoller-manager  |
       current state            |---------------------------|

etc

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一致性和高可用的鍵值存儲軟件，用於備份k8s的所有集群。[26]

cloud-controller-manager

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在v1.11版本（2018年），cloud-controller-manager用於雲服務提供商

####TODO

工作節點

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節點（Node）默認表示 工作節點，而不代表 主節點。工作節點 運行着容器化的應用。 工作節點裝載着 Pod ，Pod是application workload的構成要素。[27]

  • kubelet，作為節點的代理者，用於與 Master 進行通信，並管理着容器。[22][28]
  • kube-proxy，一種網絡代理，將 Kubernetes 的網絡服務代理到每個節點上。
  • 容器運行時（Container Runtime），用於操作容器，如：Docker。[22][28]

網絡

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服務

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服務有五種類型：[29]

  • ClusterIP（默認類型）：只能在集群里訪問服務。
  • NodePort：通過每個節點IP的某一特定端口，訪問服務（Node=節點，Port=端口）。
  • LoadBalancer：通過雲服務商的負載均衡器，訪問服務。
  • ExternalName：該服務 為外部 DNS 名稱提供內部別名。內部客戶端使用內部 DNS 名稱發出請求，然後請求會被重定向到外部名稱。[30]

通過節點IP地址進行暴露服務，可使用；通過雲服務提供商的負載均衡器暴露服務，則使用LoadBalancer；[31]而當服務不在集群內，在集群之外，可以使用ExternalName 模式的服務進行重定向。

存儲

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存儲方案有很多。託管式的有如：網絡附加存儲（NAS）、數據庫、文件服務器；非託管式的則利用Kubernetes 存儲抽象，如：卷。[32]

卷

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對於應用而言，將數據寫入容器中的磁盤文件是最簡單的途徑，但這種方法存在缺陷。如果容器因其他任何原因崩潰或停止，文件將會丟失。此外，一個容器內的文件不可供同一 Pod 中運行的其他容器訪問。 卷（Volume）可以解決這兩個問題。[33][34]

臨時卷

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臨時卷 與Pod的生命周期一樣，隨着包裹其的Pod終止或被刪除時，該卷也會隨之終止或刪除。[33][34]

持久性卷

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持久性卷（Persistent Volumes），在 Pod 被移除時，系統只是卸載該卷，數據將保留，並可將其數據傳遞到另一個 Pod。[34]

健康檢查

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K8s的對於容器的健康檢查（Health Check）有三種：存活探測（Liveness Probe）、就緒探測（Readiness Probe）、啟動探測（Startup Probe）。[35][36] 執行順序如下

启动容器 -->  Startup Probe  ------>  Readiness Probe
                              |---->  Liveness Probe

存活探測

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存活探測（Liveness Probe）：當不符合條件時，容器將會被重啟。通常用於遇到Bug，無法進行下去的情況，如：死鎖。[36]

常見的存活探測如下：根據命令、根據HTTP返回碼、根據TCP是否連接成功。可用於判定命令是否執行成功，當失敗且返回值為非0時，容器將會被重啟；對於HTTP服務，可通過發送HTTP請求，並根據是否 400>返回码>=200，判斷是否存活；對於TCP連接，則在指定的時間內觀察容器是否能連接成功，如果不能則重啟容器。[36]

就緒探測

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就緒探測（Readiness Probe）：當符合條件時，容器將被視為已就緒。就緒探測的一個用途：當一個Pod的所有容器就緒後，將會告訴 服務 該Pod可被使用。[36]

通過TCP進行就緒探測，那麼會循環進行TCP連接，直到連接成功，容器將會被視為就緒。通過命令行方式進行就緒探測，當返回值為0時，容器將會被視為就緒。[36]

啟動探測

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啟動探測（Startup Probe）：當符合條件時，容器被視為已啟動。當應用需要長時間進行啟動時，啟動探測 會在一定時間內不斷地探測應用是否啟動成功，當應用啟動成功後，存活探測或就緒探測 可被啟動；超過探測時間的話，容器將會被殺死，並且根據 restartPolicy 來做出相應操作。[36] [37]

日誌架構

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容器化應用寫入 stdout 和 stderr 的任何數據，都會被容器引擎捕獲並被重定向到某個位置。[38] 如：Docker容器 的日誌，可以在節點上查找得到。



常見問題

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連接應用

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Dashboard

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Dashboard 是關於Kubernetes用戶接口相關操作的網頁。通過Dashboard，用戶可以對容器化應用進行部署、查看的概覽信息、故障排除，以及管理集群資源。

直接連接

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通常想要在Pod里運行命令，會通過使用 kubectl exec [Pod名字] [命令] 命令，這與Docker一樣。[39] 如果想要通過HTTP協議連接Pod（REST API），則可運行代理模式的 kubectl ，[40] 也可以編程的方式去訪問 REST API。[41]



控制平面

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控制平面（Control Plane）管理着集群中的 工作節 和 Pod。在生產環境裡，控制平面 經常會 連接（runs across）若干個計算機。[42]

容器編排層暴露出來的

The container orchestration layer that exposes the API and interfaces to define, deploy, and manage the lifecycle of containers.

Control Plane [43]。

控制平面組件 用於對集群進行全局決策（如：調度），並檢測和響應集群事件（例如，當不滿足部署的 replicas 字段時，啟動新的 pod）。雖然 控制平面組件 可在集群中的任何節點上運行，但通常會安裝在同一機器上。[42][44]


kube-scheduler

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kube-controller-manager

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etcd

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集群中的工作節點，將會運行着兩個進程：[2]

  • kubelet，用於與 master節點 進行通信。
  • kube-proxy，一種網絡代理，將 Kubernetes 的網絡服務代理到每個節點上。


其他

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代理服務器

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通過 kubectl proxy 該命令將會運行一個反向代理，通過該代理，我們能直接訪問 REST API （通過CURL或瀏覽器訪問的方式）。[45] 再通過 http://代理地址/api/v1/namespaces/default/pods/应用地址/proxy 的方式方問

如若想訪問應用的其他端口，則應使用 kubectl port-forward ，建立端口轉發，如：調試數據庫。




設計

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Kubernetes在設計結構上定義了一系列的構建模塊，其目的是為了提供一個可以共同提供部署、維護和擴展應用程序的機制。組成Kubernetes的組件設計概念為鬆耦合和可擴展的，這樣可以使之滿足多種不同的工作負載。可擴展性在很大程度上由Kubernetes API提供，此API主要被作為擴展的內部組件以及Kubernetes上運行的容器來使用。[46]

對象

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Pod

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Kubernetes的基本調度單元稱為「pod」。通過該種抽象類別可以把更高級別的抽象內容增加到容器化組件。一個pod一般包含一個或多個容器，這樣可以保證它們一直位於主機上，並且可以共享資源。[46]Kubernetes中的每個pod都被分配一個唯一的（在集群內的）IP地址就可以允許應用程序使用同一端口，而避免了發生衝突的問題。[47] Pod可以定義一個卷，例如本地磁盤目錄或網絡磁盤，並將其暴露在pod中的一個容器之中。[48]。pod可以通過Kubernetes API手動管理，也可以委託給控制器來實現自動管理。[46]

標籤和選擇器

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Kubernetes使客戶端（用戶或內部組件）將稱為「標籤」的鍵值對附加到系統中的任何API對象，如pod和節點。相應地，「標籤選擇器」是針對匹配對象的標籤的查詢方法。[46]

標籤和選擇器是Kubernetes中的主要分組機制，用於確定操作適用的組件。[49]

例如，如果應用程序的Pods具有系統的標籤 tier (比如"front-end"、"back-end") 和一個 release_track (比如"canary"、"production")，那麼對所有"back-end" 和 "canary" 節點的操作可以使用如下所示的標籤選擇器：[50]

tier=back-end AND release_track=canary

控制器

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控制器是通過管理一組pod來實現來將實際集群狀態轉移到所需集群狀態的對帳循環機制[51]。一種控制器指的是一組具有相同特徵的「複製控制器」，控制器通過在集群中運行指定數量的pod副本來處理複製和縮放。在基礎節點出現故障的情況下，它還可以用於處理創建替換pod。[51]其它控制器也是核心Kubernetes系統的一部分，包括「DaemonSet控制器」為每台機器（或機器的一些子集）上運行的單個pod，和用於運行pod的「作業控制器」。[52] 控制器管理的pod組由作為控制器定義的部分的標籤選擇器來確定。[50]

服務

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Kubernetes服務本質是一組協同工作的pod，類同多層架構應用中的一層。構成服務的pod組通過標籤選擇器來定義。[46]Kubernetes通過給服務分配靜態IP地址和域名來提供服務發現機制，並且以輪循調度（英語：Round-robin DNS）的方式將流量負載均衡到能與選擇器匹配的pod的IP地址的網絡連接上（即使是故障導致pod從一台機器移動到另一台機器）。[47] 默認情況下，服務任務會暴露在集群中（例如，多個後端pod可能被分組成一個服務，前端pod的請求在它們之間負載平衡）；除此以外，服務任務也可以暴露在集群外部（例如，從客戶端訪問前端pod）。[53]

參考文獻

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