k8s一 | 基本概念与组件原理

参考资料:从Docker到Kubernetes进阶-阳明

一. 什么是kubernetes?

kubernetes是一个可移植的,可扩展的开源平台,是Google开源的容器集群管理系统(谷歌内部:Borg),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。

二. 为什么使用kubernetes?

k8s在Docker技术的基础上,为容器化的应用提供部署运行、资源调度、服务发现和动态伸缩等一系列完整功能,提高了大规模容器集群管理的便捷性。同时Kubernetes是一个完备的分布式系统支撑平台,具有完备的集群管理能力,多扩多层次的安全防护和准入机制、多租户应用支撑能力、透明的服务注册和发现机制、內建智能负载均衡器、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提供完善的管理工具,涵盖了包括开发、部署测试、运维监控在内的各个环节。

三. 集群架构及组件

1. 集群架构

公众号: 前行技术圈

Master
负责管理集群,部署集群所需组件etcd,apiserver,controller manager,scheduler。master 协调集群中的所有活动,例如调度应用程序、维护应用程序的所需状态、扩展应用程序和滚动更新。

Node
节点是 Kubernetes 集群中的工作节点,用于托管正在运行的应用程序,可以是物理机或虚拟机。 每个工作节点都有一个 kubeletkube-proxy,它是管理节点并与 Kubernetes Master 节点进行通信的代理。节点上还应具有处理容器操作的容器运行时,例如 Docker 或 rkt。一个 Kubernetes 工作集群至少有三个节点。

2. 集群组件

  • etcd: 键值存储数据库,维护集群内各个节点状态的一致性,保存集群的状态及配置;
  • apiserver:处理资源操作的请求,并提供认证、授权、访问控制、API 注册和发现等机制;
  • controller manager: 控制器管理,负责维护集群的状态,如故障检测、自动扩展、滚动更新等;
  • scheduler:调度器,负责资源的调度,按照预定的调度策略将 Pod 调度到相应的节点;
  • kubelet:负责维护容器的生命周期, Pod 的创建、启动、监控、重启、销毁等工作,处理Master节点下发到本节点的任务;
  • Container runtime: 负责镜像管理以及 Pod 和容器的真正运行(CRI);
  • kube-proxy: 负责为 Service 提供 cluster 内部的服务发现和负载均衡;
  • Flannel/calico:网络插件, 负责为整个集群提供 IP 服务;
  • kube-dns/coredns: 负责为整个集群提供 DNS 服务;
  • Ingress Controller: 为服务提供外网入口;

四. 集群工作流程

集群各组件的通信原理,以创建Pod为例:


公众号:前行技术圈
  1. 使用REST API 创建Pod,即(kubectl create pod)请求apiserver。
  2. apiserver接收到pod创建请求后,写入到Etcd,会存在记录但不会创建。
  3. scheduluer 检测到有未绑定 Node 的 Pod,查找集群中资源充足的Node绑定,并将调度信息写入到Etcd。
  4. kubelet 通过监测etcd数据库,检测到有绑定该节点的Pod调度过来需要创建,调用container runtime 运行该 Pod。
  5. kubelet 通过 container runtime 取到 Pod 状态,并更新到 apiserver 中。

五. 基本概念

Kubernetes中的绝大部分概念都会被抽象成Kubernetes管理的一种资源对象,下图为k8s资源对象全景图

公众号:前行技术圈

1. 相关名词

NameSpace

Namespace 命名空间是对一组资源和对象的抽象集合, 是 Linux 内核用来隔离内核资源的方式。NameSpace做隔离,Cgroups 做限制,rootfs 做文件系统。

Label

Label 标签以 key/value 的方式附加到资源对象上如Pod, 其他对象可以使用 Label Selector 来选择一组相同 label 的对象。

2.编排对象

Pod

Pod是 Kubernetes 项目中最小的 API 资源对象,Pod可以由一个或多个业务容器和一个根容器(Pause容器)组成。一个Pod表示某个应用的一个实例。Kubernetes 项目的调度器,是统一按照 Pod 而非容器的资源需求进行计算的,凡是调度、网络、存储,以及安全相关的属性,基本上是 Pod 级别的。

可以这样理解,云计算系统的操作系统是 k8s ,容器就相当于是其进程,而 Pod 则是进程组,容器镜像就是这个系统里的“.exe”安装包。Pod 里的所有容器,它们共享PID、IPC、Network和UTS namespace,可以声明共享同一个 Volume。

ReplicaSet

ReplicaSet是Pod副本的抽象,用于解决Pod的扩容和伸缩。

Deployment

Deployment通常用来部署无状态应用,如Web服务, 该服务运行的实例不会在本地存储需要持久化的数据,并且多个实例对于同一个请求响应的结果是完全一致的。在内部使用ReplicaSet来实现Pod副本的创建。Deployment确保指定数量的Pod“副本”在运行,并且支持回滚和滚动升级。
创建Deployment时,需要指定 Pod模板和Label标签。

StatefulSet

StatefulSet通常用来部署有状态应用,如Mysql服务,服务运行的实例需要在本地存储持久化数据,多个实例之间有依赖拓扑关系,比如:主从关系、主备关系。如果停止掉依赖中的一个Pod,就会导致数据丢失或者集群崩溃。他的核心功能就是通过某种方式记录这些状态,然后在 Pod 被重新创建时,能够为新 Pod 恢复这些状态。它包含Deployment控制器ReplicaSet的所有功能,增加可以处理Pod的启动顺序,为保留每个Pod的状态设置唯一标识,同时具有以下功能:

  • 稳定的、唯一的网络标识符
  • 稳定的、持久化的存储
  • 有序的、优雅的部署和缩放

DaemonSet

DaemonSet:服务守护进程,它的主要作用是在Kubernetes集群的所有节点中运行我们部署的守护进程,相当于在集群节点上分别部署Pod副本,如果有新节点加入集群,Daemonset会自动的在该节点上运行我们需要部署的Pod副本,相反如果有节点退出集群,Daemonset也会移除掉部署在旧节点的Pod副本。

DaemonSet的主要特征:

  • 这个 Pod 运行在 Kubernetes 集群里的每一个节点(Node)上;
  • 每个节点上只会运行一个这样的 Pod 实例;
  • 如果新的节点加入 Kubernetes 集群后,该 Pod 会自动地在新节点上被创建出来;
  • 而当旧节点被删除后,它上面的 Pod 也相应地会被回收掉。

DaemonSet常用场景:

  • 网络插件的 Agent 组件,如(Flannel,Calico)需要运行在每一个节点上,用来处理这个节点上的容器网络;
  • 存储插件的 Agent 组件,如(Ceph,Glusterfs)需要运行在每一个节点上,用来在这个节点上挂载F远程存储目录;
  • 监控系统的数据收集组件,如(Prometheus Node Exporter,Cadvisor)需要运行在每一个节点上,负责这个节点上的监控信息搜集。
  • 日志系统的数据收集组件,如(Fluent,Logstash)需要运行在每一个节点上,负责这个节点上的日志信息搜集。

Job/CronJob

  • Job负责处理任务,即仅执行一次的任务,它保证批处理任务的一个或多个Pod成功结束,解决一些需要进行批量数据处理和分析的需求,,比如Jenkins Slave,发布完代码后任务结束,Pod自动销毁;
  • CronJob则就是在Job上加上了时间调度,用来执行一些周期性的任务。

HPA

Horizontal Pod Autoscaling(Pod水平自动伸缩),简称HPA。通过监控分析RC或者Deployment控制的所有Pod的负载变化情况来确定是否需要调整Pod的副本数量,这是HPA最基本的原理。

3. 其他对象

ConfigMap

ConfigMap:就是为了让镜像和配置文件解耦,以便实现镜像的可移植性和可复用性,因为一个configMap其实就是一系列配置信息的集合,将来可直接注入到Pod中的容器使用,而注入方式有两种,一种将configMap做为存储卷,一种是将configMap通过env中configMapKeyRef注入到容器中;

RBAC

RBAC:基于角色的访问控制,可以用来给用户授予对集群操作不同的权限。

Secret

Secret:用来保存敏感信息,例如密码、OAuth 令牌和 ssh key等等,将这些信息放在Secret中比放在Pod的定义中或者docker镜像中来说更加安全和灵活。

4. 服务发现

Service

Service:是一种抽象的对象,它定义了一组Pod的逻辑集合和一个用于访问它们的策略,我们可以通过访问Service来访问到后端的Pod服务,其实这个概念和微服务非常类似。一个Serivce下面包含的Pod集合一般是由Label Selector来决定的。

Ingress

Ingress:就是从 kuberenets 集群外部访问集群的一个入口,将外部的请求转发到集群内不同的 Service 上,其实就相当于 nginx、haproxy 等负载均衡代理服务器,目前选择有很多: traefik、nginx-controller、Kubernetes Ingress Controller for Kong、HAProxy Ingress controller。

5. 存储对象

PV/PVC

  • PV 的全称是:PersistentVolume(持久化卷),是对底层的共享存储的一种抽象,PV 由管理员进行创建和配置,它和具体的底层的共享存储技术的实现方式有关,比如 Ceph、GlusterFS、NFS 等,都是通过插件机制完成与共享存储的对接。
  • PVC 的全称是:PersistentVolumeClaim(持久化卷声明),PVC 是用户存储的一种声明,PVC 和 Pod 比较类似,Pod 消耗的是节点,PVC 消耗的是 PV 资源,Pod 可以请求 CPU 和内存,而 PVC 可以请求特定的存储空间和访问模式。对于真正使用存储的用户不需要关心底层的存储实现细节,只需要直接使用 PVC 即可。

StorageClass

StorageClass:动态 PV,可以自动帮我们创建 PV,不再需要手动创建PV。

6. 其他概念

Helm

Helm:包管理工具,相当于kubernetes环境下的yum包管理工具。

CRD

CRD是对 Kubernetes API 的扩展,Kubernetes 中的每个资源都是一个 API 对象的集合,例如我们在YAML文件里定义的那些spec都是对 Kubernetes 中的资源对象的定义,所有的自定义资源可以跟 Kubernetes 中内建的资源一样使用 kubectl 操作。

Operator

Operator是由CoreOS公司开发的,用来扩展 Kubernetes API,特定的应用程序控制器,它用来创建、配置和管理复杂的有状态应用,如数据库、缓存和监控系统。Operator基于 Kubernetes 的资源和控制器概念之上构建,但同时又包含了应用程序特定的一些专业知识,比如创建一个数据库的Operator,则必须对创建的数据库的各种运维方式非常了解,创建Operator的关键是CRD(自定义资源)的设计。Operator是将运维人员对软件操作的知识给代码化,同时利用 Kubernetes 强大的抽象来管理大规模的软件应用。


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