什么是Kubernetes?

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什么是Kubernetes?

Kubernetes是Google开源的一款容器编排工具,它是诞生在Google内部运行N多年的博格系统之上的产物,因此其成熟度从其诞生初期就广泛受到业界的关注,并且迅速成为编排工具市场的主流,其社区活跃度非常高,版本迭代速度也很惊人,它的主要作用是对Docker容器做编排工作,当然,Docker只是容器工具的一种引擎,K8s可支持多种容器引擎,但从目前来说Docker容器引擎是具有绝对优势的,容器需要编排,也很容易理解,因为我们最核心要跑到业务通常都是LNMT/P的不同形式的扩展,但NMT/P他们的运行是有先后顺序的,也就是说MySQL要先启动,然后是Tomcat或PHP,最后是Nginx,而控制这种顺序就需要有容器编排工具来帮我们实现,另外,我们的业务希望7x24小时在线,如何保障?靠人是很难做到实时的,但编排工具可以,K8s帮我们实现了很多控制器,这控制器可以帮我们监控容器运行的状态,并自动帮我们重建(在容器时代重启就是重建)容器,并且还可以在容器处理能力不足时,自动根据我们定义的扩展规则,自动创建新Pod(k8s中最小单元,每个Pod中可有一个或多个容器),并且在压力下去后,自动删除Pod等等功能。

Kubernetes(k8s)是自动化容器操作的开源平台,这些操作包括部署,调度和节点集群间扩展。如果你曾经用过Docker容器技术部署容器,那么可以将Docker看成Kubernetes内部使用的低级别组件。Kubernetes不仅仅支持Docker,还支持Rocket,这是另一种容器技术。

使用Kubernetes可以:

  • 自动化容器的部署和复制
  • 随时扩展或收缩容器规模
  • 将容器组织成组,并且提供容器间的负载均衡
  • 很容易地升级应用程序容器的新版本
  • 提供容器弹性,如果容器失效就替换它,等等...

实际上,使用Kubernetes只需一个部署文件,使用一条命令就可以部署多层容器(前端,后台等)的完整集群:

$ kubectl create -f single-config-file.yaml

 

下面我们来讲一讲Kubernetes的一些基本概念,方便辅助理解Kubernetes。

Kubernetes集群

通俗讲:集群就是一组节点,这些节点可以是物理服务器或者虚拟机,之上安装了Kubernetes平台。下图展示这样的集群。注意该图为了强调核心概念有所简化:

什么是Kubernetes?

上图可以看到如下组件,使用特别的图标表示Service和Label:

  • Pod
  • Container(容器)
  • Labels(标签)
  • Replication Controller(复制控制器)
  • Service(服务)
  • Node(节点)
  • Kubernetes Master(Kubernetes主节点)

 

Pod

Pod(上图绿色方框)安排在节点上,包含一组容器和卷。同一个Pod里的容器共享同一个网络命名空间,可以使用localhost互相通信。Pod是短暂的,不是持续性实体。你可能会有这些问题:

  • 如果Pod是短暂的,那么我怎么才能持久化容器数据使其能够跨重启而存在呢? 是的,Kubernetes支持的概念,因此可以使用持久化的卷类型。
  • 是否手动创建Pod,如果想要创建同一个容器的多份拷贝,需要一个个分别创建出来么?可以手动创建单个Pod,但是也可以使用Replication Controller使用Pod模板创建出多份拷贝,下文会详细介绍。
  • 如果Pod是短暂的,那么重启时IP地址可能会改变,那么怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢?这时可以使用Service,下文会详细介绍。

什么是Kubernetes?

在Kubernetes中,所有对象都使用manifest(yaml或json)来定义,比如一个简单的nginx服务可以定义为nginx.yaml,它包含一个镜像为nginx的容器:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata: 
name: nginx 
labels: 
app: nginx
     spec: 
          containers: 
          - name: nginx 
            image: nginx 
            ports: 
          - containerPort: 80

Label

正如图所示,一些Pod有Label。一个Label是attach到Pod的一对键/值对,用来传递用户定义的属性。比如,你可能创建了一个"tier"和“app”标签,通过Label(tier=frontend, app=myapp)来标记前端Pod容器,使用Label(tier=backend, app=myapp)标记后台Pod。然后可以使用Selectors选择带有特定Label的Pod,并且将Service或者Replication Controller应用到上面。

Label不提供唯一性,并且实际上经常是很多对象(如Pods)都使用相同的label来标志具体的应用。 Label定义好后其他对象可以使用Label Selector来选择一组相同label的对象(比如Service用label来选择一组Pod)。Label Selector支持以下几种方式:

  • 等式,如app=nginx和env!=production
  • 集合,如env in (production, qa)
  • 多个label(它们之间是AND关系),如app=nginx,env=test

 

Deployment

是否手动创建Pod,如果想要创建同一个容器的多份拷贝,需要一个个分别创建出来么,能否将Pods划到逻辑组里?

Deployment 可以确保任意时间都有指定数量的Pod“副本”在运行。如果为某个Pod创建了Deployment 并且指定3个副本,它会创建3个Pod,并且持续监控它们。如果某个Pod不响应,那么Deployment 会替换它,并保持总数为3。如下面的动画所示:

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如果之前不响应的Pod恢复了,现在就有4个Pod了,那么Replication Controller会将其中一个终止保持总数为3。如果在运行中将副本总数改为5,Replication Controller会立刻启动2个新Pod,保证总数为5。还可以按照这样的方式缩小Pod,这个特性在执行滚动升级时很有用。

当创建Replication Controller时,需要指定两个东西:

  • Pod模板:用来创建Pod副本的模板
  • Label:Replication Controller需要监控的Pod的标签。

现在已经创建了Pod的一些副本,那么在这些副本上如何均衡负载呢?我们需要的是Service。

注:有一些文档里面会把Replication Controller和DeployMent 混为一谈、其实两者最大的区别是:DeployMent是通过Replication Controller来部署pod的。

 

NameSpace

Namespace是对一组资源和对象的抽象集合,比如可以用来将系统内部的对象划分为不同的项目组或用户组。常见的pods, services,和deployments等都是属于某一个namespace的(默认是default),而 Node, PersistentVolumes等则不属于任何NameSpace。通俗讲:我们可以通过NameSpace来区分出测试环境、开发环境、生产环境;亮点在于各NameSpace之间互不影响、这就是NameSpace的好处。

 

Service

 

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如果Pods是短暂的,那么重启时IP地址可能会改变,怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢?

Service是定义一系列Pod以及访问这些Pod的策略的一层抽象。Service通过Label找到Pod组。因为Service是抽象的,所以在图表里通常看不到它们的存在,这也就让这一概念更难以理解。

现在,假定有2个后台Pod,并且定义后台Service的名称为‘backend-service’,lable选择器为(tier=backend, app=myapp)。backend-service 的Service会完成如下两件重要的事情:

  • 会为Service创建一个本地集群的DNS入口,因此前端Pod只需要DNS查找主机名为 ‘backend-service’,就能够解析出前端应用程序可用的IP地址。
  • 现在前端已经得到了后台服务的IP地址,但是它应该访问2个后台Pod的哪一个呢?Service在这2个后台Pod之间提供透明的负载均衡,会将请求分发给其中的任意一个(如下面的动画所示)。通过每个Node上运行的代理(kube-proxy)完成。

下述动画展示了Service的功能。注意该图作了很多简化。如果不进入网络配置,那么达到透明的负载均衡目标所涉及的底层网络和路由相对先进。

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Kubernetes Master

集群拥有一个Kubernetes Master(紫色方框)。Kubernetes Master提供集群的独特视角,并且拥有一系列组件,比如Kubernetes API Server。API Server提供可以用来和集群交互的REST端点。master节点包括用来创建和复制Pod的Replication Controller。

Master 负责管理集群。 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。节点是 Kubernetes 集群中的工作机器,可以是物理机或虚拟机。 每个工作节点都有一个 kubelet,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 Dockerrkt。一个 Kubernetes 工作集群至少有三个节点。

Master 管理集群,而 节点 用于托管正在运行的应用程序。

当您在 Kubernetes 上部署应用程序时,您可以告诉 master 启动应用程序容器。Master 调度容器在集群的节点上运行。 节点使用 Master 公开的 Kubernetes API 与 Master 通信。用户也可以直接使用 Kubernetes 的 API 与集群交互。

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