通過實例快速掌握k8s（Kubernetes）核心概念

2019 年 10 月 5 日
筆記

容器技術是微服務技術的核心技術之一，並隨着微服務的流行而迅速成為主流。Docker是容器技術的先驅和奠基者，它出現之後迅速佔領市場，幾乎成了容器的代名詞。但它在開始的時候並沒有很好地解決容器的集群問題。Kubernetes抓住了這個機遇，以容器編排者（Container Orchestration）的身份出現，對容器集群進行管理和調度，現在已經打敗了Docker成為了容器技術事實上的標準。當然K8s內部還是需要Docker的，但它的功能範圍被大大壓縮了，只是負責底層的容器引擎和鏡像（Docker Image）管理，成為了容器體系中不可缺少, 但沒有存在感的一部分。而絕大部分的對外接口都是由k8s來負責。

K8s核心對象：

相對於簡單易學的Docker來說，k8s系統龐雜而且概念眾多，同一個功能有很多不同方法來完成，讓你無所適從，學習起來要困難的多。對於普通碼農來講不需要建立完整的生產環境，只需要搭建一個本地開發環境，這時你只需要了解k8s的核心概念就夠了，這樣可以大大縮短學習時間。k8s的一切都是對象（Object），它的核心概念一共只有4個，Pod，部署（Deployment），服務（Service）和節點（Node）。另外再加上一個容器鏡像（Docker Image），這個是Docker引擎的核心。掌握了這五個核心概念，就對容器技術有了基本了解，打下了紮實的基礎。

Windows安裝環境：

Windows10的Windows 10企業版, 專業版, 和教育版是可以支持直接安裝K8s的，但電腦是要支持Hyper-V的, 詳見這裡。由於我的Windows是家庭版，只能先安裝虛擬機（VirtualBox），再在虛擬機上安裝k8s。我用的k8s是Minikube，是k8s的簡化版。另外還安裝了Vagrant（它是管理虛擬機的一個軟件）作為界面來管理VirtualBox。

容器鏡像（Docker Image）:

任何程序都在容器中運行，k8s支持多種容器，其中Docker是最流行的。容器鏡像（Docker Image）是一個以文件形式存在的運行環境，它的裏面是分層的，每一層都在上一層的基礎上不斷疊加新的功能。容器鏡像是由Dockerfile創建的。Dockerfile是一個文件，裏面包含一組已經定義好的Docker命令（與Linux命令比較相似）。當運行Dockerfile時，裏面的命令被依次執行，最後生成需要的容器鏡像。你再調用Docker命令（Docker run）運行容器鏡像來生成Docker容器，完成之後，應用程序就已經在容器里部署好了。這種方式能夠保證每次得到的環境都是一樣的。容器比虛擬機強的地方在於，它佔用系統資源更少，生成時間更短。創建一個容器的耗時一般是秒級的，而虛擬機是分鐘級的。容器鏡像的創建效率取決於它的大小，一般來講容器鏡像越小，它的生成時間越短。
下面就是一個「nginx」的Dockerfile示例。

FROM alpine:3.2  EXPOSE 80 443  RUN apk add --update nginx &&   rm -rf /var/cache/apk/* &&   mkdir -p /tmp/nginx/client-body  COPY ./nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf  VOLUME ["/etc/nginx/sites-enabled", "/etc/nginx/certs", "/etc/nginx/conf.d"]  CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

任何Dockerfile的第一句總是「FROM 。。。」，就是要創建一個Linux的運行環境。一般有以下幾種：

FROM ubuntu:18.04：按照Linux的具體版本來創建鏡像，這樣的Linux運行環境是比較完整的，鏡像的大小是百兆級別的。
FROM alpine:latest : alpine是一個精簡了的Linux運行環境，它的大小是十兆級別的。
FROM scratch : scratch是最小Linux運行環境，創建非常快，但它的問題是你不能通過shell登錄到容器內部，因此我一般不用它。

當用Vagrant管理虛擬機時，可以先用Vagrant命令啟動虛擬機，然後敲入vagrant ssh，進入虛擬機，系統顯示：

PS E:app2kub> vagrant ssh  Last login: Sat Sep 28 06:56:11 2019 from 10.0.2.2

然後鍵入「docker run –name docker-nginx -p 8001:80 nginx」運行Nginx鏡像。"docker-nginx"是容器的名字，「–name」是名字的參數選項。「-p」表示端口映射，把虛擬機的「8001」端口映射到容器的「80」端口（Nginx的缺省端口）。「nginx」是鏡像的名字，如果本地沒有找到「Nginx」鏡像，系統會自動從Docker鏡像庫里下載Nginx鏡像到本地，然後再運行，這個鏡像有比較完整的Linux系統，因此文件比較大（100M），但也可以湊活着用。命令運行之後，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:~$ docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx

這時Nginx已經運行，但還沒有任何請求，控制台沒有輸出。如果名字為「docker-nginx」的容器以前已經被運行，那麼你需要刪除原來的，再運行上面命令。可以先敲入「docker ps -a」找到所有運行過的容器，再敲入「docker rm 1ec2e3d63537」進行刪除，其中「 1ec2e3d63537」是容器ID.

切換到另一個虛擬機窗口，敲入curl localhost:8001，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:/usr/bin$ curl localhost:8001  ...  <h1>Welcome to nginx!</h1>  ...

這時就出現了Nginx的首頁，表示Docker容器中的Nginx已經正常運行。

換回原容器顯示窗口，這時有了請求，控制台輸出Nginx日誌。

vagrant@ubuntu-xenial:~$ docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx  172.17.0.1 - - [28/Sep/2019:07:02:25 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 612 "-" "curl/7.47.0" "-"

這時已驗證Docker鏡像是好的，敲入「CTRL-C」退出。

Pod:

Pod是k8是的最基本概念，你可以把它看成是對容器（container）的一個封裝，用來管理容器。一個Pod里可以管理有一個或多個容器，但一般是一個。Pod里的所有容器都共享Pod的資源和網絡。當一個Pod不能滿足用戶需求時，你可以把Pod作為複製的最小單元來複制出一個同樣的Pod來處理用戶請求。Pod支持多種容器，不過一般是用Docker。你可以用單獨的Pod配置文件創建Pod, 也可以把Pod的配置信息放在其他的對象（例如Deployment）的配置文件裏面，並與其他對象一起創建，後者更為常見。每一個Pod都有一個唯一的IP地址，Pod一旦生成就可以通過IP地址進行訪問。但一般不這麼做，而是通過服務（Service）去間接地去訪問。下面就是Pod的配置文件。它的解釋放在後面的Deployment裏面。

kind: Pod  apiVersion: v1  metadata:    labels:          app: nginx-app  spec:    containers:      - name: nginx-container        image: nginx:latest    restartPolicy: Never

Pod模板（Pod Templates）

Pod模板是嵌入在其他K8s對象（Object）中的Pod的配置說明，例如Replication Controllers, Jobs, 和DaemonSets. 這時，Pod不是單獨創建的，而是由其它對象來創建，其中最常用的是Deployment。

部署（Deployment）:

Deployment是比Pod更高一層的對象，它的主要作用是管理Pod集群，它裏面可以有一個或多個Pod, 每一個Pod在功能上都是等同的。一般在Deployment里配置多個Pod以實現負載均衡和容錯。在配置Deployment時，你需要指定Pod拷貝的個數，Deployment會自動管理它裏面的Pod。當某個Pod宕機時，Deployment能自動複製一個新的Pod並替換宕機的Pod，

下面就是Deployment的配置文件（nginx-deployment.yaml）。在正方形灰框內（從template開始）的是嵌入在Deployment里的Pod的設置，灰框上面的是部署（Deployment）的設置。當你運行這個配置文件時，它會創建一個Deployment，同時也會創建嵌入在裏面的Pod。這就是為什麼我們一般不需要單獨的Pod的配置文件，因為已經把它嵌入在了Deployment里了。

file

鍵入「kubectl create -f nginx-deployment.yaml」來運行這個部署，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:~/dockerimages/kubernetes/nginx$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml  deployment.apps/nginx-deployment created

這時部署已經成功，現在就可以訪問它了。每個Pod都有自己的k8s集群內部IP地址，我們這時只能在K8s內部用IP地址進行訪問。鍵入下面命令查看Pod地址，裏面有兩個「Nginx」Pod，因為Deployment裏面是兩個Pod的集群。

vagrant@ubuntu-xenial:~/nginx$ kubectl get pods -o=custom-columns=NAME:.metadata.name,IP:.status.podIP  NAME                                IP  hello-minikube-856979d68c-74c65     172.17.0.3  nginx-deployment-77fff558d7-bhbbt   172.17.0.10  nginx-deployment-77fff558d7-v6zqw   172.17.0.9

打開另一個窗口，連入虛擬機，然後鍵入以下命令「kubectl exec -ti hello-minikube-856979d68c-74c65 — /bin/sh」登錄到k8s集群內部，就能訪問Nginx了。這裡「hello-minikube-856979d68c-74c65」是"Minikube"Pod的名字。「172.17.0.10」是其中一個Pod的內部IP地址。

vagrant@ubuntu-xenial:~$ kubectl exec -ti hello-minikube-856979d68c-74c65 -- /bin/sh  # curl 172.17.0.10

服務（Service）:

Service是最上層的k8s的對象，可以看成我們平常說的微服務。對服務來講最重要的就是服務註冊和發現。在k8s中，Service就是用來實現這個功能的。下面就是Service的配置文件（nginx-service.yaml）。一般來說調用服務需要知道三個東西，IP地址，協議和端口，例如"http://10.0.2.1:80". 但我們不想用IP，而是用名字來尋址，這就需要DNS。DNS在k8s集群內部實現了基於服務名的尋址。下面是Service的配置文件。Service通過「selector」來與Pod進行綁定，這裡它把請求轉發給標籤「app」是「nginx-app」的Pod。「nodePort」給服務創建了一個外部可以訪問的端口，這樣在虛擬機上就可以直接訪問服務，而不必登錄到k8s集群里。

file

運行以下命令「kubectl create -f nginx-service.yaml」創建服務。

vagrant@ubuntu-xenial:~/$ kubectl create -f nginx-service.yaml  service/nginx-service created

服務創建完成之後，調用以下命令顯示當前的所有服務，現在就有了「nginx-service」服務。「80」是服務的內部端口，「30163」是服務的外部端口。

vagrant@ubuntu-xenial:~/$ kubectl get services  NAME            TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE  kubernetes      ClusterIP   10.96.0.1      <none>        443/TCP        35d  nginx-service   NodePort    10.109.7.249   <none>        80:30163/TCP   18s

因為已經通過「NodePort」對外開放了端口，現在不必登錄到k8s內部，在虛擬機上就可以訪問服務了. 你可以鍵入「localhost」

curl localhost:30163

Service 和Deployment的區別：

Deployment是用來管理集群的，與Pod綁定，但你不能直接訪問Deployment。服務（Service）是為了方便用名字（而不是IP地址）訪問。但這也只是在集群內部。你可以登錄k8s集群內部，然後鍵入下面命令訪問服務，但在虛擬機上（k8s外面）就不行, 這時只能用IP地址。因為DNS只是在k8s內部才起作用。

# curl nginx-service

節點（Node）：

Node剛開始接觸時容易和Pod搞混，但它相當於虛擬機或物理機，而Pod相當於容器。所有的的Pod或容器都是部署在Node上面。Minikube只支持單Node，但你可以在它裏面部署多個Pod。下面是Node示意圖。

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圖片來源

k8s核心概念之間的關係：

對象間關係：

下面是k8s的一個簡單結構圖：

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圖片來源

圖中每個菱形是一個Node，中間的Node是Master Node，其餘三個是Worker Node。Master Node負責管理Worker Node。 Worker Node是真正幹活的Node。Master Node里有各種控制器，Deployment就是由控制器來管理的，它在中間的管理Node里，他裏面有兩個部署，A和B，分別對應服務A和服務B。「服務A」部署在最下面的Node里，它裏面只有一個Pod。「服務B」部署在上面的兩個Node里，左邊的Node只有一個Pod，右邊的Node有兩個Pod，這是一個有三個Pod的集群。當一個部署里有多個Pod時，一般是把它們部署在不同的Node上，這樣即使一個Node宕機，Deployment仍然可用。

對象綁定：

下圖是介紹對象之間如何綁定的關係圖。

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圖片來源

每個對象都有多個標籤（Label），「app」就是一個用來標識Pod對象的標籤。圖裡有兩個Pod，它們的「app」標籤的值分別為「A」和「B」，其中Pod 「B」是集群，而Pod 「A」不是。服務（Service）和部署（Deployment）都通過標籤選擇器（Label Selector）來綁定與之匹配的Pod。

附錄：

你最好是已經安裝了k8s和Docker環境，那就可以依次運行本文中的示例。如果你沒有環境，新建一個也不難。如果你不願意創建環境, k8s的官網有一個練習環境，可以直接用來運行命令，詳見這裡