Kubernetes核心概念

• 2021 年 4 月 9 日
• 筆記
• Docker/K8S

現在主要負責的項目（容器雲）涉及到的概念和知識點，平時也有學習和記錄，但很碎片化，最近剛好有時間可以做一次系統的梳理。

一、Kubernetes是什麼及架構

1. k8s是什麼

先來一張Kubernetes官網的截圖，可以看到，官方對Kubernetes的定義：Kubernetes（k8s）是一個自動化部署、擴展和管理容器化應用程式的開源系統。

Kubernetes 這個單詞是希臘語，它的中文翻譯是「舵手」或者「飛行員」。在一些常見的資料中也會看到「ks」這個詞，也就是「k8s」，

它是通過將8個字母「ubernete 」替換為「8」而導致的一個縮寫。 Kubernetes 為什麼要用「舵手」來命名呢？

這是一艘載著一堆集裝箱的輪船，輪船在大海上運著集裝箱奔波，把集裝箱送到它們該去的地方。Container 這個英文單詞也有另外的一個意思就是「集裝箱」。

Kubernetes 也就借著這個寓意，希望成為運送集裝箱的一個輪船，來幫助我們管理這些集裝箱，也就是管理這些容器。

這個就是為什麼會選用 Kubernetes 這個詞來代表這個項目的原因。更具體一點地來說：Kubernetes 是一個自動化的容器編排平台，

它負責應用的部署、應用的彈性以及應用的管理。

2. k8s能做什麼

• 服務的發現與負載的均衡 
• 容器的自動裝箱，也會把它叫做 scheduling，就是「調度」，把一個容器放到一個集群的某一個機器上，Kubernetes會幫助我們去做存儲的編排，讓存儲的聲明周期與容器的生命周期建立連接
• 容器的自動化恢復。在一個集群中，經常會出現宿主機的問題，導致容器本身的不可用，Kubernetes會自動地對這些不可用的容器進行恢復
• 應用的自動發布與應用的回滾，以及與應用相關的配置密文的管理
• 對於 job 類型任務，Kubernetes可以去做批量的執行
• 為了讓這個集群、這個應用更富有彈性，Kubernetes支援容器的水平伸縮

2.1. 調度

Kubernetes 可以把用戶提交的容器放到 Kubernetes 管理的集群的某一台節點上去。Kubernetes 的調度器是執行這項能力的組件，

它會觀察正在被調度的這個容器的大小、規格。 

比如，容器所需要的CPU以及它所需要的記憶體，然後在集群中找一台相對比較空閑的機器來進行一次放置的操作。

2.2. 自動修復

Kubernetes 有節點健康檢查的功能，它會監測這個集群中所有的宿主機，當宿主機本身出現故障，或者軟體出現故障的時候，

這個節點健康檢查會自動對它進行發現。接下來Kubernetes 會把運行在這些失敗節點上的容器進行自動遷移，

遷移到一個正在健康運行的宿主機上，來完成集群內容器的自動恢復。

2.3 水平伸縮
Kubernetes有業務負載檢查的能力，它會監測業務上所承擔的負載，如果這個業務本身的CPU利用率或記憶體佔用過高，

或者響應時間過長，它可以對這個業務進行一次擴容。

比如，下面的例子中，黃顏色的過度忙碌，Kubernetes就可以把黃顏色負載從一份變為三份。接下來，

它就可以通過負載均衡把原來打到第一個黃顏色上的負載平均分到三個黃顏色的負載上去，以此來提高響應速度。

3. k8s的架構

Kubernetes 架構是一個比較典型的二層架構和server-client架構。Master作為中央管控節點，與Node建立連接。

所有 UI 的、clients、user側的組件，只會和Master進行連接，把希望的狀態或者想執行的命令下發給 Master，

Master會把這些命令或者狀態下發給相應的節點，進行最終的執行。

Master

Kubernetes 的Master包含四個主要的組件：API Server、Controller、Scheduler以及etcd。

• API Server：提供了資源操作的唯一入口，並提供認證、授權、訪問控制、API註冊和發現等機制。

　　　Kubernetes 中所有的組件都會和API Server進行連接，組件與組件之間一般不進行獨立的連接，都依賴於API Server進行消息的傳送；

• Controller：控制器，它負責維護集群的狀態，比如故障檢測、自動擴展、滾動更新等。上面的2個例子，第1個自動對容器進行修復、第2個自動水平擴張，都是由Controller 完成的；

• Scheduler：是調度器，負責資源的調度，按照預定的調度策略將Pod調度到相應的機器上。例如上面的例子，把用戶提交的pod，依據它對CPU、memory請求的大小，找一台合適的節點，進行放置；

• etcd：是一個分散式的存儲系統，保存了整個集群的狀態，比如Pod、Service等對象資訊。API Server 中所需要的原資訊都被放置在etcd中，etcd本身是一個高可用系統，通過etcd保證整個Kubernetes的Master組件的高可用性。

Node

Kubernetes 的 Node 是真正運行業務負載的，每個業務負載會以 Pod 的形式運行。一個 Pod 中運行的一個或者多個容器。

• kubelet：Master在Node節點上的Agent，是真正去運行 Pod 的組件，也是Node上最關鍵的組件，負責本Node節點上Pod的創建、修改、監控、刪除等生命周期管理，同時Kubelet定時「上報」本Node的狀態資訊到API Server。它通過 API Server 接收到所需要 Pod 運行的狀態。然後提交到 Container Runtime 組件中。

• Container Runtime：容器運行時。負責鏡像管理以及Pod和容器的真正運行（CRI），可以理解為類似JVM

• Storage Plugin 或者 Network Plugin：對存儲跟網路進行管理在 OS 上去創建容器所需要運行的環境，最終把容器或者 Pod 運行起來，也需要對存儲跟網路進行管理。Kubernetes 並不會直接進行網路存儲的操作，他們會靠 Storage Plugin 或者Network Plugin 來進行操作。用戶自己或者雲廠商都會去寫相應的 Storage Plugin 或者 Network Plugin，去完成存儲操作或網路操作。

• Kube-proxy：負責為Service提供cluster內部的服務發現和負載均衡，完成 service 組網在 Kubernetes 自己的環境中，也會有 Kubernetes 的 Network，它是為了提供 Service network 來進行搭網組網的。真正完成 service 組網的組件是 Kube-proxy，它是利用了 iptable 的能力來進行組建 Kubernetes 的 Network，就是 cluster network。

組件間的通訊

步驟說明：

1. 通過 UI 或者 CLI 提交1個 Pod 給 Kubernetes 進行部署，這個 Pod 請求首先會提交給API Server，下一步 API Server 會把這個資訊
　　寫入到存儲系統 etcd，之後 Scheduler 會通過 API Server 的 watch機製得到這個資訊：有1個Pod 需要被調度。

2. Scheduler會根據node集群的記憶體狀態進行1次調度決策，在完成這次調度之後，它會向 API Server 報告：「OK！這個 Pod 需要被調度到XX節點上。」
　　API Server 接收後，會把這次的操作結果再次寫到 etcd 中。

3. API Server 通知相應的節點進行這個Pod真正的執行啟動。相應節點的 kubelet 會得到通知，然後kubelet 會去調 Container runtime 來
　　真正去啟動配置這個容器和這個容器的運行環境，去調度 Storage Plugin 來去配置存儲，network Plugin 去配置網路。

二、Kubernetes核心概念

第一個概念：Pod

Pod 是 Kubernetes 的最小調度以及資源單元。可以通過 Kubernetes 的 Pod API 生產一個 Pod，讓 Kubernetes 對這個 Pod 進行調度，也就是把它放在某一個

Kubernetes 管理的節點上運行起來。一個 Pod 簡單來說是對一組容器的抽象，它裡面會包含一個或多個容器。

如下圖，它包含了兩個容器，每個容器可以指定它所需要資源大小，當然，在這個 Pod 中也可以包含一些其他所需要的資源：

比如說所看到的 Volume 卷這個存儲資源。

第二個概念：Volume

管理 Kubernetes 存儲，用來聲明在 Pod 中的容器可以訪問的文件目錄，一個卷可以被掛載在 Pod 中一個或者多個容器的指定路徑下面。

而 Volume 本身是一個抽象的概念，一個 Volume 可以去支援多種的後端的存儲。Kubernetes 的 Volume 支援很多存儲插件，

可以支援本地的存儲和分散式的存儲，比如像 ceph，GlusterFS；也可以支援雲存儲，比如阿里雲上的雲盤、AWS 上的雲盤、Google 上的雲盤等等。

第三個概念：Deployment 

Deployment 是在Pod上更為上層的一個抽象，它可以定義一組Pod 的副本數目、以及Pod的版本。一般用Deployment來做應用的真正的管理，

而Pod是組成Deployment最小的單元。

Kubernetes通過 Controller（控制器）維護Deployment中Pod 的數目，Controller也會去幫助Deployment自動恢復失敗的Pod。

比如，可以定義一個Deployment，這個Deployment裡面需要2個Pod，當1個Pod失敗的時候，控制器就會監測到，再去新生成1個Pod，

把Deployment中的Pod數目從1個恢復到2個。通過控制器，也可以完成發布策略，比如進行滾動升級、重新生成的升級或者進行版本回滾。

第四個概念：Service 

Service：提供1個或者多個 Pod 實例的穩定訪問地址

比如，一個 Deployment 可能有2個甚至更多個完全相同的 Pod。對於外部的用戶來講，訪問哪個 Pod 都是一樣的，所以希望做一次負載均衡，

在做負載均衡的同時，只需要訪問某一個固定的 VIP，也就是 Virtual IP 地址，而不需要得知每一個具體的 Pod 的 IP 地址。

如果1個 Pod 失敗了，可能會換成另外一個新的。提供了多個具體的 Pod 地址，對外部用戶來說，要不停地去更新 Pod 地址。

當這個 Pod 再失敗重啟之後，如果有一個抽象，把所有 Pod 的訪問能力抽象成1個第三方的 IP 地址，實現這個的 Kubernetes 的抽象就叫 Service。

實現 Service 有多種入口方式：

1、ClusterIP：Service 在集群內的唯一 ip 地址，我們可以通過這個 ip，均衡的訪問到後端的 Pod，而無須關心具體的 Pod。
2、NodePort：Service 會在集群的每個 Node 上都啟動一個埠，我們可以通過任意Node 的這個埠來訪問到 Pod。
3、LoadBalancer：在 NodePort 的基礎上，藉助公有雲環境創建一個外部的負載均衡器，並將請求轉發到 NodeIP:NodePort。
4、ExternalName：將服務通過 DNS CNAME 記錄方式轉發到指定的域名（通過 spec.externlName 設定）。

第五個概念：Namespace 

Namespace：用來做一個集群內部的邏輯隔離，包括鑒權、資源管理等。Kubernetes 的每個資源，比如Pod、Deployment、Service

都屬於一個 Namespace，同一個 Namespace 中的資源需要命名的唯一性，不同的 Namespace 中的資源可以重名。

K8S的API

Kubernetes API 是由 HTTP+JSON 組成的：用戶訪問的方式是HTTP，訪問API 中 content 的內容是JSON格式的。

用Kubectl 命令、Kubernetes UI或者Curl，直接與Kubernetes交互都是使用 HTTP + JSON 的形式。

如下圖，對於這個Pod類型的資源，它的HTTP訪問的路徑就是 API，apiVesion: V1, 之後是相應的Namespaces，

以及Pods資源，最終是 Podname，也就是Pod的名字。

當提交一個 Pod，或者 get 一個 Pod 的時候，它的 content 內容都是用JSON 或者是YAML表達的。上圖中YAML的例子，

在這個YAML文件中，對Pod資源的描述分為幾個部分。

第一個部分，一般是 API 的 version。比如在這個例子中是 V1，它也會描述我在操作哪個資源； kind 如果是 pod，在 Metadata 中，

就寫上這個 Pod 的名字；比如nginx。也會給pod打一些 label，在 Metadata 中，有時候也會去寫 annotation，也就是對資源的額外的一些用戶層次的描述。

比較重要的一個部分叫 Spec，Spec 也就是希望 Pod 達到的一個預期的狀態。比如pod內部需要有哪些 container 被運行；

這裡是一個name為nginx 的 container，它的 image 是什麼？它暴露的 port 是什麼？

當從 Kubernetes API 中去獲取這個資源的時候，一般在 Spec 下面會有一個status欄位 ，它表達了這個資源當前的狀態；

比如一個 Pod 的狀態可能是正在被調度、或者是已經 running、或者是已經被 terminates（被執行完畢）。

Label是一個比較有意思的 metadata，可以是一組KeyValue的集合。

如下圖，第一個 pod 中，label 就可能是一個 color 等於 red，即它的顏色是紅顏色。當然也可以加其他 label，

比如size: big 就是大小，定義為大的，它可以是一組label。

這些 label 是可以被 selector（選擇器）所查詢的。就好比sql 類型的 select 語句。

通過label，kubernetes 的API層就可以對這些資源進行篩選。

例如，Deployment可能代表一組Pod，是一組Pod 的抽象，一組Pod就是通過label selector來表達的。

當然Service對應的一組Pod來對它們進行統一的訪問，這個描述也是通過label selector來選取的一組Pod。

推薦

//kubernetes.io/docs/home/（Kubernetes官方文檔）

//docs.kubernetes.org.cn/（Kubernetes中文文檔）