第一章 Kubernetes入门及实践
1.1 Kebernets介绍
Kubernetes(k8s)是Google2014年开源的容器集群管理系统（谷歌内部:Borg），它主要用于容器容器化应用程序的部署、扩展和管理。
k8s提供了容器编排、资源调度、弹性伸缩、部署管理、服务发现等一系列功能。
k8s的目标是让部署容器化的应用简单并且高效，k8s提供了应用部署、规划、更新、维护的一种机制！
1.2 Kubernetes主要功能
| 名词 | 解释 |
|---|---|
| 数据卷 | Pod容器之间共享数据,可以使用数据卷 |
| 应用程序健康检查 | 容器内服务可能进程堵塞无法处理请求,可以设置监控检查策略保证应用健壮性 |
| 复制应用程序实列 | 控制器维护着Pod副本数量,保证一个Pod或一组同类的Pod数量始终可用 |
| 弹性伸缩 | 根据设定的指标(CPU利用率)自动缩放Pod副本数 |
| 服务发现 | 使用环境变量或DNS服务插件保证容器中程序发现Pod入口访问地址 |
| 负载均衡 | 一组Pod副本分配一个私有的集群IP地址,负载均衡转发请求到后端容器.在集群内部 其他Pod可通过这个ClusterIP访问应用 |
| 滚动更新 | 更新服务不中断,一次更新一个Pod,而不是删除整个服务 |
| 服务编排 | 通过文件描述部署服务,使得应用程序部署变得高效 |
| 资源监控 | Node节点组件集成cAvisor资源收集工具,可通过Heapster汇总整个集群节点资源数据,然后存储到1nfluxDE时序数据库,再有Grafana展示 |
| 提供认证和授权 | 支持角色访问控制(RBAC)认证授权等策略 |
1.3 设计架构及核心组件
上图可以看到如下组件，使用特别的图标表示Service和Label：
| EN | CN |
|---|---|
| Pod | 根容器 |
| Container | 容器 |
| Label | 标签 |
| Replication Controller | 复制控制器 |
| Service | 服务 |
| Node | 节点 |
| Kubernets Master | Kubernetes主节点 |
1.3.1 Master 节点组件
master节点上主要运行四个组件：api-server、scheduler、controller-manager、etcd。
| 组件 | 作用 |
|---|---|
| api-server | 提供了资源操作的唯一入口,各组件协调者并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现机制 |
| scheduler | 负责资源的调度,按照预定的调度策略将Pod调度到相应的机器上,Kubernets目前提供了调度算法，但同时也保证了接口,用户可以根据自己的需求定义自己的调度算法 |
| controller-manager | 如果说APIServer做的是“前台”工作的话,那么controller manager就是负责“后台”的.每个资源一般都对一个控制器,而controller manager 就是负责管理这些控制器的。比如我们通过APIServer创建一个pod，当这个pod创建成功后,APIserver的任务就算是完成了.而后面保证Pod的状态和我们预期的一样的重任就由controller manager 去保证了. |
| etcd | etcd是一个高可用的键值存储系统,Kubernets使用它来存储各个资源的状态,从而实现Restful的API |
1.3.2 Node 节点组件
每个Node节点主要由三个模块组成：kubelet、kube-proxy、Container runtime。
| 组件 | 作用 |
|---|---|
| Container runtime | 负责镜像管理以及Pod和容器的真正运行（CRI）;指的是容器运行环境,目前Kubernets支持docker和rkt两种容器 |
| kube-proxy | 负责Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡;该模块实现了Kubernetesz中的服务发现和反向代理功能.反向代理方面:kube-proxy支持TCP和UDP链接转发,默认基于Round Robin算法将客户端流量转发到与service对应的一组后端pod。服务发现方面,kube-proxy使用etcd的watch机制,监控集群中service和endpoint对象数据的动态变化,并且维护一个service到endpoint的映射关系,从而保证了后端pod的IP变化不会对访问者造成影响.另外kube-proxy还支持session affinity |
| kubelet | 负责维护容器的生命周期,同时也负责Volume(CVI)和网络(CNI)的管理;是Master在每个Node节点上面的agent，是Node节点上面最重要的模块,它负责维护和管理该Node上面的所有容器但是如果所有容器不是通过Kubernetes创建,它并不会管理,本质上,它负责使Pod得运行状态与期望的状态一致 |
除了核心组件，还有一些推荐的Add-ons（插件）：
- kube-dns负责为整个集群提供DNS服务
- Ingress Controller为服务提供外网入口
- Heapster提供资源监控
- Dashboard提供GUI
- Federation提供跨可用区的集群
- Fluentd-elasticsearch提供集群日志采集、存储与查询
master与node关系：
![在这里插入图片描述]()
1.3.3 分层架构
Kubernetes设计理念和功能其实就是一个类似Linux的分层架构，如下图所示
- 核心层：Kubernetes最核心的功能，对外提供API构建高层的应用，对内提供插件式应用执行环境
- 应用层：部署（无状态应用、有状态应用、批处理任务、集群应用等）和路由（服务发现、DNS解析等）
- 管理层：系统度量（如基础设施、容器和网络的度量），自动化（如自动扩展、动态Provision等）以及策略管理（RBAC、Quota、PSP、NetworkPolicy等）
- 接口层：kubectl命令行工具、客户端SDK以及集群联邦
- 生态系统：在接口层之上的庞大容器集群管理调度的生态系统，可以划分为两个范畴
- Kubernetes外部：日志、监控、配置管理、CI、CD、Workflow、FaaS、OTS应用、ChatOps等
- Kubernetes内部：CRI、CNI、CVI、镜像仓库、Cloud Provider、集群自身的配置和管理等
1.4 基本对象概念
基本对象：
| 名称 | 概念 |
|---|---|
| pod | 容器Pod是最小的部署单元,一个Pod有一个或多个容器组成,Pod中容器共享存储和网络,在同一个Docker主机上运行 |
| Service | Service一个应用服务抽象，定义了Pod逻辑集合和访问这个Pod集合的策略。Service代理Pod集合对外表现是为一个访问入口，分配一个集群IP地址，来自这个IP的请求将负载均衡转发后端Pod中的容器。Service通过Lable Selector选择一组Pod提供服务。 |
| Volume | 数据卷，共享Pod中容器使用的数据。分为临时卷、本地卷和网络卷，临时卷和本地卷位于Node本地，常用于数据缓存 |
| Namespace | 命名空间将对象逻辑上分配到不同Namespace，可以是不同的项目、用户等区分管理，并设定控制策略，从而实现多租户。命名空间也称为虚拟集群。同一类型资源对象的Name必须唯一，逻辑分组，默认名称空间是default |
| Lable | 标签用于区分对象（比如Pod、 Service），是key/values数据；每个对象可以有多个标签，通过标签关联对象。标签可以在创建一个对象的时候直接给与，也可以在后期随时修改，每一个对象可以拥有多个标签，但是，key值必须是唯一的。 |
基于基本对象更高层次抽象：
| 名称 | 概念 |
|---|---|
| ReplicaSet | 下一代Replication Controller。确保任何给定时间指定的Pod副本数量，并提供声明式更新等功能。RC与RS唯一区别就是lable selector支持不同， RS支持新的基于集合的标签， RC仅支持基于等式的标签。 |
| Deployment | Deployment是一个更高层次的API对象，它管理ReplicaSets和Pod，并提供声明式更新等功能。官方建议使用Deployment管理ReplicaSets，而不是直接使用ReplicaSets，这就意味着可能永远不需要直接操作。 |
| StatefulSet | StatefulSet适合持久性的应用程序，有唯一的网络标识符（IP），持久存储，有序的部署、扩展、删除和滚动更新。 |
| DaemonSet | DaemonSet确保所有（或一些）节点运行同一个Pod。当节点加入Kubernetes集群中， Pod会被调度到该节点上运行，当节点从集群中。移除时， DaemonSet的Pod会被删除。删除DaemonSet会清理它所有创建的Pod。 |
| Job | 一次性任务，运行完成后Pod销毁，不再重新启动新容器。还可以任务定时运行。 |