Kubernetes入門——Kubernetes工作原理及使用

作者簡介:

星龍                                      

百度基礎架構部研發工程師

負責混部調度系統研發

 

本文基於百度雲原生團隊『雲原生基礎知識概述及實踐』系列視頻課程——『Kubernetes入門—Kubernetes工作原理』梳理。

視頻課程可點擊https://cloud.baidu.com/video-center/video.html?id=607進行學習。

導讀

在上一節課我們學習了Docker的相關基礎知識。(Kubernetes入門——深入淺出講Docker)Docker解決了應用之間的隔離問題,但是在架構上,Docker仍然是一個單機的引擎。在真實的生產環境,我們可能擁有着海量的機器。那麼如何管理、調度、編排這些分佈在不同機器上的容器,就成爲了新的問題。在這個時候,Kubernetes就應運而生了。

本節課將帶領大家初步探索容器領域的編排引擎:Kubernetes。

課程主要分爲以下三大部分:

第一部分:Kubernetes架構剖析

                  對Kubernetes核心組件分析。

第二部分:快速搭建Kubernetes集羣

                   使用Kubeadm搭建Kubernetes環境

第三部分:Demo

                  演示如何操作一個Pod

在單機上,我們通常會把某個應用程序打包並部署在Docker容器當中。但在真實的環境中,問題往往比這複雜很多。我們需要解決服務的高可用問題、服務之間的依賴問題。

所以說Kubernetes不僅考慮的是容器級別的部署和編排,更多面向的是更高層面(比如應用層)的編排和部署引擎。

Kubernetes的前身其實是Google的Ball, 在2013年開源之後,發展至今。目前已經爲開源事件部署引擎的事實標準了。

01  Kubernetes核心組件分析

核心概念Pod

  • Pod由一組容器組成,這些容器共享網絡,存儲以及相關的聲明。    

  • Pod是Kubernetes 中最小的可部署的計算單元

  • 這樣的一組容器被“打包”到一起組成了一個Pod 並接受Kubernetes 的調度,編排等控制邏輯。

爲了讓大家更好的理解“一組容器“的概念,接下來爲大家詳細剖析Pod的內部架構。

Pod的內部架構

圖示清晰的闡述了Pod 的內部是什麼樣子的。藍色部分代表的是整個Pod。其中右上角的net namespace 是Pod 級別的namespace,它代表了Pod中的所有容器。
圖中有4個Container(即:PauseContainer/Container A/Container B/Container C/),他們在創建的時候都被加入到了namespace 當中。

那麼,Pod級別的Container 是從哪裏來的呢?我們從圖中可以看到,真正工作的Container我們把它標註爲A,B,C。Pause Container 的作用相當於一個佔位符。當我們創建Pod的時候,會首先創建一個Pause Container。該容器創建出來的namespace,就相當於整個Pod的namespace。然後後面的容器再創建出來(比如說Container A/B/C)這些容器在創建出來的時候,就都會選擇加入到PauseContainer創建出來的net namespace當中。

當然,也不是所有的namespace都是不隔離的。Container左側是一個image,每一個container都有一個鏡像,每一個鏡像又相當於一個容器的Root ffs。既然每個容器的Root ffs是不相同的,那麼顯而易見,mnt namespace就是隔離的。

這樣我們就可以清楚的看到,什麼叫做有些namespce在Pod當中是互相隔離的,而有些是在Pod級別當中共享的。

Pod在Kubernetes中的展現形式

通常,我們習慣用Yaml來描述Kubernetes裏的資源。Yaml中的內容其實就是我們對資源參數的描述。

我們先看Pod在Yaml中的前四行。這四行是資源在Yaml中的通用字段。ApiVersion/kind用於表示Kubernetes的資源類型是什麼。通過metadata來聲明資源的源數據。Spec字段和資源類型是強相關的了。不同的資源會有不同的spec定義。那在Pod資源當中,最核心的是關於容器的定義了。

下面幾行,關於容器的定義,是一個數組類型的,這也符合我們對Pod的定義:即它是由一組容器形成的。這些字段包含:聲明容器鏡像,啓動容器的命令,容器鏡像的拉取方式,以及容器的名稱。

核心概念Kubelet

Kubelet 是Kubernetes 集羣的“節點代理”。也可以說是Kubernetes 部署在每個節點的agent。

Kubelet 啓動後會向Kubernetes 集羣註冊自己,並上報節點的相關信息。此時在Kubernetes 集羣中就增加了一臺新的可用的Node 節點(可能是一個物理機,也可能是一個虛擬機,甚至是一個容器)。

Kubelet 發現有屬於自己節點的Pod 符合創建條件後,會按照Pod聲明的配置去啓動容器。

Kubernetes控制面的相關組件

下面把這張圖分爲3個部分介紹。

1. 下半部分:也就是之前介紹過的Kubelet/Pod。

2. 左上角:Kubectl。也就是Kubernetes 的命令行工具。可以通過Kubectl來提交資源的Yaml 給Kubernetes 集羣。也可以進行一系列的運維操作。

3. 右面:Master 節點。也就是Kubernetes 控制面的相關組件了。其中,API Sever是Kubernetes 中所有源數據的集成入口。也是整個Kubernetes 集羣的中樞組件。其他組件(包括Controller, Scheduler等)在獲取數據都需要和API Sever 打交道。API Sever 也會接受這些組件的協入請求,並最終將數據寫入ETCD 當中。同時,API Sever 也會緩存所有的源數據。當其他組件發起“讀”請求時,就會將數據直接從內存中發給對方。儘量避免ETCD 成爲系統的瓶頸。除了源數據存儲功能,API Server 還提供了一個Watch 機制。能夠主動推送某種資源的變化。而Scheduler會向API Sever 註冊並且監聽Pod 的資源變更事件。Scheduler 整體的調度邏輯可以簡化並概括爲兩個:過濾、打分。

每次對Pod進行調度的時候,首先將不符合條件的Node(如:機器上已經沒有資源了,不符合某些標籤,選擇器的要求等)過濾掉。過濾完成後我們得到一個符合要求的Node列表,Scheduler  會通過打分算法,來計算每一個Node 的分數。最終選擇一個得分最高的節點做爲Pod 需要綁定的節點。最終Scheduler 會將結果回寫到API Sever 當中。

編排組件:Controller。Controller 通過幾種固定的workload。通過控制器的方式,來完成運行時服務器的編排工作。

02  快速搭建Kubernetes集羣

搭建工具:Kubeadm簡介

Kubeadm 是Kubernetes 官方提供的用於快速安裝Kubernetes 集羣的工具。

下圖是Kubeadm 的配置文件

在配置文件當中,我們指定了dns的類型,ETCD存儲目錄以及要創建的Kubernetes的版本以及相關的參數。

搭建環境

初始Master節點

Kubeadm init—config kubeadm.conf

安裝flannel cni

https://raw.githusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

03  Demo  ——演示如何操作一個Pod

創建一個Namespace​​​​​​​

 

Kubectl create namespace demo

創建Pod

 

Kubectl apply –f pod.yaml

查看Pod 運行狀態

Kubectl describe pods demo-pod–n demo

 

查看Pod 輸出日誌  

Kubectl logs demo-pod –n demo

查看Pods 列表​​​​​​​

Kubectl get pods-n demo

 

刪除Pod​​​​​​​

Kubectl delete-f pod.yaml

 

(創建Deomo的詳細過程歡迎大家觀看課程的視頻回放。)

MoreCommand

Basic Commands: create,expose, run, setBasic Commands: explain, get,edit,deleteDeploy Commands: rollout,scale,autoscale

04  總結

本節課作爲K8s入門系列課程第二節。重點介紹了Kubernetes 出現的背景和作用、Kubernetes 的特點和核心架構、Kubernetes 每一個模塊承擔的作用以及實現的功能。並演示瞭如何搭建一個單節點的Kubernetes  環境以及如何使用來操作相關的資源。希望對大家有所幫助。

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