Kubernetes入门学习(上)

文章目录

  • Kubernetes入门学习（上）
    • 介绍
    • 云原生
  • Kubernetes架构
    • 基础概念
    • Kubernetes架构
      • 控制平面组件
      • Node组件
    • 组件关系
  • 安装Kubernetes
  • 基本对象和操作
    • Pod（容器集）
    • Deployment(部署)与ReplicaSet(副本集)
    • Service（服务）
    • namespace（命名空间）
    • 声明式对象配置
    • 容器与镜像
    • 金丝雀发布

Kubernetes入门学习（上）

介绍

  1. 名称简介

    Kubernetes 是一个开源的容器编排引擎和容器集群管理工具，用来对容器化应用进行自动化部署、 扩缩和管理。

    Kubernetes 这个名字源于希腊语，意为“舵手”或“飞行员”。k8s 这个缩写是因为 k 和 s 之间有8个字符。 Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目。

  2. 优势
    Kubernetes 建立在 Google 大规模运行生产工作负载十几年经验的基础上， 结合了社区中最优秀的想法和实践。它之所以能够迅速流行起来，是因为它的许多功能高度契合互联网大厂的部署和运维需求。

  3. 功能

    • 服务发现和负载均衡
    • 存储编排
    • 自动部署和回滚
    • 自动完成装箱计算
    • 自我修复
    • 密钥与配置管理

云原生

  1. 定义
    • 通俗理解：原生应用是采用特定操作系统的语言针对该操作系统开发的应用，而在设计和开发应用时，让他们能够运行在云基础设施（比如Kubernetes）上，从而使应用具备可弹性扩展的能力，我们称之为云原生应用。简而言之：云原生就是以容器技术为载体、基于微服务架构思想的一套技术体系和方法论。
    • 官方定义：云原生技术有利于各组织在公有云、私有云和混合云等新型动态环境中，构建和运行可弹性扩展的应用。云原生的代表技术包括容器、服务网格、微服务、不可变基础设施和声明式API。

Kubernetes 是 CNCF 托管的第一个开源项目。因此现在提到云原生，往往我们都把它与kubernetes联系起来。

云原生计算基金会（CNCF）致力于培育和维护一个厂商中立的开源生态系统，来推广云原生技术。

Kubernetes架构

基础概念

  • 节点（Node）：Kubernetes中工作的机器叫做节点，会运行容器化应用程序,运行实际的应用和工作负载。
  • Pod：Pod 是可以在 Kubernetes 中创建和管理的、最小的可部署的计算单元。Pod表示你的集群上—组正在运行的容器。这些容器共享存储、网络、以及怎样运行这些容器的声明。
  • 集群：Kubernetes集群至少包含一个控制平面(control plane)，以及一个或多个工作节点(worker node)。
  • 控制平面**(Control Plane) 😗* 控制平面负责管理工作节点和维护集群状态。所有任务分配都来自于控制平面。

Kubernetes架构

一个Kubernetes集群至少包含一个控制平面组件(control plane)，以及一个或多个工作节点组件(worker node)。

控制平面组件

控制平面组件会为集群做出全局决策，比如资源的调度、检测和响应集群事件。

在这里插入图片描述

  1. kube-apiserver

    如果需要与Kubernetes 集群进行交互，就要通过 API。

    apiserver是 Kubernetes 控制平面的前端，用于处理内部和外部请求。

  2. kube-scheduler

    负责监视新创建的、未指定运行节点（node）的 Pods， 并选择节点来让 Pod 在上面运行。集群状况是否良好？如果需要创建新的容器，要将它们放在哪里？这些是调度程序需要关注的问题。scheduler调度程序会考虑容器集的资源需求（例如 CPU 或内存）以及集群的运行状况。随后，它会将容器集安排到适当的计算节点。

  3. etcd

    一致且高可用的键值存储，用于存储配置数据和集群状态信息, 用作 Kubernetes 所有集群数据的后台数据库。

  4. kube-controller-manager

    控制器负责实际运行集群，controller-manager控制器管理器则是将多个控制器功能合而为一，降低了程序的复杂性。

    controller-manager包含了这些控制器：

    • 节点控制器（Node Controller）：负责在节点出现故障时进行通知和响应
    • 任务控制器（Job Controller）：监测代表一次性任务的 Job 对象，然后创建 Pods 来运行这些任务直至完成
    • 端点控制器（Endpoints Controller）：填充端点（Endpoints）对象（即加入 Service 与 Pod）
    • 服务帐户和令牌控制器（Service Account & Token Controllers）：为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌

  5. cloud-controller-manager

    控制平面还包含一个可选组件cloud-controller-manager。

    云控制器管理器（Cloud Controller Manager）允许你将你的集群连接到云提供商的 API 之上， 并将与该云平台交互的组件同与你的集群交互的组件分离开来。

Node组件

节点组件会在每个节点上运行，负责维护运行的 Pod 并提供 Kubernetes 运行环境。

在这里插入图片描述

  1. kubelet

    kubelet 会在集群中每个节点（node）上运行。 它保证容器（containers）都运行在 Pod 中。
    当控制平面需要在节点中执行某个操作时，kubelet 就会执行该操作。

  2. kube-proxy

    kube-proxy 是集群中每个节点（node）上运行的网络代理，是实现 Kubernetes 服务（Service） 概念的一部分。
    kube-proxy 维护节点网络规则和转发流量，实现从集群内部或外部的网络与 Pod 进行网络通信。

  3. 容器运行时（Container Runtime）

    这个基础组件使 Kubernetes 能够有效运行容器。 它负责管理 Kubernetes 环境中容器的执行和生命周期。负责运行容器的软件。Kubernetes 支持许多容器运行环境，例如 containerd、docker或者其他实现了 Kubernetes CRI (容器运行环境接口)的容器。

组件关系

在这里插入图片描述

安装Kubernetes

参考这篇即可K8s安装部署–超级详细（无坑，v1.23）_虚拟机部署k8s_我不当正经人了z的博客-CSDN博客

容器镜像加速详见阿里云镜像加速

个人觉得这教程更好https://blog.csdn.net/IOT_AI/article/details/131975562

基本对象和操作

Pod（容器集）

  1. 概述

    Pod 是包含一个或多个容器的容器组，是 Kubernetes 中创建和管理的最小对象。

    Pod 有以下特点：

    • Pod是kubernetes中最小的调度单位（原子单元），Kubernetes直接管理Pod而不是容器。

    • 同一个Pod中的容器总是会被自动安排到集群中的同一节点（物理机或虚拟机）上，并且一起调度。

    • Pod可以理解为运行特定应用的“逻辑主机”，这些容器共享存储、网络和配置声明(如资源限制)。

    • 每个 Pod 有唯一的 IP 地址。 IP地址分配给Pod，在同一个 Pod 内，所有容器共享一个 IP 地址和端口空间，Pod 内的容器可以使用localhost互相通信。

  2. 举例

    一个Pod中你可能有一个容器，为共享卷中的文件提供 Web 服务器支持，以及一个单独的 “边车 (sidercar)” 容器负责从远端更新这些文件，如下图所示：在这里插入图片描述

  3. 操作Pod

# 拉取并且运行Pod
# --image 指定镜像
kubectl run mynginx --image=nginx
# 查看Pod
kubectl get pod
# 描述
kubectl describe pod mynginx
# 查看Pod的运行日志
kubectl logs mynginx# 显示pod的IP和运行节点信息
kubectl get pod -owide
# 使用Pod的ip+pod里面运行容器的端口
curl 10.42.1.3#在容器中执行
# 命令放在--后
kubectl exec mynginx -it -- /bin/bash# --watch 隔一段时间执行一次命令用于观察
kubectl get pod --watch
# -it 交互模式 
# --rm 退出后删除容器，多用于执行一次性任务或使用客户端
kubectl run mynginx --image=nginx -it --rm -- /bin/bash # 删除
kubectl delete pod mynginx
# 强制删除
kubectl delete pod mynginx --force

Deployment(部署)与ReplicaSet(副本集)

  1. 介绍

    1. Deployment:Deployment是对ReplicaSet和Pod更高级的抽象。

      它使Pod拥有多副本，自愈，扩缩容、滚动升级等能力。一个 Deployment 为 Pod 和 ReplicaSet 提供声明式的更新能力

    2. ReplicaSet:ReplicaSet 的目的是维护一组在任何时候都处于运行状态的 Pod 副本的稳定集合。 因此，它通常用来保证给定数量的、完全相同的 Pod 的可用性。通常我们不直接使用ReplicaSet，而是在Deployment中声明。

  2. 操作

    基本操作：创建、查看、删除

    #创建deployment,部署3个运行nginx的Pod
kubectl create deployment nginx-deployment --image=nginx:1.22 --replicas=3
#查看deployment
kubectl get deploy
#查看replicaSet
kubectl get rs 
#删除deployment
kubectl delete deploy nginx-deployment

    缩放

    • 手动缩放

      #将副本数量调整为5
kubectl scale deployment/nginx-deployment --replicas=5
kubectl get deploy

    • 自动缩放

      自动缩放通过增加和减少副本的数量，以保持所有 Pod 的平均 CPU 利用率不超过 75%。

      自动伸缩需要声明Pod的资源限制，同时使用 Metrics Server 服务

      #自动缩放
kubectl autoscale deployment/nginx-auto --min=3 --max=10 --cpu-percent=75 
#查看自动缩放
kubectl get hpa
#删除自动缩放
kubectl delete hpa nginx-deployment

    滚动更新

    #查看版本和Pod
kubectl get deployment/nginx-deployment -owide
kubectl get pods#更新容器镜像
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.23
#滚动更新
kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
#查看过程
kubectl get rs --watch

    版本回滚

    #查看历史版本
kubectl rollout history deployment/nginx-deployment
#查看指定版本的信息
kubectl rollout history deployment/nginx-deployment --revision=2
#回滚到历史版本
kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment --to-revision=2

Service（服务）

  1. 概述

    Kubernetes 中 Service 是 将运行在一个或一组 Pod 上的网络应用程序公开为网络服务的方法。

    Service为一组 Pod 提供相同的 DNS 名(域名)，并且在它们之间进行负载均衡。

    Kubernetes 为 Pod 提供分配了IP 地址，但IP地址可能会发生变化。

    集群内的容器可以通过service名称访问服务，而不需要担心Pod的IP发生变化。

    Kubernetes Service 定义了这样一种抽象：

    逻辑上的一组可以互相替换的 Pod，通常称为微服务。

    Service 对应的 Pod 集合通常是通过选择算符来确定的。

    举个例子，在一个Service中运行了3个nginx的副本。这些副本是可互换的，我们不需要关心它们调用了哪个nginx，也不需要关注 Pod的运行状态，只需要调用这个服务就可以了。

  2. 操作

    # 将已有的部署创建为服务
# --name：指定服务名
# --type：指定servicetype
# --port：指定服务公开端口
# --target-port：指定容器内部端口
kubectl expose deployment/nginx-deployment \
--name=nginx-service --type=ClusterIP --port=80 --target-port=80
# 查看服务
kubectl get svc

  3. ServiceType和Port解析

    • ServiceType 取值

      • ClusterIP：将服务公开在集群内部。kubernetes会给服务分配一个集群内部的 IP，集群内的所有主机都可以通过这个Cluster-IP访问服务。集群内部的Pod可以通过service名称访问服务。
      • NodePort：通过每个节点的主机IP 和静态端口（NodePort）暴露服务。 集群的外部主机可以使用节点IP和NodePort访问服务。
      • ExternalName：将集群外部的网络引入集群内部。
      • LoadBalancer：使用云提供商的负载均衡器向外部暴露服务。

    • Port

      在这里插入图片描述

namespace（命名空间）

  1. 概述

    **命名空间(Namespace)**是一种资源隔离机制，将同一集群中的资源划分为相互隔离的组。

    命名空间可以在多个用户之间划分集群资源（通过资源配额）。

    • 例如我们可以设置开发、测试、生产等多个命名空间。

    同一命名空间内的资源名称要唯一，但跨命名空间时没有这个要求。

    命名空间作用域仅针对带有名字空间的对象，例如 Deployment、Service 等。

    这种作用域对集群访问的对象不适用，例如 StorageClass、Node、PersistentVolume 等。

  2. Kubernetes 会创建四个初始命名空间：

    • default 默认的命名空间，不可删除，未指定命名空间的对象都会被分配到default中。
    • kube-system Kubernetes 系统对象(控制平面和Node组件)所使用的命名空间。
    • kube-public 自动创建的公共命名空间，所有用户（包括未经过身份验证的用户）都可以读取它。通常我们约定，将整个集群中公用的可见和可读的资源放在这个空间中。
    • kube-node-lease 租约（Lease）对象使用的命名空间。每个节点都有一个关联的 lease 对象，lease 是一种轻量级资源。lease对象通过发送心跳，检测集群中的每个节点是否发生故障。

    使用kubectl get lease -A查看lease对象

  3. 操作

    管理命名空间

    kubectl get pod -A
#创建命名空间
kubectl create namespace dev
#查看命名空间
kubectl get ns#在命名空间内运行Pod
kubectl run nginx --image=nginx --namespace=dev
kubectl run my-nginx --image=nginx -n=dev#查看命名空间内的Pod
kubectl get pods -n=dev#查看命名空间内所有对象
kubectl get all
# 删除命名空间会删除命名空间下的所有内容
kubectl delete ns dev

    切换当前命名空间

    #查看当前上下文
kubectl config current-context#将dev设为当前命名空间，后续所有操作都在此命名空间下执行。
kubectl config set-context $(kubectl config current-context) --namespace=dev

声明式对象配置

  1. 云原生的代表技术包括：

    • 容器

    • 服务网格

    • 微服务

    • 不可变基础设施

    • 声明式API

  2. 管理对象：命令行指令 vs 声明式配置

    • 命令行指令

      例如，使用kubectl命令来创建和管理 Kubernetes 对象。

      命令行就好比口头传达，简单、快速、高效。

      但它功能有限，不适合复杂场景，操作不容易追溯，多用于开发和调试。

    • 声明式配置

      kubernetes使用yaml文件来描述 Kubernetes 对象。

      声明式配置就好比申请表，学习难度大且配置麻烦。

      好处是操作留痕，适合操作复杂的对象，多用于生产。

  3. 常用命令缩写

    名称缩写Kind
    namespacesnsNamespace
    nodesnoNode
    podspoPod
    servicessvcService
    deploymentsdeployDeployment
    replicasetsrsReplicaSet
    statefulsetsstsStatefulSet

  4. 配置对象

    在创建的 Kubernetes 对象所对应的 yaml文件中，需要配置的字段如下：

    • apiVersion - Kubernetes API 的版本
    • kind - 对象类别，例如Pod、Deployment、Service、ReplicaSet等
    • metadata - 描述对象的元数据，包括一个 name 字符串、UID 、标签和可选的 namespace
    • spec - 对象的配置

    举例：

    # my-pod.yamlapiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: my-nginx
spec:containers:- name: nginximage: nginx:1.22ports:- containerPort: 80

    使用yaml文件管理对象

    #创建对象
kubectl apply -f my-pod.yaml
#编辑对象，这里有点问题
kubectl edit nginx
#删除对象
kubectl delete -f my-pod.yaml

  5. 标签

    标签（Labels） 是附加到对象（比如 Pod）上的键值对，用于补充对象的描述信息。

    标签使用户能够以松散的方式管理对象映射，而无需客户端存储这些映射。

    由于一个集群中可能管理成千上万个容器，我们可以使用标签高效的进行选择和操作容器集合。

    • 键的格式：
      • 前缀(可选)/名称(必须)。
    • 有效名称和值：
      • 必须为 63 个字符或更少（可以为空）
      • 如果不为空，必须以字母数字字符（[a-z0-9A-Z]）开头和结尾
      • 包含破折号**-**、下划线**_**、点**.**和字母或数字

    label配置模版

    apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: label-demolabels: #定义Pod标签environment: testapp: nginx
spec:containers:- name: nginximage: nginx:1.22ports:- containerPort: 80

    # 查看Pod的同时展示标签
kubectl get pod --show-labels
# 根据标签查看Pod
kubectl get pod -l environment=test,app=nginx

  6. 选择器

    标签选择器 可以识别一组对象。标签不支持唯一性。

    标签选择器最常见的用法是为Service选择一组Pod作为后端。

    Service配置模版

    apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: my-service
spec:type: NodePortselector: #与Pod的标签一致environment: testapp: nginxports:# 默认情况下，为了方便起见，`targetPort` 被设置为与 `port` 字段相同的值。- port: 80targetPort: 80# 可选字段# 默认情况下，为了方便起见，Kubernetes 控制平面会从某个范围内分配一个端口号（默认：30000-32767）nodePort: 30007

    目前支持两种类型的选择运算：基于等值的和基于集合的。

    多个选择条件使用逗号分隔，相当于**And(&&)**运算。

    • 等值选择：键值对

      selector:matchLabels: # component=redis && version=7.0component: redisversion: 7.0

    • 集合选择

      selector:matchExpressions: # tier in (cache, backend) && environment not in (dev, prod)- {key: tier, operator: In, values: [cache, backend]}- {key: environment, operator: NotIn, values: [dev, prod]}

容器与镜像

容器运行时接口（CRI）

Kubelet运行在每个节点(Node)上,用于管理和维护Pod和容器的状态。

容器运行时接口（CRI）是kubelet 和容器运行时之间通信的主要协议。它将 Kubelet 与容器运行时解耦，理论上，实现了CRI接口的容器引擎，都可以作为kubernetes的容器运行时。

Docker没有实现（CRI）接口，Kubernetes使用dockershim来兼容docker。

自V1.24版本起，Dockershim 已从 Kubernetes 项目中移除。

crictl是一个兼容CRI的容器运行时命令，他的用法跟docker命令一样，可以用来检查和调试底层的运行时容器。

crictl pull mysql:5.7-debian
crictl images

在一些局域网环境下，我们没法通过互联网拉取镜像，可以手动的导出、导入镜像。

crictl命令没有导出、导入镜像的功能。

需要使用ctr命令导出、导入镜像，它是containerd的命令行接口。

从containerd导出、导入镜像

#导出镜像，kubernetes中所有镜像都在k8s.io命名
ctr -n k8s.io images export mysql.tar docker.io/library/mysql:5.7-debian --platform linux/amd64
#导入镜像
ctr -n k8s.io images import mysql.tar

金丝雀发布

  1. 概述

    金丝雀部署(canary deployment) 也被称为灰度发布

    早期，工人下矿井之前会放入一只金丝雀检测井下是否存在有毒气体。

    采用金丝雀部署，你可以在生产环境的基础设施中小范围的部署新的应用代码。

    一旦应用签署发布，只有少数用户被路由到它，最大限度的降低影响。

    如果没有错误发生，则将新版本逐渐推广到整个基础设施在这里插入图片描述

  2. 部署过程

    在这里插入图片描述

    第一个版本

    发布v1版本的应用，镜像使用nginx:1.22,数量为 3

    • 创建Namespace

    Namespace配置模版

    • 创建Deployment

    Deployment配置模版

    • 创建外部访问的Service

    Service配置模版

    # deploy-v1.yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:name: dev
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: nginx-deployment-v1namespace: devlabels:app: nginx-deployment-v1
spec:replicas: 3selector:matchLabels: # 跟template.metadata.labels一致app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- name: nginximage: nginx:1.22ports:- containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: canary-demonamespace: dev
spec:type: NodePortselector: # 跟Deployment中的selector一致app: nginxports:# By default and for convenience, the `targetPort` is set to the same value as the `port` field.- port: 80targetPort: 80# Optional field# By default and for convenience, the Kubernetes control plane will allocate a port from a range (default: 30000-32767)nodePort: 30008

    创建Canary Deployment

    # deploy-cannary.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: nginx-deployment-canarynamespace: devlabels:app: nginx-deployment-canary
spec:replicas: 1selector:matchLabels: # 跟template.metadata.labels一致app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxtrack: canaryspec:containers:- name: new-nginximage: docker/getting-startedports:- containerPort: 80

    image-20231128224122881

    分配流量

    查看服务kubectl describe svc canary-demo --namespace=dev

    • 调整比例

      待稳定运行一段时间后，扩大试用范围，将部署的v2版本数量调整为3，v1和v2的数量都是3个。

      kubectl scale deployment/nginx-deployment-canary --replicas=3 -n=dev

      image-20231128224029908

    • 下线旧版本

      kubectl scale deployment/nginx-deployment-v1 --replicas=0 -n=dev

      image-20231128224152534

    清空环境

    kubectl delete all --all -n=dev

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C语言之位段（详解）

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深入解析JVM内存结构：Metaspace、堆与垃圾收集器

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