目录

一、Kubernetes（K8s）概述

1.1、什么是K8s

1.2、K8s的作用

1.3、K8s的功能

二、K8s的特性

2.1、弹性伸缩

2.2、自我修复

2.3、服务发现和负载均衡

2.4、自动发布（默认滚动发布模式）和回滚

2.5、集中化配置管理和密钥管理

2.6、存储编排

2.7、任务批处理运行

三、kubernetes的集群架构与组件

3.1、Master 组件

①kube-apiserver（资源操作的唯一入口）

②Kube-controller-manager（负责维护集群的状态）

③Kube-scheduler（负责集群资源调度）

3.2、配置存储中心

Etcd（配置存储中心）

3.3、Node 组件

①Kubelet（负责维护容器的生命周期）

②Kube-proxy（负责提供集群内部的服务发现和负载均衡）

③docker/rocket（容器引擎）

四、K8s工作流程

五、Kubernetes 核心概念

5.1、Pod

5.2、Pod 控制器

5.3、Deployment—无状态应用部署

5.4、Statefulset—有状态应用部署

5.5、Label-标签

5.6、Label 选择器（Label selector）

5.7、Service

5.8、Ingress

5.9、Name

5.10、Namespace

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一、Kubernetes（K8s）概述

1.1、什么是K8s

kubernetes是一个可移植，可扩展的开源平台，用于管理容器化工作负载和服务，有助于声明式配置和自动化。它拥有庞大且快速发展的生态系统。kubernetes服务，支持和工具随处可见。

作用：用于自动部署，扩展和管理“容器化应用程序”的开源系统。

可以理解成k8s是负责自动化运维管理多个容器化程序（比如docker）的集群，是一个生态及其丰富的容器编排框架工具。

由来：k8s由google的Borg系统(博格系统，google内部使用的大规模容器编排工具)作为原型，后经GO语言延用Borg的思路重写并捐献给CNCF基金会开源。

含义：来源于希腊语中的舵手，飞行员

官网：
https://kubernetes.io    英文
https://kubernetes.io/zh-cn/docs  中文

1.2、K8s的作用

传统的后端部署是把程序包放到服务器上，接着运行启动脚本把程序跑起来，同时启动守护脚本定期检查程序运行状态，必要的话重新拉起程序。

①案例：如果服务器的请求量上来了，已经部署的服务响应不过来怎么办？

传统的做法是，如果请求量，内存，cpu超过了阈值做了警告，运维人员就会马上增加服务器，部署好服务之后接入负载均衡来分担已有服务的压力。

这样做的弊端就是，需要人力的介入，而k8s要做的事情就是：自动化运维管理容器化的程序。

②k8s的目的就是让部署容器化应用简单高效。

k8s解决了裸跑docker的若干痛点：

单机使用，无法有效集群；

随着容器数量的上升，管理成本攀升；

没有有效的容灾，自愈的机制；

没有预设编排模板，无法实现快速，大规模容器的调度；

没有统一的配置管理中心工具；

没有容器生命周期的管理工具；

没有图形化运维管理工具。

1.3、K8s的功能

K8S是Google开源的容器集群管理系统，在Docker等容器技术的基础上，为容器化的应用提供部署运行、资源调度、服务发现和动态伸缩等一系列完整功能，提高了大规模容器集群管理的便捷性。

1、使用 Docker 等容器技术对应用程序包装（package）、实例化（instantiate）、运行（run）。
2、以集群的方式运行、管理跨机器的容器。
3、解决 Docker 跨机器容器之间的通讯问题。
4、K8S 的自我修复机制使得容器集群总是运行在用户期望的状态。

二、K8s的特性

2.1、弹性伸缩

使用命令、UI或者基于CPU使用情况自动快速扩容和缩容应用程序实例，保证应用业务高峰并发时的高可用性；业务低峰时回收资源，以最小成本运行服务。

2 台机器 提供 web 服务  网站高并发 系统资源占比来 自动扩展机器  10 
并发一旦过去了 自动收  1

2.2、自我修复

在节点故障时重新启动失败的容器，替换和重新部署，保证预期的副本数量；杀死健康检查失败的容器，并且在未准备好之前都不会处理客户端请求，确保线上服务不中断。

2.3、服务发现和负载均衡

K8S为多个容器提供一个统一访问入口(内部IP地址和一个DNS名称)，并且负载均衡关联的所有容器，使得用户无需考虑容器IP问题。

2.4、自动发布（默认滚动发布模式）和回滚

K8S采用滚动更新策略更新应用，一次更新一个或者部分Pod，而不是同时删除所有Pod，如果更新过程中出现问题，将回滚更改，确保升级不影响业务。

2.5、集中化配置管理和密钥管理

管理机密数据和应用程序配置，而不是需要把敏感数据暴露在镜像里，提高敏感数据的安全性，并可以将一些常用的配置存储在k8s中，方便应用程序使用。

2.6、存储编排

支持外挂存储并对外挂存储资源进行编排，挂载外部存储系统，无论是来自本地存储，共有云（如：AWS），还是网络存储（如：NFS,Glusters，Ceph）都作为集群资源的一部分使用，极大提高存储使用灵活性。

2.7、任务批处理运行

提供一次性任务，定时任务；满足批量数据处理和分析的场景。

三、kubernetes的集群架构与组件

K8S 是属于主从设备模型（Master-Slave 架构），即有 Master 节点负责集群的调度、管理和运维，Slave 节点是集群中的运算工作负载节点。
在 K8S 中，主节点一般被称为 Master 节点，而从节点则被称为 Worker Node 节点，每个 Node 都会被 Master 分配一些工作负载。

Master 组件可以在群集中的任何计算机上运行，但建议 Master 节点占据一个独立的服务器。因为 Master 是整个集群的大脑，如果 Master 所在节点宕机或不可用，那么所有的控制命令都将失效。除了 Master，在 K8S 集群中的其他机器被称为 Worker Node 节点，当某个 Node 宕机时，其上的工作负载会被 Master 自动转移到其他节点上去。

3.1、Master 组件

①kube-apiserver（资源操作的唯一入口）

用于暴露 Kubernetes API，任何资源请求或调用操作都是通过 kube-apiserver 提供的接口进行。以 HTTP Restful API 提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给 API Server 处理后再提交给 Etcd 存储。

可以理解成 API Server 是 K8S 的请求入口服务。API Server 负责接收 K8S 所有请求（来自 UI 界面或者 CLI 命令行工具）， 然后根据用户的具体请求，去通知其他组件干活。可以说 API Server 是 K8S 集群架构的大脑。

②Kube-controller-manager（负责维护集群的状态）

运行管理控制，是k8s集群中处理常规任务的后台线程，是k8s集群里所有资源对象的自动化控制中心。

在k8s集群中一个资源对应一个控制器，而controller manager就是负责管理这些控制器的。

由一系列控制器组成，通过api server监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，比比如当某个node意外宕机时，controller manager会及时发现并执行自动化修复流程，确保集群始终处于预期的工作状态。

这些控制器主要包括：

•Node Controller（节点控制器）：负责在节点出现故障时发现和响应。
•Replication Controller（副本控制器）：负责保证集群中一个 RC（资源对象 Replication Controller）所关联的 Pod 副本数始终保持预设值。可以理解成确保集群中有且仅有 N 个 Pod 实例，N 是 RC 中定义的 Pod 副本数量。
•Endpoints Controller（端点控制器）：填充端点对象（即连接 Services 和 Pods），负责监听 Service 和对应的 Pod 副本的变化。 可以理解端点是一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务，则必须知道它的 endpoint。
•Service Account & Token Controllers（服务帐户和令牌控制器）：为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌。
•ResourceQuota Controller（资源配额控制器）：确保指定的资源对象在任何时候都不会超量占用系统物理资源。
•Namespace Controller（命名空间控制器）：管理 namespace 的生命周期。
•Service Controller（服务控制器）：属于 K8S 集群与外部的云平台之间的一个接口控制器。

③Kube-scheduler（负责集群资源调度）

是负责资源调度的进程，根据调度算法为新创建的 Pod 选择一个合适的 Node 节点。  62种

可以理解成 K8S 所有 Node 节点的调度器。当用户要部署服务时，Scheduler 会根据调度算法选择最合适的 Node 节点来部署 Pod。
•预选策略（predicate）
•优选策略（priorities）

API Server 接收到请求创建一批 Pod ，API Server 会让 Controller-manager 按照所预设的模板去创建 Pod，Controller-manager 会通过 API Server 去找 Scheduler 为新创建的 Pod 选择最适合的 Node 节点。比如运行这个 Pod 需要 2C4G 的资源，Scheduler 会通过预选策略过滤掉不满足策略的 Node 节点。Node 节点中还剩多少资源是通过汇报给 API Server 存储在 etcd 里，API Server 会调用一个方法找到 etcd 里所有 Node 节点的剩余资源，再对比 Pod 所需要的资源，如果某个 Node 节点的资源不足或者不满足 预选策略的条件则无法通过预选。预选阶段筛选出的节点，在优选阶段会根据优先策略为通过预选的 Node 节点进行打分排名， 选择得分最高的 Node。例如，资源越富裕、负载越小的 Node 可能具有越高的排名。

3.2、配置存储中心

Etcd（配置存储中心）

K8S 的存储服务。etcd 是分布式键值存储系统，存储了 K8S 的关键配置和用户配置，K8S 中仅 API Server 才具备读写权限，其他组件必须通过 API Server 的接口才能读写数据。

etcd是一种定时全量备份+持续增量备份的持久化方式，最后存储在磁盘中。

ETCD一般会作为3副本机制（奇数方式），分布在三台master上，也有的公司单独用服务器部署ETCD

3.3、Node 组件

①Kubelet（负责维护容器的生命周期）

Node节点的监视器，以及与master节点的通讯器。Kubelet是master节点安插在node节点上的“眼线”，它会定时向api server汇报自己的node节点上运行的服务的状态，并接受来自master节点的指示采取调整措施。

从master节点获取自己节点上pod的期望状态（比如运行什么容器，运行的副本的数量，网络或者存储如何配置等），直接跟容器引擎交互实现容器的生命周期管理，如果自己节点上的pod的状态与期望的状态不一样，则调用对应的容器平台接口（即docker的接口）达到这个状态。

管理镜像和容器的清理工作，保证节点上镜像不会沾满磁盘空间，退出的容器不会占用太多资源。

总结：就是kubernetes集群中，在每个node上都会启动一个kubelet服务进程。该进程用于处理master下发到本节点的任务，管理pod及pod中的容器。每个kubelet进程都会在api server上注册节点自身的信息，定期向master汇报节点资源的使用情况，并通过cadvisor监控容器和节点资源

②Kube-proxy（负责提供集群内部的服务发现和负载均衡）

在每个node节点上实现pod网络代理，是Kubernetes service资源的载体，负责维护网络规则和四层负载均衡工作，负责写入规则至iptables，ipvs实现服务映射访问的。

kube-proxy本身不是直接给pod提供网络，pod的网络是由kubelet提供的，kube-proxy实际上维护的是虚拟的pod集群网络

kube-apiserver通过监控kube-proxy进行对kubernetes service的更新和端点的维护

在k8s集群中微服务的负载均衡室友kube-proxy实现的。kube-proxy是k8s集群内部的负载均衡器。他是一个分布式代理服务器，在k8s的每个节点上都会运行一个kube-proxy组件。

kube-proxy的三种模式：

userspace代理模式

iptables代理模式

IPVS代理模式

ipvs和iptables的异同：
iptables与IPVS都是基于Netfilter实现的，但因为定位不同，二者有着本质的差别：iptables是为防火墙而设计的；IPVS则专门用于高性能负载均衡，并使用更高效的数据结构(Hash表)，允许几乎无限的规模扩张。
与iptables相比，IPVS拥有以下明显优势：
为大型集群提供了更好的可扩展性和性能；
支持比iptables更复杂的复制均衡算法(最小负载、最少连接、加权等)；
支持服务器健康检查和连接重试等功能；
可以动态修改ipset的集合，即使iptables的规则正在使用这个集合。

③docker/rocket（容器引擎）

容器引擎，运行容器，负责本机的容器创建和管理工作。现在基本上都是用的docker。

四、K8s工作流程

1、首先管理员操作kubectl命令向kube-apiserver发送任务请求，先到Auth进行权限认证（身份认证）然后进入到kube-apiserver中，kube-apiserver会将数据存储到Etcd中；

2、kube-apiserver会根据Etcd中管理员执行的操作去调用（Kube-controller-manager）控制管理器对应的控制器进行对应的操作；

3、Kube-controller-manager会通过调用创建控制器到kube-apiserver创建replication副本，kube-apiserver将操作存储到etcd中，kube-apiserver再调用kube-scheduler（调度器）进行算法选择为pod选择最合适的节点创建，kube-scheduler需要通过kube-apiserver在node节点上的kubelet进行预选策略和优选策略来选择最优的node节点，kube-apiserver将动作（优选node节点信息）保存到Etcd中；

4、kube-scheduler选择完节点后通过kube-apiserver的kubelet在对应的node节点上创建pod，并通知对应node节点的docker在pod中创建容器，然后通过kube-apiserver将pod信息存储到Etcd中；

5、容器需要对外提供服务的时候，通过node节点的kube-proxy代理对外映射端口信息，kube-proxy进来之后通过service负载均衡器分发到容器上，访问容器根据label标签访问的。

五、Kubernetes 核心概念

Kubernetes 包含多种类型的资源对象：Pod、Label、Service、Replication Controller 等。
所有的资源对象都可以通过 Kubernetes 提供的 kubectl 工具进行增、删、改、查等操作，并将其保存在 etcd中持久化存储。
Kubernets其实是一个高度自动化的资源控制系统，通过跟踪对比etcd存储里保存的资源期望状态与当前环境中的实际资源状态的差异，来实现自动控制和自动纠错等高级功能。

5.1、Pod

 Pod 是 Kuberntes 创建或部署的最小/最简单的基本单位，一个 Pod 代表集群上正在运行的一个进程。
可以把 Pod 理解成豌豆荚，而同一 Pod 内的每个容器是一个个豌豆。
一个 Pod 由一个或多个容器组成，Pod 中容器共享网络、存储和计算资源，在同一台 Docker 主机上运行。
一个 Pod 里可以运行多个容器，又叫边车（SideCar）模式。而在生产环境中一般都是单个容器或者具有强关联互补的多个容器组成一个Pod。
同一个 Pod 之间的容器可以通过 localhost 互相访问，并且可以挂载 Pod 内的所有的数据卷；但是不同的 Pod之间的容器不能用 localhost 访问，也不能挂载其他 Pod 的数据卷。

5.2、Pod 控制器

Pod 控制器是 Pod 启动的一种模板，用来保证在 K8S 里启动的 Pod 应始终按照用户的预期运行（副本数、生命周期、健康状态检查等）。K8S 内提供了众多的 Pod 控制器，常用的有以下几种：

Deployment：无状态应用部署。Deployment 的作用就是管理和控制 Pod 和ReplicaSet，管控它们运行在用户期望的状态中。

Replicaset：确保预期的 Pod 副本数量。ReplicaSet 的作用就是管理和控制 Pod，管控他们好好干活。但是ReplicaSet 受控于 Deployment。可以理解成 Deployment 就是总包工头，主要负责监督底下的工人 Pod干活，确保每时每刻有用户要求数量的 Pod 在工作。如果一旦发现某个工人 Pod 不行了，就赶紧新拉一个 Pod 过来替换它。而ReplicaSet 就是总包工头手下的小包工头。从 K8S 使用者角度来看，用户会直接操作 Deployment 部署服务，而当Deployment 被部署的时候，K8S 会自动生成要求的 ReplicaSet 和 Pod。用户只需要关心 Deployment而不操心 ReplicaSet。资源对象 Replication Controller 是 ReplicaSet 的前身，官方推荐用Deployment 取代 Replication Controller 来部署服务。

Daemonset：确保所有节点运行同一类Pod，保证每个节点上都有一个此类 Pod 运行，通常用于实现系统级后台任务。

Statefulset：有状态应用部署。

Job：一次性任务。**根据用户的设置，Job 管理的 Pod 把任务成功完成就自动退出了。

Cronjob：周期性计划性任务。

Ingress：管理 L7 层的网络模式（http/https 流量）ingress 包含：nginx、Haproxy、traffic、 istio、kong

PV/PVC:动态存储。NFS接入到k8s时，不能直接挂载，要利用pv/pvc来管理，共享存储也是资源，由pv/pvc来管理。比如10G不够了，扩容由pv/pvc来进行动态扩容处理。

5.3、Deployment—无状态应用部署

Nginx 这种类型的服务，只开启反向代理的功能的时候，假设nginx 宕了，重新跑一个新的，替换过来，可以直接用。没有差异化称为无状态。

无状态服务：LVS（加入集群后，无特殊性需求—需求）

1、服务不依赖自身的状态，实例的状态数据可以维护再内存中
2、任何一个请求都可以被任意一个实例处理
3、不存储状态数据，实例可以水平扩展，通过负载均衡将请求分发到各个节点
4、在一个封闭的系统中，只存在一个数据闭环
5、通常存在于单体架构集群中

5.4、Statefulset—有状态应用部署

里面运行的是mysql，mysql 宕了，配置一样，不能直接用，数据有差异性，加入集群后满足特定规则，存储数据的规则，才能使用，有差异化称为有状态。

有状态服务：例如数据库
由特殊状态需求，例如需要持久化、需要特定的数据支持

1、服务本身依赖或者存在局部的状态数据，这些数据需要自身持久化或者可以通过其他节点恢复。
2、一个请求只能被某个节点（或者同等状态下的节点）处理。
3、存储状态数据，实例的拓展需要整个系统参与状态的迁移。
4、在一个封闭的系统中，存在多个数据闭环，需要考虑这些闭环的数据一致性问题。
5、通常存在于分布式架构中。

总结：

无状态服务：就是没有特殊状态的服务，各个请求对于服务器来说统一无差别处理，请求自身携带了所有服务端所需要的所有参数（服务端自身不存储跟请求相关的任何数据，不包括数据库存储信息）。
有状态服务：与之相反，有状态服务在服务端保留之前请求的信息，用以处理当前请求，比如session等。

5.5、Label-标签

标签，是 K8S 特色的管理方式，便于分类管理资源对象。Label 可以附加到各种资源对象上，例如Node、Pod、Service、RC 等，用于关联对象、查询和筛选。

一个 Label 是一个 key-value 的键值对，其中 key 与 value 由用户自己制定。

一个资源对象可以定义任意数量的 Label，同一个 Label 也可以被添加到任意数量的资源对象中，也可以在对象创建后动态添加或者删除。

可以通过给指定的资源对象捆绑一个或多个不同的 Label，来实现多维度的资源分组管理功能。
与 Label 类似的，还有 Annotation（注释）。区别在于有效的标签值必须为 63个字符或更少，并且必须为空或以字母数字字符（[a-z0-9A-Z]）开头和结尾，中间可以包含横杠（-）、下划线（_）、点（.）和字母或数字。注释值则没有字符长度限制。

5.6、Label 选择器（Label selector）

给某个资源对象定义一个 Label，就相当于给它打了一个标签；随后可以通过标签选择器（Label selector）查询和筛选拥有某些 Label 的资源对象。
标签选择器目前有两种：基于等值关系（等于、不等于）和基于集合关系（属于、不属于、存在）。

5.7、Service

在 K8S 的集群里，虽然每个 Pod 会被分配一个单独的 IP 地址，但由于 Pod 是有生命周期的（它们可以被创建，而且销毁之后不会再启动），随时可能会因为业务的变更，导致这个 IP 地址也会随着 Pod 的销毁而消失。Service 就是用来解决这个问题的核心概念。
K8S 中的 Service 并不是我们常说的 “服务” 的含义，而更像是网关层，可以看做一组提供相同服务的 Pod 的对外访问的接口、流量均衡器。

Service 作用于哪些 Pod 是通过标签选择器来定义的。
在 K8S 集群中，Service 可以看做一组提供相同服务的 Pod 的对外访问接口。客户端需要访问的服务就是 Service 对象。每个 Service 都有一个固定的虚拟 IP（这个 IP 也被称为 Cluster IP），自动并且动态地绑定后端的 Pod，所有的网络请求直接访问 Service 的虚拟 IP，Service 会自动向后端做转发。
Service 除了提供稳定的对外访问方式之外，还能起到负载均衡（Load Balance）的功能，自动把请求流量分不到后端所有的服务上，Service 可以做到对客户透明地进行水平扩展（scale）。而实现 service 这一功能的关键，就是 kube-proxy。kube-proxy 运行在每个节点上，监听 API Server 中服务对象的变化，可通过以下三种流量调度模式：userspace（废弃）、iptables（濒临废弃）、ipvs（推荐，性能最好）来实现网络的转发。

**Service 是 K8S 服务的核心，屏蔽了服务细节，统一对外暴露服务接口，真正做到了 “微服务”。**比如我们的一个服务 A，部署了 3 个副本，也就是 3 个 Pod；对于用户来说，只需要关注一个 Service 的入口就可以，而不需要操心究竟也应该请求哪一个 Pod。优势非常明显：一方面外部用户不需要感知因为 Pod 上服务的意外崩溃、K8S 重新拉起 Pod 而造成的 IP 变更，外部用户也不需要感知因升级、变更服务带来的 Pod 替换而造成的 IP 变化。

创建service需要ServiceController,EndpointControllre,kube-proxy,三个模块同时协作。
ServiceController是控制service来创建对应的Pod关联的规则
EndpointController是定义后端pod的具体位置，也就是endpoint（upstream + consul的自动发现和更新）
kube-proxy是用来定义具体的后端转发和分流规则的
以上组成了一个service所必要的功能

5.8、Ingress

Service 主要负责 K8S 集群内部的网络拓扑，那么集群外部怎么访问集群内部呢？这个时候就需要 Ingress 了。Ingress 是整个 K8S 集群的接入层，负责集群内外通讯。

Ingress 是 K8S 集群里工作在 OSI 网络参考模型下，第7层的应用，对外暴露的接囗，典型的访问方式是 http/https。
Service 只能进行第四层的流量调度，表现形式是 ip+port。Ingress 则可以调度不同业务域、不同URL访问路径的业务流量。

比如：客户端请求 http://www.kgc.com:port  ---> Ingress ---> Service ---> Pod

5.9、Name

由于 K8S 内部，使用 “资源” 来定义每一种逻辑概念（功能），所以每种 “资源”，都应该有自己的 “名称”。
“资源” 有 api 版本（apiversion）、类别（kind）、元数据（metadata）、定义清单（spec）、状态（status）等配置信息。
“名称” 通常定义在 “资源” 的 “元数据” 信息里。在同一个 namespace 空间中必须是唯一的。

5.10、Namespace

随着项目增多、人员增加、集群规模的扩大，需要一种能够逻辑上隔离 K8S 内各种 “资源” 的方法，这就是 Namespace。
Namespace 是为了把一个 K8S 集群划分为若干个资源不可共享的虚拟集群组而诞生的。
不同 Namespace 内的 “资源” 名称可以相同，相同 Namespace 内的同种 “资源”，“名称” 不能相同。
合理的使用 K8S 的 Namespace，可以使得集群管理员能够更好的对交付到 K8S 里的服务进行分类管理和浏览。
K8S 里默认存在的 Namespace 有：default、kube-system、kube-public 等。
查询 K8S 里特定 “资源” 要带上相应的 Namespace。