云原生初识Kubernetes的理论基础

一、k8s 的由来及其技术运用

1.1 k8s的简介

Kubernetes，词根源于希腊语的舵手、飞行员。在国内又称k8s（因为k和s之间有8个字母，所以得名。“国内程序员的幽默”）。

作用：

用于自动部署、扩展和管理“容器化（containerized）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，是一个生态极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。

云原生基金会（CNCF）于2015年12月成立，隶属于Linux基金会。CNCF孵化的第一个项目就是Kubernetes，随着容器的广泛使用，Kubernetes已经成为容器编排工具的事实标准

官网：Kubernetes

GitHub：
GitHub - kubernetes/kubernetes: Production-Grade Container Scheduling and Management

1.2 传统后端部署与k8s 的对比

传统部署
传统的后端部署办法：把程序包（包括可执行二进制文件、配置文件等）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。

此时一旦服务的请求量上来，已部署的服务响应不过来，传统的做法往往是，如果请求量、内存、CPU超过阈值做了告警，运维人员马上再加几台服务器，部署好服务之后，接入负载均衡来分担已有服务的压力。这样问题就出现了：从监控告警到部署服务，中间需要人力介入！ 没有办法自动完成服务的部署、更新、卸载和扩容、缩容

k8s的部署
上述传统后端部署的问题，就是k8s所要解决的问题。自动化运维管理容器化（Docker）程序。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。

K8S 的目标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、自愈机制
●没有预设编排模板，无法实现快速、大规模容器调度
●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

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。其主要功能如下：
●使用 Docker 等容器技术对应用程序包装（package）、实例化（instantiate）、运行（run）。
●以集群的方式运行、管理跨机器的容器。
●解决 Docker 跨机器容器之间的通讯问题。
●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。

1.3 K8S 的特性

●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。

●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；杀死健康检査失败的容器，并且在未准备好之前不会处理客户端请求，确保线上服务不中断。

●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。

●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。

●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，而不需要把敏感数据暴露在镜像里，提高敏感数据安全性。并可以将一些常用的配置存储在K8S中，方便应用程序使用。

●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，公有云（如AWS），还是网络存储（如NFS、Glusterfs、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。

●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。

1.4 k8s的主要功能

● 跨主机编排容器。
● 更充分地利用硬件资源来最大化地满足企业应用的需求。
● 控制与自动化应用的部署与升级。
● 为有状态的应用程序挂载和添加存储器。
● 线上扩展或缩减容器化应用程序与它们的资源。
● 声明式的容器管理，保证所部署的应用按照我们部署的方式运作。
● 通过自动布局、自动重启、自动复制、自动伸缩实现应用的状态检查与自我修复。
● 为多个容器提供服务发现和负载均衡，使得用户无需考虑容器IP问题。

二、Kubernetes 集群架构与组件

2.1 k8s的集群机构的简单介绍

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。

2.2 k8s的 master核心组件

### Master 组件 ###

（1）Kube-apiserver

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。

（2）Kube-controller-manager

运行管理控制器，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。

（3）Kube-scheduler

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。

2.3 配置存储中心

etcd 是 k8s 的存储服务中心，但是它不属于组件但是还是要说。

●etcd

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。

2.4 k8s的Node 组件

（1）Kubelet

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 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 Pod 的状态与期望状态不一致，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占满磁盘空间，退出的容器不会占用太多资源。

总结：
在 Kubernetes 集群中，在每个 Node（又称 Worker 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。

（2）Kube-Proxy

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是由 Kube-proxy 实现的。Kube-proxy 是 K8S 集群内部的负载均衡器。它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。

三种模式网络模型

node ip

pod ip

cluster ip

（3）容器引擎 docker 或 rocket

容器引擎，运行容器，负责本机的容器创建和管理工作。

当 kubernetes 把 pod 调度到节点上，节点上的 kubelet会指示 docker 启动特定的容器。接着，kubelet 会通过 docker 持续地收集容器的信息，然后提交到主节点上。docker 会如往常一样拉取容器镜像、启动或停止容器。不同点仅仅在于这是由自动化系统控制而非管理员在每个节点上手动操作的。

三、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。

3.1 pod的理解运用与创建过程

Pod

Pod是 Kubernetes 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。
可以而同一 Pod 内把 Pod 理解成豌豆荚，的每个容器是一颗颗豌豆。

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，又叫边车模式（SideCar）。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。

K8S创建Pod的工作流程

请求发起：用户通过kubectl命令行工具或其他API客户端向集群的主节点（Master）上的API Server提交创建Pod的请求。
信息持久化：API Server接收到请求后，首先将Pod的定义信息持久化存储到分布式键值存储系统Etcd中，确保数据的高可用性和一致性。
Pod配置处理：接着，Controller Manager识别到Etcd中新增的Pod定义，依据Pod的配置信息（如镜像、资源需求等），准备Pod的初始化配置。
节点调度：Controller Manager委托Scheduler进行Pod的调度决策。Scheduler运用一系列算法评估集群中各Worker Node的资源状况和约束条件，选择最合适的节点来运行Pod。
节点通知：选定节点后，Scheduler通过API Server通知目标Node的Kubelet组件。Kubelet是每个节点上的代理服务，负责Pod及其容器的真正生命周期管理。
容器创建：Kubelet接收到指令后，与该节点上的容器运行时环境（如Docker或Containerd）交互，下载Pod所指定的镜像，并启动容器。
服务暴露：为了实现Pod的服务发现和负载均衡，用户可以进一步创建Service资源。Service定义了如何访问Pod的策略，包括负载均衡规则和网络路由。Kube-Proxy组件监控Service的变化，根据Service配置在各节点上设置网络规则，确保流量能够被正确导向到Pod。

Pod 控制器

Pod 控制器是 Pod 启动的一种模版，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。

比如我要在20台节点的Kubernetes集群中部署Filebeat，并且希望每台机器上都运行一个Filebeat实例来收集日志，那么使用DaemonSet是最为合适的方式。

•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。

无状态应用：重点在于每个应用实例不需要记住任何会话信息或共享数据。任何时刻，无状态应用的任意实例都可以被替换，新实例可以立即接手工作而不需要从之前实例那里继承或同步状态信息。这种设计使得无状态应用易于横向扩展和管理，因为实例之间是相互独立的。
有状态应用：这类应用需要维护状态，即应用实例之间或者实例内部存在数据依赖或共享状态。例如，一个数据库集群中的每个节点都存储着一部分数据，它们之间需要保持数据的一致性和协调访问。有状态应用的扩展和管理更为复杂，通常需要确保数据的持久化存储和实例的有序操作。

无状态应用不依赖于实例间的状态共享，容易横向扩展和替换；而有状态应用由于涉及到状态和数据的持久化，需要特别的管理机制来确保数据的一致性和应用实例的有序性。

3.2 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 由用户自己指定。
        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。

3.3 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）。

3.4 Service "服务"

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，可以看作一组提供相同服务的Pod的对外访问接口、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 可以看作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，自动把请求流量分布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。

3.5 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.benet.com:port ---> Ingress ---> Service ---> Pod

1、service资源通过标签选择器关联具有相同标签的Pod

2、每个service都有一个固定的cluster ip（虚拟IP），可供在k8s 集群内部访问

3、当有网络请求直接访问 Service 的虚拟 ip时，service会对请求进行负载均衡并以4层代理转发到它所关联的后端pod上。

4、ingree可以作为k8s对外暴露的网关接口接收k8s集群外部发来的请求流量。

5、ingree 支持7层代理转发，它可以根据不同的域名或者URL访问路径把请求流量转发到不同的service上。

3.6 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。

3.7 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。