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【转载】周末精度:kubernetes入门 – zoues

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【转载】周末精度:kubernetes入门
四月 23, 2017|DockerPaaS

【转载】周末精度:kubernetes入门

【转载】周末精度:kubernetes入门

Kubernetes是什么

  1. 首先,它是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案;

  2. 其次,Kubernetes是一个开放的开发平台;

  3. 最后,Kubernetes是一个完备的分布式系统支撑平台。


2
为什么要用Kubernetes

使用Kubernetes的理由很多,最根本的一个理由就是:IT从来都是一个由新技术驱动的行业。
使用Kubernetes所带来的好处:

  1. 首先,最直接的感受就是我们可以“轻装上阵”地开发复杂系统了;

  2. 其次,使用Kubernetes就是在全面拥抱微服务架构;

  3. 然后,我们的系统可以随时随地整体“搬迁”到公有云上;

  4. 最后,Kubernetes系统架构具备了超强的横向扩容能力。

3
Kubernetes基本概念和术语

在Kubernetes中,Node、Pod、Replication Controller、Service等概念都可以看作一种资源对象,通过Kubernetes提供的Kubectl工具或者API调用进行操作,并保存在etcd中。

3.1 Node(节点)  

Node(节点)是Kubernetes集群中相对于Master而言的工作主机,在较早的版本中也被称为Minion。Node可以是一台物理主机,也可以是一台虚拟机(VM)。在每个Node上运行用于启动和管理Pid的服务Kubelet,并能够被Master管理。在Node上运行的服务进行包括Kubelet、kube-proxy和docker daemon。

Node信息如下:

  1. Node地址:主机的IP地址,或者Node ID。

  2. Node运行状态:包括Pending、Running、Terminated三种状态。

  3. Node Condition(条件):描述Running状态Node的运行条件,目前只有一种条件—-Ready。Ready表示Node处于健康状态,可以接收从Master发来的创建Pod的指令。

  4. Node系统容量:描述Node可用的系统资源,包括CPU、内存数量、最大可调度Pod数量等。

  5. 其他:Node的其他信息,包括实例的内核版本号、Kubernetes版本号、Docker版本号、操作系统名称等。

Node的管理

Node通常是物理机、虚拟机或者云服务商提供的资源,并不是由Kubernetes创建的。我们说Kubernetes创建一个Node,仅仅表示Kubernetes在系统内部创建了一个Node对象,创建后即会对其进行一系列健康检查,包括是否可以连通、服务是否正确启动、是否可以创建Pod等。如果检查未能通过,则该Node将会在集群中被标记为不可用(Not Ready)。

使用Node Controller对Node进行管理

Node Controller是Kubernetes Master中的一个组件,用于管理Node对象。它的两个主要功能包括:集群范围内的Node信息同步,以及单个Node的生命周期管理。
Node信息同步可以通过kube-controller-manager的启动参数–node-sync-period设置同步的时间周期。

Node的自注册

当Kubelet的–register-node参数被设置为true(默认值即为true)时,Kubelet会向apiserver注册自己。这也是Kubernetes推荐的Node管理方式。

Kubelet进行自注册的启动参数如下:

  1. –apiservers=: apiserver地址;

  2. –kubeconfig=: 登录apiserver所需凭据/证书的目录;

  3. –cloud_provider=: 云服务商地址,用于获取自身的metadata;

  4. –register-node=: 设置为true表示自动注册到apiserver。

手动管理Node

Kubernetes集群管理员也可以手工创建和修改Node对象。当需要这样操作时,先要将Kubelet启动参数中的–register-node参数的值设置为false。这样,在Node上的Kubelet就不会把自己注册到apiserver中去了。

另外,Kubernetes提供了一种运行时加入或者隔离某些Node的方法。具体操作请参考第四章。

3.2 Pod  

Pod是Kubernetes的最基本操作单元,包含一个活多个紧密相关的容器,类似于豌豆荚的概念。一个Pod可以被一个容器化的环境看作应用层的“逻辑宿主机”(Logical Host)。一个Pod中的多个容器应用通常是紧耦合的。Pod在Node上被创建、启动或者销毁。

为什么Kubernetes使用Pod在容器之上再封装一层呢?一个很重要的原因是,Docker容器之间的通信受到Docker网络机制的限制。在Docker的世界中,一个容器需要link方式才能访问另一个容器提供的服务(端口)。大量容器之间的link将是一个非常繁重的工作。通过Pod的概念将多个容器组合在一个虚拟的“主机”内,可以实现容器之间仅需要通过Localhost就能相互通信了。

一个Pod中的应用容器共享同一组资源,如下所述:

  1. PID命名空间:Pod中的不同应用程序可以看到其他应用程序的进程ID;

  2. 网络命名空间:Pod中的多个容器能够访问同一个IP和端口范围;

  3. IPC命名空间:Pod中的多个容器能够使用SystemV IPC或者POSIX消息队列进行通信;

  4. UTS命名空间:Pod中的多个容器共享一个主机名;

  5. Volumes(共享存储卷):Pod中的各个容器可以访问在Pod级别定义的Volumes。

对Pod的定义

对Pod的定义通过Yaml或Json格式的配置文件来完成。下面的配置文件将定义一个名为redis-slave的Pod,其中kind为Pod。在spec中主要包含了Containers(容器)的定义,可以定义多个容器。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: redis-slave
labels:
name: redis-slave
spec:
containers:

    - name: slave      image: kubeguide/guestbook-redis-slave      env:      - name: GET_HOSTS_FROM        value: env      ports:      - containerPort: 6379

Pod的生命周期是通过Replication Controller来管理的。Pod的生命周期过程包括:通过模板进行定义,然后分配到一个Node上运行,在Pod所含容器运行结束后Pod也结束。在整个过程中,Pod处于一下4种状态之一:

  1. Pending:Pod定义正确,提交到Master,但其所包含的容器镜像还未完成创建。通常Master对Pod进行调度需要一些时间,之后Node对镜像进行下载也需要一些时间;

  2. Running:Pod已被分配到某个Node上,且其包含的所有容器镜像都已经创建完成,并成功运行起来;

  3. Succeeded:Pod中所有容器都成功结束,并且不会被重启,这是Pod的一种最终状态;

  4. Failed:Pod中所有容器都结束了,但至少一个容器是以失败状态结束的,这也是Pod的一种最终状态。

Kubernetes为Pod设计了一套独特的网络配置,包括:为每个Pod分配一个IP地址,使用Pod名作为容器间通信的主机名等。关于Kubernetes网络的设计原理将在第2章进行详细说明。

另外,不建议在Kubernetes的一个Pod内运行相同应用的多个实例。

3.3 Label(标签)  

Label是Kubernetes系统中的一个核心概念。Label以key/value键值对的形式附加到各种对象上,如Pod、Service、RC、Node等。Label定义了这些对象的可识别属性,用来对它们进行管理和选择。Label可以在创建时附加到对象上,也可以在对象创建后通过API进行管理。

在为对象定义好Label后,其他对象就可以使用Label Selector(选择器)来定义其作用的对象了。

Label Selector的定义由多个逗号分隔的条件组成。

“labels”: {
“key1”: “value1”,
“key2”: “value2”
}

当前有两种Label Selector:基于等式的(Equality-based)和基于集合的(Set-based),在使用时可以将多个Label进行组合来选择。

基于等式的Label Selector使用等式类的表达式来进行选择:

  1. name = redis-slave: 选择所有包含Label中key=”name”且value=”redis-slave”的对象;

  2. env != production: 选择所有包括Label中的key=”env”且value不等于”production”的对象。

基于集合的Label Selector使用集合操作的表达式来进行选择:

  1. name in (redis-master, redis-slave): 选择所有包含Label中的key=”name”且value=”redis-master”或”redis-slave”的对象;

  2. name not in (php-frontend): 选择所有包含Label中的key=”name”且value不等于”php-frontend”的对象。

在某些对象需要对另一些对象进行选择时,可以将多个Label Selector进行组合,使用逗号”,”进行分隔即可。基于等式的LabelSelector和基于集合的Label Selector可以任意组合。例如:

name=redis-slave,env!=production
name not in (php-frontend),env!=production

3.4 Replication Controller(RC)  

Replication Controller是Kubernetes系统中的核心概念,用于定义Pod副本的数量。在Master内,Controller Manager进程通过RC的定义来完成Pod的创建、监控、启停等操作。

根据Replication Controller的定义,Kubernetes能够确保在任意时刻都能运行用于指定的Pod“副本”(Replica)数量。如果有过多的Pod副本在运行,系统就会停掉一些Pod;如果运行的Pod副本数量太少,系统就会再启动一些Pod,总之,通过RC的定义,Kubernetes总是保证集群中运行着用户期望的副本数量。

同时,Kubernetes会对全部运行的Pod进行监控和管理,如果有需要(例如某个Pod停止运行),就会将Pod重启命令提交给Node上的某个程序来完成(如Kubelet或Docker)。

可以说,通过对Replication Controller的使用,Kubernetes实现了应用集群的高可用性,并大大减少了系统管理员在传统IT环境中需要完成的许多手工运维工作(如主机监控脚本、应用监控脚本、故障恢复脚本等)。

对Replication Controller的定义使用Yaml或Json格式的配置文件来完成。以redis-slave为例,在配置文件中通过spec.template定义Pod的属性(这部分定义与Pod的定义是一致的),设置spec.replicas=2来定义Pod副本的数量。

apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
name: redis-slave
labels: redis-slave
name: redis-slave
spec:
replicas: 2
selector:
name: redis-slave
template:
metadata:
labels:
name: redis-slave
spec:
container:

        - name: slave          image: kubeguide/guestbook-redis-slave          env:          - name: GET_HOSTS_FROM            value: env          ports:          - containerPort: 6379

通常,Kubernetes集群中不止一个Node,假设一个集群有3个Node,根据RC的定义,系统将可能在其中的两个Node上创建Pod。

3.5 Service(服务)  

在Kubernetes的世界里,虽然每个Pod都会被分配一个单独的IP地址,这个IP地址会随时Pod的销毁而消失。这就引出一个问题:如果有一组Pod组成一个集群来提供服务,那么如何来访问它们呢?

Kubernetes的Service(服务)就是用来解决这个问题的核心概念。

一个Service可以看作一组提供相同服务的Pod的对外访问接口。Service作用于哪些Pod是通过Label Selector来定义的。

对Service的定义

对Service的定义同样使用Yaml或Json格式的配置文件来完成。以redis-slave服务的定义为例:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: redis-slave
labels:
name: redis-slave
spec:
ports:

- port: 6379selector:    name: redis-slave

通过该定义,Kubernetes将会创建一个名为“redis-slave”的服务,并在6379端口上监听。spec.selector的定义表示该Service将包含所有具有”name=redis-slave”的Label的Pod。

在Pod正常启动后,系统将会根据Service的定义创建出与Pod对应的Endpoint(端点)对象,以建立起Service与后端Pod的对应关系。随着Pod的创建、销毁,Endpoint对象也将被更新。Endpoint对象主要有Pod的IP地址和容器所需监听的端口号组成。

Pod的IP地址和Service的Cluster IP地址

Pod的IP地址是Docker Daemon根据docker0网桥的IP地址段进行分配的,但Service的Cluster IP地址是Kubernetes系统中的虚拟IP地址,由系统动态分配。Service的Cluster IP地址相对于Pod的IP地址来说相对稳定,Service被创建时即被分配一个IP地址,在销毁该Service之前,这个IP地址都不会再变化了。而Pod在Kubernetes集群中生命周期较短,可能被ReplicationContrller销毁、再次创建,新创建的Pod将会分配一个新的IP地址。

外部访问Service

由于Service对象在Cluster IP Range池中分配到的IP只能在内部访问,所以其他Pod都可以无障碍地访问到它。到如果这个Service作为前端服务,准备为集群外的客户端提供服务,我们就需要给这个服务提供公共IP了。

Kubernetes支持两种对外提供服务的Service的type定义:NodePort和LoadBalancer。

NodePort

在定义Service时指定spec.type=NodePort,并指定spec.ports.nodePort的值,系统就会在Kubernetes集群中的每个Node上打开一个主机上的真实端口号。这样,能够访问Node的客户端都就能通过这个端口号访问到内部的Service了。

以php-frontend service的定义为例,nodePort=80,这样,在每一个启动了该php-frontend Pod的Node节点上,都会打开80端口。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: frontend
labels:
name: frontend
spec:
type: NodePort
ports:

- port: 80  nodePort: 30001selector:    name: frontend
LoadBalancer

如果云服务商支持外接负载均衡器,则可以通过spec.type=LoadBalaner定义Service,同时需要制定负载均衡器的IP地址。使用这种类型需要指定Service的nodePort和clusterIP。例如:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata: {
“kind” “Service”,
“apiVersion”: “v1”,
“metadata”: {
“name”: “my-service”
},
“spec”: {
“type”: “LoadBalaner”,
“clusterIP”: “10.0.171.239”,
“selector”: {
“app”: “MyApp”
},
“ports”: [
{
“protocol”: “TCP”,
“port”: 80,
“targetPort”: 9376,
“nodePort”: 30061
}
],
},
“status”: {
“loadBalancer”: {
“ingress”: [
{
“ip”: “146.148.47.155”
}
]
}
}
}

在这个例子中,status.loadBalancer.ingress.ip设置的146.146.47.155为云服务商提供的负载均衡器的IP地址。

之后,对该Service的访问请求将会通过LoadBalancer转发到后端Pod上去,负载分发的实现方式则依赖于云服务上提供的LoadBalancer的实现机制。

3.6 Volume(存储卷)  

Volume是Pod中能够被多个容器访问的共享目录。Kubernetes的Volume概念与Docker的Volume比较类似,但不完全相同。Kubernetes中的Volume与Pod生命周期相同,但与容器的生命周期不相关。当容器终止或者重启时,Volume中的数据也不会丢失。另外,Kubernetes支持多种类型的Volume,并且一个Pod可以同时使用任意多个Volume。
Kubernetes提供了非常丰富的Volume类型,下面逐一进行说明。

  1. EmptyDir:一个EmptyDir Volume是在Pod分配到Node时创建的。从它的名称就可以看出,它的初始内容为空。在同一个Pod中所有容器可以读和写EmptyDir中的相同文件。当Pod从Node上移除时,EmptyDir中的数据也会永久删除。

  2. hostPath:在Pod上挂载宿主机上的文件或目录。

  3. gcePersistentDisk:使用这种类型的Volume表示使用谷歌计算引擎(Google Compute Engine,GCE)上永久磁盘(Persistent Disk,PD)上的文件。与EmptyDir不同,PD上的内容会永久保存,当Pod被删除时,PD只是被卸载(Unmount),但不会被删除。需要注意的是,你需要先创建一个永久磁盘(PD)才能使用gcePersistentDisk。

  4. awsElasticBlockStore:与GCE类似,该类型的Volume使用Amazon提供的Amazon Web Service(AWS)的EBS Volume,并可以挂在到Pod中去。需要注意到是,需要首先创建一个EBS Volume才能使用awsElasticBlockStore。

  5. nfs:使用NFS(网络文件系统)提供的共享目录挂载到Pod中。在系统中需要一个运行中的NFS系统。

  6. iscsi:使用iSCSI存储设备上的目录挂载到Pod中。

  7. glusterfs:使用开源GlusterFS网络文件系统的目录挂载到Pod中。

  8. rbd:使用Linux块设备共享存储(Rados Block Device)挂载到Pod中。

  9. gitRepo:通过挂载一个空目录,并从GIT库clone一个git respository以供Pod使用。

  10. secret:一个secret volume用于为Pod提供加密的信息,你可以将定义在Kubernetes中的secret直接挂载为文件让Pod访问。secret volume是通过tmfs(内存文件系统)实现的,所以这种类型的volume总是不会持久化的。

  11. persistentVolumeClaim:从PV(PersistentVolume)中申请所需的空间,PV通常是一种网络存储,例如GCEPersistentDisk、AWSElasticBlockStore、NFS、iSCSI等。

3.7 Namespace(命名空间)  

Namespace(命名空间)是Kubernetes系统中的另一个非常重要的概念,通过将系统内部的对象“分配”到不同的Namespace中,形成逻辑上分组的不同项目、小组或用户组,便于不同的分组在共享使用整个集群的资源的同时还能被分别管理。
Kubernetes集群在启动后,会创建一个名为“default”的Namespace,通过Kubectl可以查看到。
使用Namespace来组织Kubernetes的各种对象,可以实现对用户的分组,即“多租户”管理。对不同的租户还可以进行单独的资源配额设置和管理,使得整个集群的资源配置非常灵活、方便。

3.8 Annotation(注解)  

Annotation与Label类似,也使用key/value键值对的形式进行定义。Label具有严格的命名规则,它定义的是Kubernetes对象的元数据(Metadata),并且用于Label Selector。Annotation则是用户任意定义的“附加”信息,以便于外部工具进行查找。
用Annotation来记录的信息包括:

  1. build信息、release信息、Docker镜像信息等,例如时间戳、release id号、PR号、镜像hash值、docker registry地址等;

  2. 日志库、监控库、分析库等资源库的地址信息;

  3. 程序调试工具信息,例如工具名称、版本号等;

  4. 团队的联系信息,例如电话号码、负责人名称、网址等。

3.9 小结  

上述这些组件是Kubernetes系统的核心组件,它们共同构成了Kubernetes系统的框架和计算模型。通过对它们进行灵活组合,用户就可以快速、方便地对容器集群进行配置、创建和管理。
除了以上核心组件,在Kubernetes系统中还有许多可供配置的资源对象,例如LimitRange、ResourceQuota。另外,一些系统内部使用的对象Binding、Event等请参考Kubernetes的API文档。

4
Kubernetes总体架构

Kubernetes集群由两类节点组成:Master和Node。在Master上运行etcd、API Server、Controller Manager和Scheduler四个组件,其中后三个组件构成了Kubernetes的总控中心,负责对集群中所有资源进行管理和调度。在每个Node上运行Kubelet、Proxy和Docker Daemon三个组件,负责对本节点上的Pod的生命周期进行管理,以及实现服务代理的功能。另外在所有节点上都可以运行Kubectl命令行工具,它提供了Kubernetes的集群管理工具集。

本文转载自http://www.jianshu.com/p/63ffc2214788

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