进击的K8S：Kubernetes基础概念

Kubernetes简介

Kubernetes简称K8S（因为k和s中间有8个字母），是一个开源的容器集群管理平台，基于Go语言编写。
使用K8S，将简化分布式系统上的容器应用部署，使得开发人员可以专注于业务软件，而非较为底层的负载均衡、服务监控等。因此，可以认为它是介于操作系统软件和应用软件之间的”中间件“。K8S具有强大的自动化机制，降低了系统后期的运维难度。
此外，K8S没有限定编程接口，无论Java、Go、C++还是Python编写的服务，都可以映射为K8S的Service。并且由于其对现有的语言、框架、中间件没有任何侵入性，使得服务易于迁移到K8S上。
本文力图使用通俗易懂的语言概括Kubernetes的一些概念。在阅读本文前，你至少需要对Linux、docker、容器、yaml/json等有所了解。
Kubernetes概貌认知

在遇到一项新技术时，笔者习惯于先搞清楚它“是什么“，为什么被发明出来，是如何使用和运作的。
为什么需要Kubernetes

如果读者对容器有所了解，并且有一定的使用经验，那么就很容易理解Kubernetes存在的理由。
容器是运行在物理机上的轻量化“虚拟机”，一般一个应用程序就会启用一个容器。由于各种原因，容器中的程序也许会出现错误，甚至容器和服务器本身会挂掉。在云数据中心有大量的服务器，每台服务器上可能运行着几十个乃至上百个容器，如果单纯靠运维人员去监视、操作每个容器，那肯定是不现实的。因此就需要更高一层的容器编排管理程序，来自动化地管理容器应用。
或许我们可以自己去搭建这个平台，不过Kubernetes的出现为我们省去了许多麻烦。有了Kubernetes，我们只需要安装和启动它的一组服务就可以了。开发或运维人员只需要编写一些yaml或json文件，指定集群的期望状态，然后在Terminal运行kubectl命令对集群进行操作，剩下的过程都由Kubernetes自动完成。这样，开发人员就可以专注于业务应用，而非与大量的服务器硬件和操作系统本身打交道，同时后期运维也变得非常简单。
Kubernetes的服务组成

通常至少需要启动以下的服务以构成完整的Kubernetes系统：

• etcd：数据库。平台内的各种数据、程序的状态在这里存储和交换。不过etcd并不是Kubernetes实现的，后者只是使用它作为平台的数据库。
  
• docker：Kubernetes管理的对象。准确来说管理的对象是容器，docker只是Kubernetes支持的容器运行时的其中一种。当然，它本身也不是Kubernetes实现的。
  
• kube-apiserver：各类资源的增、删、改、查、watch等操作的统一接口。
  
• kube-controller-manager：集群的管理控制中心，负责各类资源的管理。比如某个Node宕机时，controller-manager会发现故障并自动化修复，保证集群处在预期的工作状态。简单来说，它解决Pod数量和状态“对不对”的问题。
  
• kube-scheduler：负责POD的调度工作，负责将Controller Manager创建的Pod调度到具体的Node上。简单来说，它解决controller manager创建的Pod“去哪”的问题。
  
• kubelet：运行在Node上，管理下发到本节点的Pod本身及Pod中的容器。
  
• kube-proxy：Kubernetes集群内有大量的容器和服务，它们通过TCP相互通信，kube-proxy就负责解决通信的问题。
  

你可以通过Kubernetes官网的这张图来了解其整体结构：

Kubernetes关键概念

或许上一节的一些术语还让读者非常疑惑，现在我们一起来具体看看一些重要概念的意思。
集群和节点

一个集群就是数台运行着应用程序的服务器，每台服务器被称为一个节点，至少3个节点才可以称得上是一个集群。
节点可以是物理机，也可以是虚拟机（传统意义上的），只要能够运行docker和Kubernetes服务。
节点有2种：

• 主节点Master：是整个集群的管理中心。Master上运行的进程包括：
  
  
  
  • etcd
    
  • kube-apiserver
    
  • kube-controller-manager
    
  • kube-scheduler
    
  
  
• 工作节点Node：运行具体的工作负载（容器中的应用程序）。Node上运行的进程包括：
  
  
  
  • 容器运行时
    
  • kubelet
    
  • kube-proxy
    
  
  

Tip：此处有一个小的歧义，工作节点Node直译也是节点。“节点”一词到底是Node和Master的合称，还是单指Node，英文语境下似乎是后者，而中文里似乎比较模糊。笔者目前习惯于将Node和Master都称作”节点“，而将Node称作”工作节点“，这样指代比较明确。

Node可以在运行期间动态加入集群，默认情况下kubelet会向Mater注册自己。一旦加入集群，kubelet会定时向Mater节点汇报自身状态，以便Master进行管理调度。
如果某个Node超过指定时间没有上报信息，就会被Master判定为失联。该Node的状态将被标记为Not Ready，上面的负载会被转移。
对象

Kubernetes对象是Kubernetes系统中的持久实体。Kubernetes使用这些实体来表示集群的状态，包括：

• 哪些容器正在运行，运行在那些Node上
  
• 容器应用可用的资源
  
• 关于应用如何运行的策略
  

一旦创建了对象，Kubernetes会确保对象存在。通过创建对象，可以告诉Kubernetes系统你希望集群的目标状态是什么样的。
一般在yaml或json文件中定义对象，再通过Kubernetes API来使用（增删改查）。有两种方式来操作对象（即调用API），一是通过kubectl命令行工具调用，二是在编程语言中调用——目前官方提供了Go和Python的库。

Tip：对象不是一个进程或一组进程，指示对象存在的是一段信息的记录（通常是etcd中或文件中）。

Name和UID

所有对象都用Name和UID来明确标识。
Name就是对象的名称，通常一部分是由用户在对象定义文件中自定义的。那么另一部分是什么？
可以思考这样一个问题：以上面的Pod为例，假如有5个myweb应用的副本（这非常正常，短时间内很可能有多个用户访问一个网页），如何区分它们？笔者理解的是，Kubernetes创建Pod时会在Name中加上一段随机的字符，以区分不同的副本，如myweb-w3ec4，myweb-t9p84等（笔者随便写的，具体的机制还没有学习到，大概也是哈希之类）。这有点类似于git的版本号。
从上面也可以看出，一个Name在同一时间只能被一个对象拥有。如果对象被删除，可以使用相同的Name创建新的对象。
UID则完全是由Kubernetes生成的。在Kubernetes集群的整个生命周期内，每个对象都拥有不同的UID。也就是说，不仅同一时刻所有的对象UID都不同，而且即便某个对象被删除后重新创建，也会拥有不同的UID。
Pod

Pod可以说是Kubernetes中最重要的对象，它是Kubernetes中的最小部署单元。Pod通常由一组容器构成，包括一个根容器，和其他一些共同完成业务功能的容器。如下图所示：

为什么不以容器本身作为管理的单元，而是又抽象出Pod？原因主要有以下几点：

• 一项业务功能通常是由好几个应用程序共同完成的，需要作为一个整体。但单个业务容器异常不能代表业务整体挂掉，难以判断一项业务是否正常进行。抽象为Pod之后，用根容器的状态代表整个Pod的状态解决了这个问题。
  
• Pod内部通过共享根容器挂载的卷，简化了业务容器间的通信。
  
• Pod内部共享根容器的IP，简化了与Pod之间（不同业务之间）的通信。
  

Pod的两种类型

Pod信息存放的位置，实际上对应了Pod的两种类型：普通Pod，静态Pod。
普通Pod被创建后，其信息会被存放在etcd数据库中，然后会被调度到具体的Node上进行绑定，该Node中的kubelet将其实例化成一组容器。默认情况下，如果一个容器出现问题，Kubernetes检测到后将重启整个Pod——实际上是重启Pod中的所有容器。如果Node宕机，则将在其他Node重新生成新的完全一样的Pod代替它。
与此相反，静态Pod则比较特殊，其信息存放在某个具体的Node上的一个具体文件中，只在此Node运行，不会被转移。
Pod的资源限额

可以对Pod使用的计算资源做限额，包括CPU和Memory两种。
CPU限额的单位是千分之一个CPU核心，记作m。通常一个容器的配额有100300m，即0.10.3个CPU核心。Memory限额的单位是内存字节数。
对配额限定有两个参数：

• Requets：资源的最小申请量，系统必须满足要求。
  
• Limits：资源最大允许使用的量，超过它可能会kill该容器并重启。
  

Service

Service是Kubernetes中另一种重要的对象，它定义了一种访问实体资源（如Pod）的策略，或者说入口，这就是通常说的“微服务”。
考虑一个图片处理的后台应用，它有3个副本。这些副本是可以互相代替的，也就是访问谁的效果都是一样的，甚至可能挂掉重启。前端不应该也没必要关心到底调用哪个副本，Service定义的统一入口实现了前后端的解耦。
Pod的IP会随着Pod本身的销毁和创建发生变化。与此相反，每个Service创建时都会被分配一个全局唯一的虚拟IP地址，称为Cluster-IP。在Service的整个生命周期内，该Cluster-IP不会发生变化。客户端实际上访问的是Service，并且我们还希望客户端能够通过名称去访问。
“通过名称而不是地址去访问”，这句话让读者有何联想？没错，就是DNS。用Service的Name与Service的Cluster-IP做一个DNS域名映射，这就是Kubernetes的服务发现机制。

参考资料：
《Kubernetes权威指南》（龚正等著）
Kubernetes官网文档
Kubernetes中文文档

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