K8s简介

落日映苍穹つ 2024-04-07 10:54 50阅读 0赞

### 1 简介 ###

kubernetes简称k8s。是⽤于⾃动部署，扩展和管理容器化应⽤程序的开源系统。

中⽂官⽹：https://kubernetes.io/zh/  
中⽂社区：https://www.kubernetes.org.cn/  
官⽅⽂档：https://kubernetes.io/zh/docs/home/  
社区⽂档：https://docs.kubernetes.org.cn/

Kubernetes 是⼀个可移植的、可扩展的开源平台，⽤于管理容器化的⼯作负载和服务（在k8s里部署的应用），可促进声明式配置和⾃动化（JSON格式）。 Kubernetes 拥有⼀个庞⼤且快速增⻓的⽣态系统。Kubernetes 的服务、⽀持和⼯具⼴泛可⽤。  
名称 Kubernetes 源于希腊语，意为“舵⼿”或“⻜⾏员”。Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项⽬。  
Kubernetes 建⽴在 Google 在⼤规模运⾏⽣产⼯作负载⽅⾯拥有⼗⼏年的经验 的基础上，结合了社区中最好的想法和实践。

### 2 K8s的部署和演化 ###

![在这里插入图片描述][b399118b1f9f4f12854fad8cec5781ad.png]

#### 传统部署时代： ####

早期，组织在物理服务器上运⾏应⽤程序。⽆法为物理服务器中的应⽤程序定义资源边界，这会导致资源分配问题。 例如，如果在物理服务器上运⾏多个应⽤程序，则可能会出现⼀个应⽤程序占⽤⼤部分资源的情况， 结果可能导致其他应⽤程序的性能下降。 ⼀种解决⽅案是在不同的物理服务器上运⾏每个应⽤程序，但是由于资源利⽤不⾜⽽⽆法扩展， 并且组织维护许多物理服务器的成本很⾼。

#### 虚拟化部署时代： ####

作为解决⽅案，引⼊了虚拟化。虚拟化技术允许你在单个物理服务器的 CPU 上运⾏多个虚拟机（VM）。 虚拟化允许应⽤程序在 VM 之间隔离，并提供⼀定程度的安全，因为⼀个应⽤程序的信息 不能被另⼀应⽤程序随意访问。  
虚拟化技术能够更好地利⽤物理服务器上的资源，并且因为可轻松地添加或更新应⽤程序，可以实现更好的实现可伸缩性，降低硬件成本等等。  
每个 VM 是⼀台完整的计算机，在虚拟化硬件之上运⾏所有组件，包括其⾃⼰的操作系统。

#### 容器部署时代： ####

容器类似于 VM，但是它们具有被放宽的隔离属性，可以在应⽤程序之间共享操作系统（OS）。 因此，容器被认为是轻量级的。容器与 VM 类似，具有⾃⼰的⽂件系统、CPU、内存、进程空间等。 由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和 OS 发⾏版本进⾏移植。  
容器因具有许多优势⽽变得流⾏起来。下⾯列出的是容器的⼀些好处：  
\*\*敏捷应⽤程序的创建和部署：\*\*与使⽤ VM 镜像相⽐，提⾼了容器镜像创建的简便性和效率。  
**持续开发、集成和部署**通过快速简单的回滚（由于镜像不可变性），⽀持可靠且频繁的 容器镜像构建和部署。  
**关注开发与运维的分离**在构建/发布时⽽不是在部署时创建应⽤程序容器镜像， 从⽽将应⽤程序与基础架构分离。  
**可观察性**不仅可以显示操作系统级别的信息和指标，还可以显示应⽤程序的运⾏状况和其他指标信号。  
**跨开发**测试和⽣产的环境⼀致性：在便携式计算机上与在云中相同地运⾏。  
**跨云和操作系统**发⾏版本的可移植性：可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地、 Google  
Kubernetes Engine 和其他任何地⽅运⾏。  
**以应⽤程序为中⼼的管理**：提⾼抽象级别，从在虚拟硬件上运⾏ OS 到使⽤逻辑资源在 OS 上运⾏  
应⽤程序。  
**松散耦合、分布式**、弹性、解放的微服务：应⽤程序被分解成较⼩的独⽴部分， 并且可以动态部署和管理 - ⽽不是在⼀台⼤型单机上整体运⾏。  
**资源隔离**：可预测的应⽤程序性能。  
**资源利⽤**：⾼效率和⾼密度。

### 3 K8s有哪些功能，可以做什么？ ###

在⽣产环境中，你需要管理运⾏应⽤程序的容器，并确保不会停机。 例如，如果⼀个容器发⽣故障，则需要启动另⼀个容器。如果系统处理此⾏为，会不会更容易？  
这就是 Kubernetes 来解决这些问题的⽅法！ Kubernetes 为你提供了⼀个可弹性运⾏分布式系统的框架。 Kubernetes 会满⾜你的扩展要求、故障转移、部署模式等。 例如，Kubernetes 可以轻松管理系统的 Canary 部署。  
**Kubernetes 为你提供：**  
**服务发现和负载均衡**  
Kubernetes 可以使⽤ DNS 名称或⾃⼰的 IP 地址公开容器，如果进⼊容器的流量很⼤，Kubernetes 可以负载均衡并分配⽹络流量，从⽽使部署稳定。

**存储编排**  
Kubernetes 允许你⾃动挂载你选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等。  
**⾃动部署和回滚**  
你可以使⽤ Kubernetes 描述已部署容器的所需状态，它可以以受控的速率将实际状态 更改为期望状态。例如，你可以⾃动化 Kubernetes 来为你的部署创建新容器， 删除现有容器并将它们的所有资源⽤于新容器。  
**⾃动完成装箱计算**  
Kubernetes 允许你指定每个容器所需 CPU 和内存（RAM）。 当容器指定了资源请求时，Kubernetes 可以做出更好的决策来管理容器的资源。  
**⾃我修复**  
Kubernetes 重新启动失败的容器、替换容器、杀死不响应⽤户定义的 运⾏状况检查的容器，并且在准备好服务之前不将其通告给客户端。  
**密钥与配置管理**  
Kubernetes 允许你存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 ssh 密钥。 你可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应⽤程序配置，也⽆需在堆栈配置中暴露密钥。

### 4 K8s 不是什么 ###

Kubernetes 不是传统的、包罗万象的 PaaS（平台即服务）系统。 由于 Kubernetes 在容器级别⽽不是在硬件级别运⾏，它提供了 PaaS 产品共有的⼀些普遍适⽤的功能， 例如部署、扩展、负载均衡、⽇志记录和监视。 但是，Kubernetes 不是单体系统，默认解决⽅案都是可选和可插拔的。 Kubernetes 提供了构建开发⼈员平台的基础，但是在重要的地⽅保留了⽤户的选择和灵活性。  
**Kubernetes：**

*  不限制⽀持的应⽤程序类型。 Kubernetes 旨在⽀持极其多种多样的⼯作负载，包括⽆状态、有状态和数据处理⼯作负载。  
    如果应⽤程序可以在容器中运⾏，那么它应该可以在 Kubernetes 上很好地运⾏。
 *  不部署源代码，也不构建你的应⽤程序。 持续集成(CI)、交付和部署（CI/CD）⼯作流取决于组织的⽂化和偏好以及技术要求。
 *  不提供应⽤程序级别的服务作为内置服务，例如中间件（例如，消息中间件）、 数据处理框架（例如，Spark）、数据库（例如，mysql）、缓存、集群存储系统 （例如，Ceph）。这样的组件可以在  
    Kubernetes 上运⾏，并且/或者可以由运⾏在 Kubernetes 上的应⽤程序通过可移植机制（例如， 开放服务代理）来访问。
 *  不要求⽇志记录、监视或警报解决⽅案。 它提供了⼀些集成作为概念证明，并提供了收集和导出指标的机制。
 *  不提供或不要求配置语⾔/系统（例如 jsonnet），它提供了声明性 API， 该声明性 API 可以由任意形式的声明性规范所构成。
 *  不提供也不采⽤任何全⾯的机器配置、维护、管理或⾃我修复系统。
 *  此外，Kubernetes 不仅仅是⼀个编排系统，实际上它消除了编排的需要。 编排的技术定义是执⾏已定义的⼯作流程：⾸先执⾏ A，然后执⾏ B，再执⾏ C。 相⽐之下，Kubernetes 包含⼀组独⽴的、可组合的控制过程， 这些过程连续地将当前状态驱动到所提供的所需状态。 如何从 A 到 C 的⽅式⽆关紧要，也不需要集中控制，这使得系统更易于使⽤ 且功能更强⼤、系统更健壮、更为弹性和可扩展。  
    ![在这里插入图片描述][81c33de8a6954a7b87c74e09762808ef.png]

### 5 架构 ###

#### 5.1 主从架构 ####

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![在这里插入图片描述][16a4a4b24d9e4415967616a13c8483a0.png]

#### 5.2 master节点 ####

![在这里插入图片描述][57087079bb804704b19dffbe49b5a0e0.png]

1.  kube-apiserver

API 服务器是 Kubernetes 控制⾯的组件， 该组件公开了 Kubernetes API。 API 服务器是 Kubernetes控制⾯的前端。  
Kubernetes API 服务器的主要实现是 kube-apiserver。 kube-apiserver 设计上考虑了⽔平伸缩，也就是说，它可通过部署多个实例进⾏伸缩。 你可以运⾏ kube-apiserver 的多个实例，并在这些实例之间平衡流量。

1.  etcd

etcd 是兼具⼀致性和⾼可⽤性的键值数据库，可以作为保存 Kubernetes 所有集群数据的后台数据库。  
您的 Kubernetes 集群的 etcd 数据库通常需要有个备份计划。  
要了解 etcd 更深层次的信息，请参考 etcd ⽂档。

1.  kube-scheduler

控制平⾯组件，负责监视新创建的、未指定运⾏节点（node）的 Pods，选择节点让 Pod 在上⾯运⾏。  
调度决策考虑的因素包括单个 Pod 和 Pod 集合的资源需求、硬件/软件/策略约束、亲和性和反亲和性规范、数据位置、⼯作负载间的⼲扰和最后时限。

1.  kube-controller-manager

在主节点上运⾏ 控制器 的组件。  
从逻辑上讲，每个控制器都是⼀个单独的进程， 但是为了降低复杂性，它们都被编译到同⼀个可执⾏⽂件，并在⼀个进程中运⾏。

这些控制器包括:  
节点控制器（Node Controller）: 负责在节点出现故障时进⾏通知和响应。  
副本控制器（Replication Controller）: 负责为系统中的每个副本控制器对象维护正确数量的Pod。  
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。

1.  cloud-controller-manager

云控制器管理器是指嵌⼊特定云的控制逻辑的 控制平⾯组件。 云控制器管理器允许您链接聚合到云提供商的应⽤编程接⼝中， 并分离出相互作⽤的组件与您的集群交互的组件。  
![在这里插入图片描述][a91cecb926164bbf80a5808c244933a3.png]

#### 5.3 Node 节点 ####

节点组件在每个节点上运⾏，维护运⾏的 Pod 并提供 Kubernetes 运⾏环境。  
![在这里插入图片描述][5de9966aa97c47fb9dbf0a652794dbb5.png]  
![在这里插入图片描述][8cbd5e06d4474b9f8a0aeb99b6dd4929.png]  
pod 之间互联是通过代理来进行的

#### 5.4 整体架构 ####

Kubetcl 发送命令给主节点，（进行一次部署），APIServer接收到命令以后，由scheduler调度给node节点运行这些部署。这其中产生的数据会存储在etcd里面以供读取，部署的时候一些产生的副本数量的管理，副本是由controller在master里面运行的controller完成的这些工作。  
然后node节点接收到部署的命令以后，由Kubnelet节点的代理对象负责把相应的pod里面。（Pod是K8s里面最小的一个部署单元，Pod里可以部署几个服务，我们可以把容器运行到Pod里面，由Pod来组织这一类容器，一个Pod里的容器由独立的IP）。外网会通过网络代理来访问我们的Pod（Pod里面的容器），最终访问到我们里边的服务。  
![在这里插入图片描述][6f3289f314e1454fbe6273737f55bcd5.png]  
Container：容器，可以视docker启动的⼀个容器  
Pod：  
k8s使⽤Pod来组织⼀组容器  
⼀个Pod中的所有容器共享同⼀⽹络  
Pod是K8s中的最⼩部署单元  
Volume  
声明在Pod容器中可以访问的⽂件⽬录  
可以被挂载在Pod中的⼀个或多个容器指定路径  
⽀持多种后端存储抽象（本地存储，分布式存储，云存储…)

![在这里插入图片描述][a3ff7da9040e4d489724c01d29bb86c5.png]

![在这里插入图片描述][9e7d28a9eb12493a88507921c875c315.png]  
Controller:更⾼层的对象，部署和管理Pod

> ReplicaSet：确保预期的Pod副本数量  
> Deplotment：⽆状态应⽤部署  
> StatefulSet：有状态应⽤部署  
> DaemonSet：确保所有的Node都运⾏⼀个指定的  
> Pod Job：⼀次性任务  
> Cronjob：定时任务

Deployment：

> 定义⼀组Pod的副本数⽬、版本等  
> 定义控制器(Controller)维持Pod数⽬（⾃动恢复失败的Pod）  
> 通过控制器⼀直盯的策略控制版本（滚动升级，回滚等）

![在这里插入图片描述][619043709f99466489d1ab78f710e5d9.png]  
Service：  
定义⼀组Pod的访问策略  
Pod的负载均衡，提供⼀个或者更多的Pod的稳定访问地址  
⽀持多种访问及⽅式(ClusterIP、NodePort、LoadBalance)

向外暴露，一个service下有两个pods，这就是service的负载均衡  
![在这里插入图片描述][978444e461fd4a4db7ae8b3528d848ef.png]  
Label：标签，⽤于对象资源的查询，筛选

![在这里插入图片描述][3ef42fba4e1d4001aced6eec91a6eac3.png]  
Namespace：命名空间，逻辑隔离  
⼀个集群内部的逻辑隔离机制（鉴权，资源）  
每个资源都属于⼀个namespace  
同⼀个namespace的所有资源名不能重复  
不同namespace可以资源名重复

![在这里插入图片描述][e19d52d0f73848388542e5c8cd11bc74.png]  
API：  
我们可以通过k8s的API来操作整个集群  
可以通过kubctl、ui、curl最终发送http+json/yaml⽅式请求提交给API Server，然后控制k8s集群，k8s⾥的所有的资源对象都可以采⽤yaml或者json格式的⽂件定义或者描述  
![在这里插入图片描述][78fe292ac8a644e2859972d7a6b23151.png]

#### 5.5流程描述 ####

1.  通过kubectl提交⼀个创建RC(Replication Controller)的请求，改请求通过APIServer被写⼊etcd中
2.  此时Controller Manager通过Api Server的监听资源变化的接⼝监听到此RC事件
3.  分析后，发现当前集群还没有他说对应的Pod实例
4.  于是根据RC⾥⾯Pod模板定义⽣成⼀个Pod对象，通过APIServer写⼊etcd
5.  此事件被Scheduler发现，他⽴即执⾏⼀个复杂的调度流程，为这个新的Pod选定⼀个落户的Node，然后通过APIServer将这⼀结果写⼊etcd中
6.  ⽬标Node上运⾏的Kubelet进程通过API Server检测到这个新⽣的 Pod，并按照他的定义，启动该Pod，然后负责此pod的⽣命周期的管理
7.  随后，我们通过Kubectl提交⼀个新的映射到该Pod的service的创建请求
8.  ControllerManager通过Label标签查询到关联的Pod实例，然后⽣成service的Endpoints信息，并通过APiServer写⼊到etcd中
9.  接下来，所有的Node上运⾏的Proxy进程通过ApiServer查询并监听service对象与其对应的Endpoints信息，建⽴⼀个软件⽅式的负载均衡器实现Service访问到后端Pod的流量转发功能

k8s⾥的所有的资源对象都可以采⽤yaml或者json格式的⽂件定义或描述  
![在这里插入图片描述][78a7093e2e1d4df6ad664502957dd9bf.png]  
6 快速体验  
（1）安装minikube  
https://github.com/kubernetes/minikube/releases  
下载minikuber-windows-amd64.exe 改名为minikube.exe  
打开virtualBox，打开cmd  
运⾏

minikube start --vm-driver=virtualbox --registry-mirror=https://registry.docker-cn.com

等待20分钟即可  
（2）体验nginx部署升级

1.  提交⼀个nginx deployment  
    kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/deployment.yaml
2.  升级 nginx deployment  
    kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/deployment-update.yaml
3.  扩容 nginx deployment

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