Kubernetes基本概念和术语

- 日理万妓 2021-10-15 20:31 448阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  Master
 *  Node
 *  Pod
 *  Label
 *  Replication Controller
 *  Deployment
 *  Horizontal Pod Autoscaler
 *  StatefulSet
 *  Service
 *  Job
 *  Volume
 *  Persistent Volume
 *  Namespace
 *  Annotation
 *  ConfigMap
 *  小结

整体架构图：  
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Kubernetes中的大部分概念如Node、Pod、Replication Controller、Service等都可以被看做一种资源对象，几乎所有资源对象都可以通过Kubernetes提供的kubectl工具（或者api编程调用）执行增删改查等操作并将其保存在etcd中持久化存储。从这个角度来看，Kubernetes其实是一个高度自动化的资源控制系统，他通过跟踪对比etcd库里保存的“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的高级功能。

# Master #

Kubernetes里的Master指的是集群控制节点，在每个Kubernetes集群里都需要有一个Master来控制整个集群的管理和控制，基本上Kubernetes的所有控制命令都发给它，它负责具体的执行过程，我们后面执行的所有命令基本都是在Master上运行的。Master通常会占据一个独立的服务器（高可用部署建议用3台服务器），主要原因是它太重要了，是整个集群的“首脑”，如果它宕机或者不可用，那么对集群内容器应用的管理都将失效。

在Master上运行着以下关键进行。

*  Kubernetes API Server（kube-apiserver）：提供了HTTP Rest接口的关键服务进程，是Kubernetes里所有资源的增删改查等操作的唯一入口，也是集群控制的入口进程。
 *  Kubernetes Controller Manager（kube-controller-manager）：Kubernetes里所有资源对象的自动化控制中心，可以将其理解为资源对象的“大总管”。
 *  Kubernetes Scheduler（kube-scheduler）：负责资源调度（Pod调度）的进程，相当于“调度室”。

另外，在Master上通常还需要不是etcd服务，因为Kuernetes里的所有资源对象的数据都被保存在etcd中。

# Node #

除了Master，Kubernetes集群中的其他机器被称为Node。与Master一样，Node可以是一台物理主机，也可以是一台虚拟机。Node是Kubernetes集群中的工作负载节点，每个Node都会被Mater分配一些工作负载（Docker 容器），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。

在每个Node上都运行着以下关键进程。

*  kubelet：负责Pod对应的容器的创建、启停等任务，同时与Master密切协作，实现集群管理的基本功能。
 *  kube-proxy：实现Kubernetes Service的通信与负载均衡机制的重要组件。
 *  Docker Engine（docker）：Docker引擎，负责本机的容器创建和管理工作。

Node可以在运行期间动态增加到Kubernetes集群中，在默认情况下kubenet会向Master注册自己，这也是Kubernetes推荐的Node管理方式。一旦Node被纳入集群管理范围，kubelet进程就会定时向Master汇报自身的情报，例如操作系统、Docker版本、机器的CPU和内存情况，以及当前有哪些Pod在运行等，这样Master就可以获知每个Node的资源使用情况，并实现高效均衡的资源调度策略。而某个Node在超过指定时间不上报信息时，会被Master判定为“失联”，Node的状态被标记为不可用（Not Ready），随后Master会触发“工作负载大转移”的自动流程。

可以通过`kubectl get nodes`查看在集群中有多少个Node。

可以通过`kubectl describe node <node_name>`查看某个Node的详细信息。

# Pod #

Pod是Kubernetes最重要的基本概念，如下图所示是Pod的组成示意图，我们看到每个Pod都有一个特殊的被称为“跟容器”的Pause容器。Pause容器对应的镜像属于Kubernetes平台的一部分，除了Pause容器，每个Pod还包含一个或多个紧密相关额用户业务容器。  
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为什么Kubernetes会设计出一个全新的Pod的概念并且Pod有这样特殊的组成结构？

*  原因之一：在一组容器作为一个单元的情况下，我们难以简单的对“整体”进行判断及有效的行动。比如，一个容器死亡了，此时算是整体死亡么？是N/M的死亡率么？引入业务无关并且不易死亡的Pause容器作为Pod的跟容器，以它的状态代表整个容器组的状态，就简单、巧妙地解决了整个难题。
 *  原因之二：Pod里的多个业务容器共享Pause容器的IP，共享Pause容器挂接的Volume，这样既简化了密切关联的业务容器之间的通信问题，也很高好的解决了他们之间的文件共享问题。

Kubernetes为每个Pod都分配了唯一的IP地址，称为Pod IP，一个Pod里的多个容器共享Pod IP地址。Kubernetes要求底层网络支持集群内任意两个Pod之间的TCP/IP直接通信，这通常采用虚拟二层网络技术来实现，例如Flannel、Open vSwitch等，因此我们需要牢记一点：在Kubernetes里，一个Pod里的容器与另外主机上的Pod容器能够直接通信。

Pod其实有两种类型：普通的Pod及静态Pod（Static Pod）。后者比较特殊，它并没被存放在Kubernetes的etcd存储里，而是被存放在某个具体的Node上的一个具体文件中，并且只在此Node上启动、运行。而普通的Pod一旦被创建，就会被放入etcd中存储，随后会被Kubernetes Master调度到某个具体的Node上并进行绑定（Binding），随后该Pod被对应的Node上的kubelet进程实例化成一组相关的Docker容器并启动。在默认情况下，当Pod里的某个容器停止时，Kubernetes会自动检测到这个问题并且重新启动这个Pod（重启Pod里的所有容器）。如果Pod所在的Node宕机，就会将这个Node上的所有Pod重新调度到其他节点上。

# Label #

Label（标签）是Kubernetes系统中另外一个核心概念。一个Label是一个key=value的键值对，其中key与value由用户自己指定。Label可以被附加到各种资源对象上，例如Node、Pod、Service、RC等，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上。Label通常在资源对象定义时确定，也可以在对象创建后动态添加或者删除。

我们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，以便灵活、方便地进行资源分配、调度、配置、部署等管理工作。

Label相当于我们熟悉的“标签”。给某个资源对象定义一个Label，就相当于给它打了一个标签，随后就可以通过Label Selector（标签选择器）查询和筛选拥有某些Label的资源对象，Kubernetes通过这种方式实现了类似SQL的简单又通用的对象查询机制。

Label Selector在Kubernetes中的重要使用场景如下：

*  kube-controller 进程通过在资源对象RC上定义的Label Selector来筛选要监控的Pod副本数量，使Pod副本数量始终符合预期设定的全自动控制流程。
 *  kube-proxy 进程通过Service的Label Selector来选择对应的Pod，自动建立每个Service到对应的Pod的请求转发路由表，从而实现Service的智能负载均衡机制。
 *  通过对某些Node定义特定的Label，并且在Pod定义文件中使用NodeSelector这种标签调度策略，kube-scheduler进程可以实现Pod定向调度的特性。

总之，使用Label可以给对象创建多组标签，Label和Label Selector共同构成了Kubernetes系统中核心的应用模型，使得被管理对象能够被精细的分组管理，同时实现了整个集群的高可用性。

# Replication Controller #

RC是Kubernetes系统中的核心概念之一，简单来说，它其实定义了一个期望的场景，即声明某种Pod的副本数量在任意时刻都符合某个预期值，所以RC的定义包括如下几个部分。

*  Pod期待的副本数量。
 *  用于筛选目标Pod的Label Selector。
 *  当Pod的副本数量小于预期数量时，用于创建新Pod的Pod模板（template）。

# Deployment #

Deployment是Kubernetes在1.2版本中引入的新概念，用于更好的解决Pod的编排问题。为此，Deployment在内部使用了Replica Set来实现目的，无论从Deployment的作用于目的、YAML定义，还是从它的具体命令行操作来看，我们都可以把它看做RC的一次升级，两者的相似度超过90%。

# Horizontal Pod Autoscaler #

Horizontal Pod Autoscaler（Pod横向自动扩容，HPA）与之前的RC、Deployment一样，也属于一种Kubernetes资源对象。通过追踪分析指定RC控制的所有目标Pod的负载变化情况，来确定是否需要有针对性地调整目标Pod的副本数量，这是HPA的实现原理。当前，HPA有以下两种方式作为Pod负载的度量指标。

*  CPUUtilizationPercentage，目标Pod所有副本自身的CPU利用率的平均值。
 *  应用程序自定义的度量指标，比如服务在每秒内的相应请求数量（TPS或QPS）。

# StatefulSet #

Kubernetes从1.4引入了PetSet这个新的资源独享，并且在1.5版本时更名为StatefulSet，StatefulSet从本质上来说，可以看做Deployment/RC的一个特殊变种，它有如下特性：

*  Statement里的每个Pod都有稳定、唯一的网络标识，可以用来发现集群内的其他成员。假设StatefulSet的名称为kafka，那么第一个Pod叫kafka-0，第二个叫kafka-1，以此类推。
 *  StatefulSet控制的Pod副本的启停顺序是受控的，操作第n个Pod时，前n-1个Pod已经是运行且准备好的状态。
 *  StatefulSet里的Pod采用稳定地持久化存储卷，通过PV或PVC来实现，删除Pod时默认不会删除与StatefulSet相关的存储卷（为了保证数据的安全）。

# Service #

Service服务也是Kubernetes里的核心资源对象之一，Kubernetes里的每个Service其实就是我们经常提起的微服务架构中的一个微服务，之前讲解的Pod、RC等资源对象其实就是为讲解Kubernetes Service做铺垫的。下图显示了Pod、RC、与Service的逻辑关系。  
![在这里插入图片描述][20190902154229527.png]

# Job #

批处理任务通常并行（或者串行）启动多个计算进程去处理一批工作项（work item），在处理完成后，整个批处理任务结束。从1.2版本开始，Kubernetes支持批处理类型的应用，我们可以通过Kubernetes Job这种新的资源对象定义并启动一个批处理任务Job。与RC、Deployment、ReplicaSet、DaemonSet类似，Job也控制一组Pod容器。从这个角度来看，Job也是一种特殊的Pod副本自动控制器。

# Volume #

Volume（存储卷）是Pod中能够被多个容器访问的共享目录。Kubernetes的Volume概念、用途和目的与Docker的Volume比较类似，但两者不能等价。首先，Kubernetes中的Volume被定义在Pod上，然后被一个Pod里的多个容器挂载到具体的文件目录下；其次，Kubernetes中的Volume与Pod的生命周期相同，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。最后，Kubernetes支持多种类型的Volume，例如GlusterFS、Ceph等先进的分布式文件系统。

Volume的使用也比较简单，在大多数情况下，我们先在Pod上声明一个Volume，然后在容器里引用该Volume并挂载（Mount）到容器里的某个目录下。

# Persistent Volume #

之前提到的Volume是被定义在Pod上的，属于计算资源的一部分，而实际上，网络存储是相对独立于计算资源而存在的一种实体资源。比如在使用虚拟机的情况下，我们通常会先定义一个网络存储，然后从中划出一个“网盘”并挂接到虚拟机上。

Persistent Volume（PV）和与之相关联的Persistent Volume Claim（PVC）也起到了类似的作用。

PV可以被理解成Kubernetes集群中的某个网络存储对应的一块存储，它与Volume类似，但是有以下区别：

*  PV只能是网络存储，不属于任何Node，但可以在每个Node上访问。
 *  PV并不是被定义在Pod上的，而是独立于Pod之外定义的。

# Namespace #

NameSpace（命名空间）是Kubernetes系统中的另一个非常重要的概念，Namespace在很多情况下用于实现多租户的资源隔离。Namespace通过将集群内部的资源对象“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 get namespaces`可以查看

如果不特定指定Namespace，则用户创建的Pod、RC、Service都将被系统创建到这个默认的名为default的Namespace中。

如果不加参数执行`kubectl get pods`仅显示属于default命名空间的资源对象。

可以在kubectl中加入–namespace来查看某个命名空间中的对象`kubectl get pods --namespace=development`。

# Annotation #

Annotation（注解）与Label类似，也使用key/value键值对的形式进行定义。不同的是Label具有严格的命名队则，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，以便于外部工具查找。在很多时候，Kubernetes的模块自身会通过Annotation标记资源对象的一些特殊信息。

通常来说，用Annotation来记录的信息如下：

*  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。
 *  日志库、监控库、分析库等资源库的地址信息。
 *  程序调试工具信息，如工具名称、版本号等。
 *  团队的联系信息，例如电话号码、负责人名称、网址等。

# ConfigMap #

我们知道，Docker通过将程序、依赖库、数据及配置文件“打包固化”到一个不变的镜像文件中的做法，解决了应用的部署难题，但这同时带来了棘手的问题，即配置文件中的参数在运行期如何修改的问题。我们不可能在启动Docker容器后再修改容器里的配置文件，然后用新的配置文件重启容器里的用户主进程。为了解决这个问题，Docker提供了两种方式：

*  在运行时通过容器的环境变量来传递参数；
 *  通过Docker Volume将容器外的配置文件映射到容器内。

这两种方式都有其优势和缺点，在大多数情况下，后一种方式更适合我们的系统，因为大多数应用通常从一个或多个配置文件中读取参数。但这种方式也有明显的缺陷：我们必须在目标主机上先创建好对应的配置文件，然后才能映射到容器里。

上述缺陷在分布式情况下变得更为严重，因为无论采用哪种方式，写入（修改）多台服务器上的某个指定文件，并确保这些文件保持一致，都是一个很难完成的目标。此外，在大多数情况下，我们都希望能集中管理系统的配置参数，而不是管理一堆配置文件。针对上述问题，Kubernetes给出了一个很巧妙的设计实现，如下所述。

首先，把所有的配置项都当做key-value字符串，当然value可以来自某个文本文件，比如配置项password=123456、user=root、host=192.168.8.4用于表示连接FTP服务器的配置参数。这些配置项可以作为Map表中的一个项，整个Map的数据可以被持久化存储在Kubernetes的Etcd数据库中，然后提供API以方便Kubernetes相关组件或客户应用CRUD操作这些数据，上述专门用来保存配置参数的Map就是Kubernetes ConfigMap资源对象。

接下来，Kubernetes提供了一种内建机制，将存储在etcd中的ConfigMap通过Volume映射的方式变成目标Pod内的配置文件，不管目标Pod被调度到哪台服务器上，都会完成自动映射。进一步的，如果ConfigMap中的key-value数据被修改，则映射到Pod中的“配置文件”也会随之自动更新。于是，Kubernetes ConfigMap就成了分布式系统中最为简单（使用方法简单，但背后实现比较复杂）且对应用无侵入的配置中心。

# 小结 #

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