Kubernetes的主要组件概述

淡淡的烟草味﹌ 2022-06-03 02:47 193阅读 0赞

# 概述 #

本文试图用简单的语言描述Kubernetes主要组件的作用及其关系。这里我讲解的Kubernetes主要组件有API Server、Controller Manager、Scheduler、kubelet、kube-proxy，其中前三者运行于集群的Master节点，后两者运行于集群的Slave节点。接着描述了一下用于存储Kubernetes集群信息的Etcd，它是一个高可用、强一致性的服务发现存储仓库。最后，我抛出了一个我所遇到的一个问题。大家可以一同思考一下问题出在了哪里。

# API Server #

Kubernetes API Server通过kube-apiserver进程提供服务，该进程运行于Master节点上。

API Server是Kubernetes的核心组件，是各个组件通信的渠道，有如下特性：

#### 1.集群管理的API入口 ####

我们如果要创建一个资源对象如Deployment、Service、RC、ConfigMap等，都是要通过API Server的。

当然，我们可能是通过命令行的kubectl命令将一个yaml/json格式的文件create进行创建，还可能是通过写代码的方式使用如client-go这样的操作Kubernetes的第三方包来操作集群。总之，最终，都是通过API Server对集群进行操作的。通过API Server，我们就可以往Etcd中写入数据。Etcd中存储着集群的各种数据。  
![这里写图片描述][SouthEast]

#### 2.资源配额控制的入口 ####

Kubernetes可以从各个层级对资源进行配额控制。如容器的CPU使用量、Pod的CPU使用量、namespace的资源数量等。这也是通过API Server进行配置的。将这些资源配额情况写入到Etcd中。

#### 3.提供了完备的集群安全机制 ####

# Controller Manager #

#### Replication Controller ####

副本控制器。用来保证Deployment或者RC中副本的数量的。

#### Node Controller ####

通过API Server监控Etcd中存储的关于节点的各类信息，这些信息是kubelet定时推给API Server的，由API Server写入到Etcd中。这些节点信息包括：节点健康状况、节点资源、节点名称、节点地址信息、操作系统版本、Docker版本、kubelet版本等。监控到节点信息若有异常情况，则会对节点进行某种操作，如节点状态变为故障状态，则删除节点与节点相关的Pod等资源的信息。  
![这里写图片描述][SouthEast 1]

#### ResourceQuota Controller ####

将期望的资源配额信息通过API Server写入到Etcd中。然后ResourceQuota Controller会定时的统计这些信息，在系统请求资源的时候就会读取这些统计信息，如果不合法就不给分配该资源，则创建行为会报错。  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

#### Namespace Controller ####

用户是可以通过API Server创建新的namespace并保存在Etcd中的。Namespace Controller会定时通过API Server读取这些Namespace信息并做对应的对于Namespace的一些操作。

#### Endpoints Controller ####

负责生成和维护所有Endpoints对象的控制器。Endpoints表示了一个Service对应的所有Pod副本的访问地址。

一个Service可能对应了多个Endpoints，那么，在创建一个新的Service时Endpoints Controller就会生成对应的Endpoints。在Service被删除时，Endpoints Controller就会删除对应的Endpoints。等等。

# Scheduler #

Kubernetes的调度器。Scheduler监听API Server，当需要创建新的Pod时。Scheduler负责选择该Pod与哪个Node进行绑定。将此绑定信息通过API Server写入到Etcd中。

若此时与Node A进行了绑定，那么A上的Kubelet就会从API Server上监听到此事件，那么该Kubelet就会做相应的创建工作。

此调度涉及到三个对象，待调度的Pod，可用的Node，调度算法。简单的说，就是使用某种调度算法为待调度的Pod找到合适的运行此Pod的Node。  
![这里写图片描述][SouthEast 3]  
关于Kubernetes Scheduler的调度算法，我会再另写一篇文章。

# Kubelet #

每个Node节点上都会有一个Kubelet负责Master下发到该节点的具体任务，管理该节点上的Pod和容器。而且会在创建之初向API Server注册自身的信息，定时汇报节点的信息。它还通过cAdvisor监控容器和节点资源。

#### 节点管理 ####

Kubelet在创建之初就会向API Server做自注册，然后会定时报告节点的信息给API Server写入到Etcd中。默认为10秒。

#### Pod管理 ####

Kubelet会监听API Server，如果发现对Pod有什么操作，它就会作出相应的动作。例如发现有Pod与本Node进行了绑定。那么Kubelet就会创建相应的Pod且调用Docker Client下载image并运行container。

#### 容器健康检查 ####

有三种方式对容器做健康检查：  
1.在容器内部运行一个命令，如果该命令的退出状态码为0，则表明容器健康。  
2.TCP检查。  
3.HTTP检查。

#### cAdvisor资源监控 ####

Kubelet通过cAdvisor对该节点的各类资源进行监控。如果集群需要这些监控到的资源信息，可以安装一个组件Heapster。

Heapster会进行集群级别的监控，它会通过Kubelet获取到所有节点的各种资源信息，然后通过带着关联标签的Pod分组这些信息。

如果再配合InfluxDB与Grafana，那么就成为一个完整的集群监控系统了。

# Kube-proxy #

负责接收并转发请求。Kube-proxy的核心功能是将到Service的访问请求转发到后台的某个具体的Pod。

无论是通过ClusterIP+Port的方式还是NodeIP+NodePort的方式访问Service，最终都会被节点的Iptables规则重定向到Kube-proxy监听服务代理端口，该代理端口实际上就是SocketServer在本地随机打开的一个端口，SocketServer是Kube-proxy为每一个服务都会创建的“服务代理对象”的一部分。

当Kube-proxy监听到Service的访问请求后，它会找到最适合的Endpoints，然后将请求转发过去。具体的路由选择依据Round Robin算法及Service的Session会话保持这两个特性。

# Etcd #

Etcd一种k-v存储仓库，可用于服务发现程序。在Kubernetes中就是用Etcd来存储各种k-v对象的。

所以我也认为Etcd是Kubernetes的一个重要组件。当我们无论是创建Deployment也好，还是创建Service也好，各种资源对象信息都是写在Etcd中了。

各个组件是通过API Server进行交流的，然而数据的来源是Etcd。所以维持Etcd的高可用是至关重要的。如果Etcd坏了，任何程序也无法正常运行了。

以下是我的环境中的Etcd集群  
![这里写图片描述][SouthEast 4]  
通过以下命令我们就可以看到该集群中yce这个namespace下的pod有哪些，此为目录，列出的都是键值  
![这里写图片描述][SouthEast 5]  
接下来，我们就可以查看某一个具体键值的value值  
![这里写图片描述][SouthEast 6]  
可以看到这个value值是一个Json格式的文件。

# 一个问题 #

我做了一个实验，如果从Etcd中直接改yce这个deployment的Json值，从replicas的值从1改到3，发现deployment的desired值发生了变化，但是current值并没有变化，也就是说，Pod的数量并没有因为Etc中的值的改变而改变。难道是因为Replicas Controller没有监控到Etcd中的此变化？  
![这里写图片描述][SouthEast 7]  
![这里写图片描述][SouthEast 8]  
![这里写图片描述][SouthEast 9]  
![这里写图片描述][SouthEast 10]  
如上所示，更改了Etcd中deployment的replicas的值之后，可以用kubectl edit看到该deployment的replicas值确实发生了变化。但是deployment的current值却并无变化。

若是用kubectl edit更改deployment的replicas值就会发现deployment的current值是会发生变化的。请大家思考一下这是为什么。

# 总结 #

Kubernetes的这些组件各自分别有着重要的功能。它们之间协同工作，共同保证了Kubernetes对于容器化应用的自动管理。

其中API Server起着桥梁的作用，各个组件都要通过它进行交互。Controller Manager像是集群的大管家，管理着许多事务。Scheduler就像是一个调度亭，负责Pod的调度工作。

Kubelet则在每个节点上都有，像是一个执行者，真正创建、修改、销毁Pod的工作都是由它来具体执行。Kube-proxy像是负载均衡器，在外界需要对Pod进行访问时它作为代理进行路由工作，将具体的访问分给某一具体的Pod实例。

Etcd则是Kubernetes的数据中心，用来存储Kubernetes创建的各类资源对象信息。

这些组件缺一不可，无论少了哪一个Kubernetes都不能进行正常的工作。这里大概讲了下各组件的功能，感兴趣的可以分析Kubernetes的源码，github中就有。

[SouthEast]: /images/20220603/6afb4440724643e6add3813edb1e1342.png
[SouthEast 1]: /images/20220603/5fa944b5858f4419a5edd1c28d6522e9.png
[SouthEast 2]: /images/20220603/0655cefd5d6a4972bb3175624ddc8e10.png
[SouthEast 3]: /images/20220603/2a203435588c43b4a3e51171a12ca381.png
[SouthEast 4]: /images/20220603/e4927cc3dbe144a6a8a4090e7ba886e3.png
[SouthEast 5]: /images/20220603/9a13c112d3ee45eca0fb6163199c43ca.png
[SouthEast 6]: /images/20220603/f7defd0f71a945168e238913e8bf7565.png
[SouthEast 7]: /images/20220603/603baae4c71945fab5b8947dbe85646a.png
[SouthEast 8]: /images/20220603/b54e18dca4f642d08c9f2479cd3d36c3.png
[SouthEast 9]: /images/20220603/a40bf15e5dc948f9ae6acc7bcbf7bd6f.png
[SouthEast 10]: /images/20220603/50b7db14b1c74a86b8aafd3cf331d911.png