【k8s】核心概念

以你之姓@ 2024-03-26 04:12 94阅读 0赞

> 提示：总结k8s核心概念

`参考：kubernetes权威指南（纪念版）`

#### 文章目录 ####

*  一、k8s入门
 *   *  1.是什么？
     *  2.为什么要使用它？
     *  3.和docker的联系和区别
     *  4.简单环境准备和特别注意(stop firewalld)
 *  二、核心概念
 *   *  1.Master
     *  2.Node
     *  3.Pod
     *  4.Label
     *  5.Replication Controller
     *  6.Deployment
     *  7.Horizontal Pod Autoscaler
     *  8.StatefulSet
     *  9.Service
     *  10.Volume(存储卷)
     *  11.Persistent Volume
     *  12.Namespace
     *  13.Annotation
     *  14.ConfigMap
 *  二、核心概念
 *   *  1.kubectl工具
     *  2.Pod
     *  3.Service
 *  总结
 *  附录

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## 一、k8s入门 ##

### 1.是什么？ ###

首先k8s是基于容器技术的分布式架构方案，其次是完备的分布式系统支撑平台。  
Kubernetes具有完备的集群管理能力，包括多层次的安全防护和准入机制、多租户应用支撑能力、透明的服务注册和服务发现机制、内建智能负载均衡器、强大的故障发现和自我修复能力、服务滚动升级和在线扩容能力、可扩展的资源自动调度机制，以及多粒度的资源配额管理能力。  
同时，Kubernetes提供了完善的管理工具，这些工具涵盖了包括开发、部署测试、运维监控在内的各个环节。  
因此，Kubernetes是一个全新的基于容器技术的分布式架构解决方案，并且是一个一站式的完备的分布式系统开发和支撑平台。

### 2.为什么要使用它？ ###

首先是可以精简团队，负责业务的同事可以专心业务逻辑，简化运维。  
其次使用k8s便是在全面拥抱微服务架构，k8s从服务注册、发现、负载、健康、升级回滚、扩容缩容等提供了一整套基于容器的服务治理方案。  
基于其强大的横向扩展能力，可以轻松享受云服务带来的便利。

### 3.和docker的联系和区别 ###

1.  容器引擎使用docker（已支持其他容器）
2.  k8s中pod是由一个或多个容器构成
3.  k8s为容器编排技术，可以理解为基于容器的操作系统。
4.  想要理解k8s就必须先理解容器，理解镜像等概念。

### 4.简单环境准备和特别注意(stop firewalld) ###

(1) 关闭CentOS自带的防火墙服务：  
$ systemctl disable firewalld  
$ systemctl stop firewalld  
(2) 安装etcd和Kubernetes软件（会自动安装Docker软件）：  
$ yum install - y etcd kubernetes  
(3) 按顺序启动所有的服务：  
$ systemctl start etcd  
$ systemctl start docker  
$ systemctl start kube-apiserver  
$ systemctl start kube-controller-manager  
$ systemctl start kube-scheduler  
$ systemctl start kubelet  
$ systemctl start kube-proxy

以上步骤可以对k8s的几个进程有所掌握。

## 二、核心概念 ##

### 1.Master ###

1.  kubernetes-Api-server **管理和业务的唯一rest入口**
2.  kubernetes-controller manager **资源自动化控制中心**
3.  kubernetes-scheduler **负责资源（Pod）调度**

### 2.Node ###

1.  kubelet 与master协作，操作容器的生命周期,默认kubelet会向Master注册自己
2.  kube-proxy 主要实现service的通信和负载均衡
3.  docker engine 容器创建管理的基础

### 3.Pod ###

POD存在的原因和意义：

1.引入业务无关井且不易死亡的 **Pause 容器**作为 Pod 的根容器，以它的状态代表整个容器组的状态，解决容器组状态问题。  
2.容器组共享pause容器的ip和挂载的volume，pod内容器通信和文件共享问题。

Pod：容器组，kubernetes管理的基础单位。

Pod 其实有两种类型：普通的 Pod 及静态 Pod (Static Pod），后者比较特殊，它并不存放在Kubernetes 的 etcd 存储里，而是存放在某个具体的 Node 上的 一个具体文件中，并且只在此 Node上启动运行。

Kubernetes为每个Pod都分配了唯一的Ip地址，称之为Pod IP， 一个Pod里的多个容器共享Pod Ip地址。  
Pod 的IP加上这里的容器端口（containerPort），就组成了一个新的概念一－Endpoint，它代表着此 Pod 里的一个服务进程的对外通信地址。

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。

Event是一个事件的记录，记录了事件的最早产生时间、最后重现时间、重复次数、发起者、类型，以及导致此事件的原因等众多信息。

CPU 配额被定义为 100～300m，即占用 0.1 ～0.3 个 CPU。  
Memory 配额也是一个绝对值，它的单位是内存字节数 。64MiB

### 4.Label ###

Label Selector 在Kubernetes中的重要使用场景有以下几处：

1.  controller-manager进程通过RC中的标签选择器控制pod副本数量
2.  kube-proxy进程通过service的标签选择器控制自动建立转发路由表，实现负载均衡
3.  kube-scheduler进程，通过在node上定义的特殊标签，实现pod的定向调度特性

### 5.Replication Controller ###

### 6.Deployment ###

Deployment在内部使用了ReplicaSet来实现目的，无论从Deployment的作用与目的、它的Yaml定义，还是从它的具体命令行操作来看，我们都可以把它看作RC的一次升级，两者的相似度超过90%。

### 7.Horizontal Pod Autoscaler ###

HorizontalPodAutoscaler（HPA）

1.CPUUtilizationPercentage，当pod中容器cpu平均利用率达到request的80%后会自动扩容。  
2.应用程序自定义的度量指标，比如服务在每秒内的相应的请求数(TPS或QPS)。

### 8.StatefulSet ###

1.  StatefulSet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的名字叫kafka,，那么第l个Pod叫kafka-0，第2个叫 kafka-1 ，以此类推。
2.  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 己经是运行且准备好的状态 。
3.  StatefulSet里的 Pod 采用稳定的持久化存储卷，通过 PV/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） 。

### 9.Service ###

Pod 的 Endpoint 地址会随着 Pod 的销毁和重新创建而发生改变，因为新 Pod 的IP 地址与之前旧 Pod 的不同 。 而 Service 一旦被创建，Kubernetes就会自动为它分配一个可用的Cluster IP，而且在 Service 的整个生命周期 内，它的 Cluster IP 不会发生改变。

Kubernetes 通过 Add-On 增值包的方式引入了 DNS 系统，把服务名作为 DNS 域名，这样一来， 程序就可以直接使用服务名来建立通信连接了。

核心概念：NodeIp - PodIp - ClusterIp

1.  NodeIp: ifconfig主机物理地址
2.  PodIp: kubectl get pods -A -owide | grep xxx 或者 kubectl -n xxx-ns get endpoints | grep xxx  
    Docker Engine 根据 dockerO 网桥的IP地址段进行分配的，通常是一个虚拟的二层网络,Kubernetes 要求位于不同 Node 上的Pod 能够彼此直接通信，就是通过 Pod Ip 所在的虚拟二层网络进行通信的，而真实的 TCP/IP 流量则是通过 Node Ip 所在的物理网卡流出的 。
3.  ClusterIp: kubectl get svc -A | grep xxx 或者 kubectl -n xxx-ns get svc xxx -o yaml  
    Cluster Ip无法被 Ping ， 因为没有一个“实体网络对象”来响应 。  
    Cluster Ip只能结合 Service Port 组成一个具体的通信端口，单独的 ClusterIp不具备TCP/IP通信的基础。  
    Service 的 Cluster IP 属于 Kubernetes 集群内部的地址，无法在集群外部直接使用这个地址，需要：kubectl -n xxx-ns edit svc xxx修改spec.type的值从ClusterIP修改为NodePort。  
    NodePort 的实现方式是在 Kubernetes 集群里的每个Node上为需要外部访问的 Service 开启一个对应的 TCP 监听端口。  
    但是目前需要在公有云上才可以实现负载均衡。

### 10.Volume(存储卷) ###

volumes： 定义volume
    	volumeMounts： 将定义的volume挂载到容器某个目录

kubernetes的volume是定义在pod上，被pod内的多个容器挂载在不同的目录，其生命周期和pod一致，与容器无关。  
Kubernetes 的 Volume 还扩展出了一种非常有实用价值的功能，即容器配置文件集中化定义与管理，这是通过ConfigMap这个新的资源对象来实现的。

### 11.Persistent Volume ###

Persistent Volume（PV）
    	Persistent Volume Claim（PVC）
    	
    	PV 可以理解成 Kubernetes 集群中 的某个网络存储中对应的一块存储，它与 Volume 很类似，
    	但有以下区别。
    	1. PV 只能是网络存储，不属于任何 Node ，但可以在每个 Node 上访 问 。
    	2. PV 并不是定义在 Pod 上的 ，而是独立于 Pod 之外定义。
    	比较重要的是 PY 的 accessModes 属性，目前有以下类型 。
    	ReadWriteOnce ： 读写权限、并且只能被单个Node挂载 。
    	ReadOnlyMany ： 只读权限、允许被多个Node挂载 。
    	ReadWriteMany ： 读写权限 、允许被多个Node挂载 。

### 12.Namespace ###

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。

### 13.Annotation ###

与Label类似，也使用key/value键值对的形式进行定义。不同的是Label具有严格的命名规则，它定义的是Kubernetes对象的元数据(metadata)，用于labelSelector。而annotation则是用于任意定义的附加信息，用于外部工具的查找。

### 14.ConfigMap ###

ConfigMap供容器使用的典型用法如下:
    	(1)生成为容器内的环境变量。
    	(2)设置容器启动命令的启动参数（需设置为环境变量）。
    	(3)以Volume的形式挂载为容器内部的文件或目录。
    
    	使用 ConfigMap 的限制条件如下。
    	1. ConfigMap 必须在 Pod 之前创建 。
    	2. ConfigMap 受 Namespace 限制，只有处于相同 Namespaces 中的 Pod 可以引用它 。
    	3. ConfigMap 中的配额管理还未能实现 。
    	4. kubelet 只支持可以被 API Server 管理的 Pod 使用 ConfigMap 。 kubelet 在本 Node 上通
    	过－－manifest-url或--config 自动创建的静态 Pod 将无法引用 ConfigMap 。
    	5. 在 Pod 对 ConfigMap 进行挂载（ volumeMount ）操作时，容器内部只能挂载为“目录”，无法挂载为“文件”

## 二、核心概念 ##

### 1.kubectl工具 ###

**kubectl命令行的语法如下:**  
$ kubectl \[command) \[TYPE) \[NAME) \[flags)  
其中，command、TYPE、NAME、flags的含义如下。  
(1)command：子命令，用于操作Kubernetes集群资源对象的命令，例如create、delete、describe、get、apply等。  
(2)TYPE：资源对象的类型，区分大小写，能以单数形式、复数形式或者简写形式表示。  
例如以下3种TYPE是等价的。  
$ kubectl get pod pod1  
$ kubectl get pods pod1  
$ kubectl get po pod1  
(3)NAME：资源对象的名称，区分大小写。如果不指定名称，则系统将返回属于TYPE的全部对象的列表，例如$kubectl get pods将返回所有Pod的列表。  
(4)flags:kubectl子命令的可选参数，例如使用"-s"指定apiserver的URL地址而不用默认值。

**常用的输出格式示例如下:**  
(1)显示Pod的更多信息：  
$ kubectl get pod -o wide  
(2)以yaml格式显示Pod的详细信息 ：  
$ kubectl get pod -o yaml  
(3)以自定义列名显示Pod的信息：  
$ kubectl get pod -o=custom-columns=NAME:.metadata.name,RSRC:.metadata.resourceVersion  
(4)基于文件的自定义列名输出：  
$ kubectl get pods -o=custom-columns-file=template.txt

### 2.Pod ###

![在这里插入图片描述][678a20d87e1f4c7baa09003d7dc3eb56.png]

Pod的重启策略与控制方式息息相关，当前可用于管理Pod的控制器包括ReplicationController 、 Job 、 DaemonSet 及直接通过 kubelet 管理（静态Pod） 。每种控制器对 Pod的重启策略要求如下。  
1. RC 和 Daemon Set：必须设置为 Always ，需要保证该容器持续运行。  
2. Job: OnFailure 或 Never，确保容器执行完成后不再重启。  
3. kubelet ： 在 Pod 失效时自动重启它，不论将 RestartPolicy设置为什么值，也不会对Pod进行健康检查。

Pod的健康检查：

1.  LivenessProbe，判断容器是否存活（running），如果判断该容器不健康，则会kill该容器，根据重启策略处理。  
    ExecAction：在容器内部执行一个命令，如果该命令的返回码为0，则表明容器健康。  
    TCPSocketAction：通过容器的IP地址和端口号执行TCP检查，如果能够建立TCP连接，则表明容器健康。  
    HTTPGetAction：通过容器的IP地址、端口号及路径调用HTTP Get方法，如果响应的状态码大于等于200且小于400，则认为容器状态健康。  
    initialDelaySeconds和timeoutSeconds两个参数单位为s，表示容器启动后检测的等待时间和超时时间。
2.  ReadinessProbe，判断容器是否启动完成（ready），可以接收外部请求。EndpointController将从Service的Endpoint中删除包含该容器所在Pod的Endpoint。

亲和性调度功能包括节点亲和性（NodeAffinity）和Pod亲和性（PodAffinity）两个维度的设置。  
(具体的配置忽略)

Init Container （初始化容器）  
在很多应用场景中，应用在启动之前都需要进行如下初始化操作。  
1. 等待其他关联组件正确运行（例如数据库或某个后台服务〉。  
2. 基于环境变量或配置模板生成配置文件。  
3. 从远程数据库获取本地所需配置，或者将自身注册到某个中央数据库中。  
4. 下载相关依赖包，或者对系统进行一些预配置操作。  
通过initContainers配置进行声明。

滚动升级：  
Deployment是如何完成Pod更新的呢 ？  
我们可以使用kubectl describe deployments/nginx-deployment命令仔细观察Deployment的更  
新过程。初始创建Deployment时，系统创建了一个ReplicaSet(nginx-deployment-4087004473),  
井按用户的需求创建了3个Pod副本。当更新Deployment时，系统创建了一个新的ReplicaSet  
(nginx-deployment-3599678771），并将其副本数扩展到l，然后将旧的ReplicaSet缩减为2。之  
后，系统继续按照相同的更新策略对新旧两个ReplicaSet进行逐个调整。最后，新的ReplicaSet  
运行了3个新版本Pod副本，旧的ReplicaSet副本数则缩减为0。

**多重更新**（ Rollover）的情况下，下一次更新时候会将上一次创建的pod全部清理掉。  
更新镜像：  
kubectl -n maipu-bdwan edit deployments.apps xxx  
查看之前的升级版本：  
\[root@aaa xxx\]\# kubectl -n maipu-bdwan rollout history deployment/xxx  
deployment.apps/xxx  
REVISION CHANGE-CAUSE  
1

**通过 kubectl rollout pause 命令暂停 Deployment 的更新操作：**  
$ kubectl rollout pause deployment/nginx-deployment  
恢复这个 Deployment 的部署操作 ：  
$ kubectl rollout resume deploy nginx-deployment  
查看 Deployment 的事件信息 ，可以看到 Deployment 完成了更新 ：  
\# kubectl describe deployment/nginx-deployment

Pod 的扩容和缩容  
手动:kubectl scale deployment nginx - dep l oyment – replicas 5  
自动:Horizontal Pod Autoscaler ( HPA ） 的控制器，用于实现基于CPU使用率进行自动Pod扩容和缩容的功能。  
kubectl aut。scale depl。yment php-apache --min=l --max=lO --cpu-percent=SO  
或者：通过yaml创建HPA，设置minReplicas、maxReplicas和targetCPUUtilizationPercentage参数

### 3.Service ###

Service是Kubemetes最核心的概念，通过创建Service，可以为一组具有相同功能的容器应  
用提供一个统一的入口地址，井且将请求负载分发到后端的各个容器应用上。  
重点：Service的负载均衡、外网访问、DNS服务的搭建、Ingress7层路由机制等 。

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## 总结 ##

在学习k8s前需要对容器、镜像等概念比较清楚，因为k8s是基于容器的分布式，同时很多kubectl命令实际上和docker的命令是如出一辙的。然后对k8s的基础组件有所掌握，比如Master包括spi-server、controller-manage,scheduler，Node中主要包含进程kubelet和kube-proxy进程，在理解这几个组件是如何配合的。其次需要理解Pod、Service、Deployment等核心概念，理清NodeIp、PodIp、ClusterIp三个ip的概念以及endpoint。

## 附录 ##

kubectl可操作的资源类型一览表：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>序号</th> 
   <th>资源类型</th> 
   <th>缩写</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>clusters</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>componentstatuses</td> 
   <td>CS</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td><strong>configmaps</strong></td> 
   <td>cm</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4</td> 
   <td>daemonsets</td> 
   <td>ds</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5</td> 
   <td><strong>deployments</strong></td> 
   <td>deploy</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>6</td> 
   <td><strong>endpoints</strong></td> 
   <td>ep</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>7</td> 
   <td><strong>events</strong></td> 
   <td>ev</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>8</td> 
   <td>horizontalpodautoscalers</td> 
   <td>hpa</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>9</td> 
   <td>ingresses</td> 
   <td>ing</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>10</td> 
   <td>Jobs</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>11</td> 
   <td>limitranges</td> 
   <td>limits</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>12</td> 
   <td>nodes</td> 
   <td>no</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>13</td> 
   <td>namespaces</td> 
   <td>ns</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>14</td> 
   <td>networkpolicies</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>15</td> 
   <td>nodes</td> 
   <td>no</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16</td> 
   <td>statefulsets</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>17</td> 
   <td>persistentvolumeclaims</td> 
   <td>pvc</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>18</td> 
   <td>persistentvolumes</td> 
   <td>pv</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>19</td> 
   <td>pods</td> 
   <td>po</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>20</td> 
   <td>podsecuritypolicies</td> 
   <td>psp</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>21</td> 
   <td>podtemplates</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>22</td> 
   <td>replicasets</td> 
   <td>rs</td> 
   <td>升级版RC，支持基于集合的标签选择</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>23</td> 
   <td>replicationcontrollers</td> 
   <td>rc</td> 
   <td>RC将逐渐被RS和Deployment所取代</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>24</td> 
   <td>resourcequotas</td> 
   <td>quota</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>25</td> 
   <td>cronjob</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>26</td> 
   <td>secrets</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>27</td> 
   <td>serviceaccounts</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>28</td> 
   <td><strong>services</strong></td> 
   <td>svc</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>29</td> 
   <td>storageclasses</td> 
   <td>sc</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>30</td> 
   <td>thirdpartyresources</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[678a20d87e1f4c7baa09003d7dc3eb56.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/0724a50cd99248a9bb85ca8764a2f987.png