史上最全Kubernetes资料集萃!菜鸟变高手这一篇就够了

一、Kubernetes 介绍

Kubernetes是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案, 它是Google在2014年6月开源的一个容器集群管理系统,使用Go语言开发,Kubernetes也叫K8S。K8S是Google内部一个叫Borg的容器集群管理系统衍生出来的,Borg已经在Google大规模生产运行十年之久。K8S主要用于自动化部署、扩展和管理容器应用,提供了资源调度、部署管理、服务发现、扩容缩容、监控等一整套功能。2015年7月,Kubernetes v1.0正式发布,截止到2020年5月27日最新稳定版本是v1.18。Kubernetes目标是让部署容器化应用简单高效。

Kubernetes最初源于谷歌内部的Borg,提供了面向应用的容器集群部署和管理系统。Kubernetes 的目标旨在消除编排物理/虚拟计算,网络和存储基础设施的负担,并使应用程序运营商和开发人员完全将重点放在以容器为中心的原语上进行自助运营。Kubernetes 也提供稳定、兼容的基础(平台),用于构建定制化的workflows 和更高级的自动化任务。

Kubernetes 具备完善的集群管理能力,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、内建负载均衡器、故障发现和自我修复能力、服务滚动升级和在线扩容、可扩展的资源自动调度机制、多粒度的资源配额管理能力。Kubernetes 还提供完善的管理工具,涵盖开发、部署测试、运维监控等各个环节。

二、Kubernetes主要功能

Kubernetes是docker容器用来编排和管理的工具,它是基于Docker构建一个容器的调度服务,提供资源调度、均衡容灾、服务注册、动态扩缩容等功能套件。Kubernetes提供应用部署、维护、 扩展机制等功能,利用Kubernetes能方便地管理跨机器运行容器化的应用,其主要功能如下:

数据卷: Pod中容器之间共享数据,可以使用数据卷。

应用程序健康检查: 容器内服务可能进程堵塞无法处理请求,可以设置监控检查策略保证应用健壮性。

复制应用程序实例: 控制器维护着Pod副本数量,保证一个Pod或一组同类的Pod数量始终可用。

弹性伸缩: 根据设定的指标(CPU利用率)自动缩放Pod副本数。

服务发现: 使用环境变量或DNS服务插件保证容器中程序发现Pod入口访问地址。

负载均衡: 一组Pod副本分配一个私有的集群IP地址,负载均衡转发请求到后端容器。在集群内部其他Pod可通过这个ClusterIP访问应用。

滚动更新: 更新服务不中断,一次更新一个Pod,而不是同时删除整个服务。

服务编排: 通过文件描述部署服务,使得应用程序部署变得更高效。

资源监控: Node节点组件集成cAdvisor资源收集工具,可通过Heapster汇总整个集群节点资源数据,然后存储到InfluxDB时序数据库,再由Grafana展示。

提供认证和授权: 支持属性访问控制(ABAC)、角色访问控制(RBAC)认证授权策略。

除此之外, Kubernetes主要功能还体现在:

 使用Docker对应用程序包装(package)、实例化(instantiate)、运行(run)。

 将多台Docker主机抽象为一个资源,以集群的方式运行、管理跨机器的容器,包括任务调度、资源管理、弹性伸缩、滚动升级等功能。

– 使用编排系统(YAML File)快速构建容器集群,提供负载均衡,解决容器直接关联及通信问题 解决Docker跨机器容器之间的通讯问题。

 自动管理和修复容器,简单说,比如创建一个集群,里面有十个容器,如果某个容器异常关闭,那么,会尝试重启或重新分配容器,始终保证会有十个容器在运行,反而杀死多余的。Kubernetes的自我修复机制使得容器集群总是运行在用户期望的状态. 当前Kubernetes支持GCE、vShpere、CoreOS、OpenShift。

kubernetes的集群至少有两个主机组成:master + node ,即为master/node架构。master为集群的控制面板,master主机需要做冗余,一般建议为3台;而node主机不需要做冗余,因为node的主要作用是运行pod,贡献计算能力和存储能力,而pod控制器会自动管控pod资源,如果资源少,pod控制器会自动创建pod,即pod控制器会严格按照用户指定的副本来管理pod的数量。客户端的请求下发给master,即把创建和启动容器的请求发给master,master中的调度器分析各node现有的资源状态,把请求调用到对应的node启动容器。

可以理解为kubernetes把容器抽象为pod来管理1到多个彼此间有非常紧密联系的容器,但是LAMP的容器主机A,M,P只是有关联,不能说是非常紧密联系,因此A,M,P都要运行在三个不同的pod上。在kubernetes中,要运行几个pod,是需要定义一个配置文件,在这个配置文件里定义用哪个控制器启动和控制几个pod,在每个pod里要定义那几台容器,kubernetes通过这个配置文件,去创建一个控制器,由此控制器来管控这些pod,如果这些pod的某几个down掉后,控制器会通过健康监控功能,随时监控pod,发现pod异常后,根据定义的策略进行操作,即可以进行自愈。

kubernetes内部需要5套证书,手动创建或者自动生成,分别为:

1. etcd内部通信需要一套ca和对应证书。

2. etcd与外部通信也要有一套ca和对应证书。

3. APIserver间通信需要一套证书。

4. apiserver与node间通信需要一套证书。

5. node和pod间通信需要一套ca证书。

目前来说还不能实现把所有的业务都迁到kubernetes上,如存储,因为这个是有状态应用,出现错误排查很麻烦,所以目前kubernetes主要是运行无状态应用。

所以一般而言,负载均衡器运行在kubernetes之外,nginx或者tomcat这种无状态的应用运行于kubernetes集群内部,而数据库如mysql,zabbix,zoopkeeper等有状态的,一般运行于kubernetes外部,通过网络连接,实现kubernetes集群的pod调用这些外部的有状态应用。

三、Kubernetes架构和组件

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kubernetes主要由以下几个核心组件组成:

etcd: 集群的主数据库,保存了整个集群的状态; etcd负责节点间的服务发现和配置共享。etcd分布式键值存储系统, 用于保持集群状态,比如Pod、Service等对象信息。

kube-apiserver: 提供了资源操作的唯一入口,并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制;这是kubernetes API,作为集群的统一入口,各组件协调者,以HTTPAPI提供接口服务,所有对象资源的增删改查和监听操作都交给APIServer处理后再提交给Etcd存储。

kube-controller-manager: 负责维护集群的状态,比如故障检测、自动扩展、滚动更新等;它用来执行整个系统中的后台任务,包括节点状态状况、Pod个数、Pods和Service的关联等, 一个资源对应一个控制器,而ControllerManager就是负责管理这些控制器的。

kube-scheduler: 资源调度,按照预定的调度策略将Pod调度到相应的机器上;它负责节点资源管理,接受来自kube-apiserver创建Pods任务,并分配到某个节点。它会根据调度算法为新创建的Pod选择一个Node节点。

kubectl: 客户端命令行工具,将接受的命令格式化后发送给kube-apiserver,作为整个系统的操作入口。

kubelet: 负责维护容器的生命周期,负责管理pods和它们上面的容器,images镜像、volumes、etc。同时也负责Volume(CVI)和网络(CNI)的管理;kubelet运行在每个计算节点上,作为agent,接受分配该节点的Pods任务及管理容器,周期性获取容器状态,反馈给kube-apiserver; kubelet是Master在Node节点上的Agent,管理本机运行容器的生命周期,比如创建容器、Pod挂载数据卷、下载secret、获取容器和节点状态等工作。kubelet将每个Pod转换成一组容器。

container runtime: 负责镜像管理以及Pod和容器的真正运行(CRI);

kube-proxy: 负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡;它运行在每个计算节点上,负责Pod网络代理。定时从etcd获取到service信息来做相应的策略。它在Node节点上实现Pod网络代理,维护网络规则和四层负载均衡工作。

docker或rocket(rkt): 运行容器。

除了上面的几个核心组件, 还有一些常用插件(Add-ons):kube-dns: 负责为整个集群提供DNS服务;Ingress Controller: 为服务提供外网入口;Heapster: 提供资源监控;Dashboard: 提供GUI;Federation: 提供跨可用区的集群;Fluentd-elasticsearch: 提供集群日志采集、存储与查询;

其中:

master组件包括: kube-apiserver, kube-controller-manager, kube-scheduler;

Node组件包括: kubelet, kube-proxy, docker或rocket(rkt);

第三方服务:etcd

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