小趙同學
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Kubernetes

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Kubernetes是Google开源的一个容器编排引擎，它支持自动化部署、大规模可伸缩、应用容器化管理。

Kubernetes是什么

Kubernetes是一个很容易地部署和管理容器化的应用软件系统，使用Kubernetes能够方便对容器进行调度和编排。

对应用开发者而言，可以把Kubernetes看成一个集群操作系统。Kubernetes提供服务发现、伸缩、负载均衡、自愈甚至选举等功能，让开发者从基础设施相关配置等解脱出来。

Kubernetes可以把大量的服务器看做一台巨大的服务器，在一台大服务器上面运行应用程序。无论Kubernetes的集群有多少台服务器，在Kubernetes上部署应用程序的方法永远一样。

图1 在Kubernetes集群上运行应用程序

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Kubernetes集群架构

Kubernetes集群包含master节点和node节点，应用部署在node节点上，且可以通过配置选择应用部署在某些特定的节点上。

Kubernetes集群的架构如下所示。

图2 Kubernetes集群架构

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Master节点

Master节点是集群的控制节点，由API Server、Scheduler、Controller Manager和ETCD四个组件构成。

  • API Server：各组件互相通讯的中转站，接受外部请求，并将信息写到ETCD中。
  • Controller Manager：执行集群级功能，例如复制组件，跟踪Node节点，处理节点故障等等。
  • Scheduler：负责应用调度的组件，根据各种条件（如可用的资源、节点的亲和性等）将容器调度到Node上运行。
  • ETCD：一个分布式数据存储组件，负责存储集群的配置信息。

在生产环境中，为了保障集群的高可用，通常会部署多个master，如CCE集群的高可用模式就是3个master节点。

Node节点

Node节点是集群的计算节点，即运行容器化应用的节点。

  • kubelet：kubelet主要负责同Container Runtime打交道，并与API Server交互，管理节点上的容器。
  • kube-proxy：应用组件间的访问代理，解决节点上应用的访问问题。
  • Container Runtime：容器运行时，如Docker，最主要的功能是下载镜像和运行容器。

Kubernetes的扩展性

Kubernetes开放了容器运行时接口（CRI）、容器网络接口（CNI）和容器存储接口（CSI），这些接口让Kubernetes的扩展性变得最大化，而Kubernetes本身则专注于容器调度。

  • CRI（Container Runtime Interface）：容器运行时接口，提供计算资源，CRI隔离了各个容器引擎之间的差异，而通过统一的接口与各个容器引擎之间进行互动。
  • CNI（Container Network Interface）：容器网络接口，提供网络资源，通过CNI接口，Kubernetes可以支持不同网络环境。例如华为云CCE就是开发的CNI插件支持Kubernetes集群运行在华为云VPC网络中。
  • CSI（Container Storage Interface）：容器存储接口，提供存储资源，通过CSI接口，Kubernetes可以支持各种类型的存储。例如华为云CCE就可以方便的对接华为云块存储（EVS）、文件存储（SFS）和对象存储（OBS）。

Kubernetes中的基本对象

上面介绍Kubernetes集群的构成，下面将介绍Kubernetes中基本对象及它们之间的一些关系。

图3 Kubernetes基本对象

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  • Pod

    Pod是Kubernetes创建或部署的最小单位。一个Pod封装一个或多个容器（container）、存储资源（volume）、一个独立的网络IP以及管理控制容器运行方式的策略选项。

  • Deployment

    Deployment是对Pod的服务化封装。一个Deployment可以包含一个或多个Pod，每个Pod的角色相同，所以系统会自动为Deployment的多个Pod分发请求。

  • StatefulSet

    StatefulSet 是用来管理有状态应用的对象。和Deployment相同的是，StatefulSet管理了基于相同容器定义的一组Pod。但和 Deployment 不同的是，StatefulSet为它们的每个Pod维护了一个固定的ID。这些Pod是基于相同的声明来创建的，但是不能相互替换：无论怎么调度，每个Pod都有一个永久不变的ID。

  • Job

    Job是用来控制批处理型任务的对象。批处理业务与长期伺服业务（Deployment）的主要区别是批处理业务的运行有头有尾，而长期伺服业务在用户不停止的情况下永远运行。Job管理的Pod根据用户的设置把任务成功完成就自动退出（Pod自动删除）。

  • CronJob

    CronJob是基于时间控制的Job，类似于Linux系统的crontab，在指定的时间周期运行指定的任务。

  • DaemonSet

    DaemonSet 是这样一种对象（守护进程），它在集群的每个节点上运行一个 Pod，且保证只有一个 Pod，这非常适合一些系统层面的应用，例如日志收集、资源监控等，这类应用需要每个节点都运行，且不需要太多实例，一个比较好的例子就是 Kubernetes 的 kube-proxy。

  • Service

    Service是用来解决Pod访问问题的。Service有一个固定IP地址，Service将访问流量转发给Pod，而且Service可以给这些Pod做负载均衡。

  • Ingress

    Service是基于四层TCP和UDP协议转发的，Ingress可以基于七层的HTTP和HTTPS协议转发，可以通过域名和路径做到更细粒度的划分。

  • ConfigMap

    ConfigMap是一种用于存储应用所需配置信息的资源类型，用于保存配置数据的键值对。通过ConfigMap可以方便的做到配置解耦，使得不同环境有不同的配置。

  • Secret

    Secret是一种加密存储的资源对象，您可以将认证信息、证书、私钥等保存在Secret中，而不需要把这些敏感数据暴露到镜像或者Pod定义中，从而更加安全和灵活。

  • PersistentVolume（PV）

    PV指持久化数据存储卷，主要定义的是一个持久化存储在宿主机上的目录，比如一个NFS的挂载目录。

  • PersistentVolumeClaim（PVC）

    Kubernetes提供PVC专门用于持久化存储的申请，PVC可以让您无需关心底层存储资源如何创建、释放等动作，而只需要申明您需要何种类型的存储资源、多大的存储空间。

搭建Kubernetes集群

Kubernetes网站上有多种搭建Kubernetes集群的方法，例如minikube、kubeadm等。

kubectl

kubectl是Kubernetes集群的命令行工具，您可以将kubectl安装在任意一台机器上，通过kubectl命令操作Kubernetes集群。

连接后您可以执行kubectl cluster-info查看集群的信息，如下所示。

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# kubectl cluster-info
Kubernetes master is running at https://*.*.*.*:5443
CoreDNS is running at https://*.*.*.*:5443/api/v1/namespaces/kube-system/services/coredns:dns/proxy

To further debug and diagnose cluster problems, use 'kubectl cluster-info dump'.

执行kubectl get nodes可以查看集群中的Node节点信息。

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# kubectl get nodes
NAME            STATUS    ROLES     AGE       VERSION
192.168.0.153   Ready     <none>    7m        v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2
192.168.0.207   Ready     <none>    7m        v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2
192.168.0.221   Ready     <none>    7m        v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2

Kubernetes对象的描述

kubernetes中资源可以使用YAML描述（如果您对YAML格式不了解，可以参考YAML语法），也可以使用JSON。其内容可以分为如下四个部分。

  • typeMeta：对象类型的元信息，声明对象使用哪个API版本，哪个类型的对象。
  • objectMeta：对象的元信息，包括对象名称、使用的标签等。
  • spec：对象的期望状态，例如对象使用什么镜像、有多少副本等。
  • status：对象的实际状态，只能在对象创建后看到，创建对象时无需指定。

图4 YAML描述文件

在Kubernetes上运行应用

将图4中的内容去除status存为一个名为nginx-deployment.yaml的文件，如下所示。

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apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name:  nginx
  labels:
    app:  nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app:  nginx
    spec:
      containers:
      - name:  nginx
        image:  nginx:alpine
        resources:
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
          limits:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
      imagePullSecrets:
      - name: default-secret

使用kubectl连接集群后，执行如下命令。

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# kubectl create -f nginx-deployment.yaml 
deployment.apps/nginx created

命令执行后，Kubernetes集群中会创建3个Pod，使用如下命令可以查询到Deployment和Pod。

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# kubectl get deploy
NAME    READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx   3/3     3            3           9s

# kubectl get pods
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-685898579b-qrt4d   1/1     Running   0          15s
nginx-685898579b-t9zd2   1/1     Running   0          15s
nginx-685898579b-w59jn   1/1     Running   0          15s

到此为止，您了解容器和Docker、Kubernetes集群、Kubernetes基本概念，并通过一个示例了解kubectl的最基本使用，本文后续将向您深入介绍Kubernetes对象的概念以及使用方法，并介绍对象之间的关系。