【k8s集群应用】Kubernetes 容器编排系统

Kubernetes 容器编排系统

背景与发展

更高级的容器编排工具：

物理机时代
物理机存在诸多局限，如部署慢、成本高、资源浪费以及扩展和迁移困难。每台物理服务器需要单独安装操作系统和应用程序环境，配置繁琐且硬件资源利用率低。
虚拟机时代
虚拟机（如VMware）通过虚拟化技术解决了物理机的部分问题。虚拟机可以在物理机上快速部署，实现资源池化，提高资源利用率，并通过资源隔离确保虚拟机之间的独立性。然而，虚拟机仍需安装完整的操作系统，导致资源消耗较大。
容器化时代
容器化技术（如Docker）进一步解决了虚拟机的缺点。容器共享主机操作系统内核，无需安装完整的操作系统，从而实现了更高效的资源利用。容器具有一致的运行环境，启动速度快，且镜像体积小，便于分发和管理。然而，单机上的容器编排存在诸多挑战，如节点管理、负载均衡、自动化运维等。

Kubernetes 基本概念

全称与缩写
全称为 Kubernetes (K12345678S)（简称K8s）是一个用于自动部署、扩展和管理容器化应用程序的开源系统。K8s的名字来源于希腊语的舵手或飞行员，寓意着它作为容器集群的“领航者”。

由来与发展
K8s起源于Google的Borg系统(博格系统，google内部使用的大规模容器编排工具)，后经GO语言重写并捐献给云原生计算基金会（CNCF）开源。随着容器的广泛使用，K8s已成为容器编排工具的事实标准。

作用与特点
K8s是一个生态极其丰富的容器编排框架工具，负责自动化运维管理多个容器化程序。它提供了自动化管理、弹性伸缩、高可用性、负载均衡和跨平台支持等特点，大大提高了应用部署和管理的效率。

Kubernetes 集群架构与组件

主从设备模型
K8s采用主从设备模型（Master-Slave架构），其中Master节点负责集群的调度、管理和运维，而Worker Node节点则负责运行工作负载。
Master组件

• API Server：集群的统一入口，负责处理RESTful API请求。
• Scheduler：负责根据调度算法将Pod调度到合适的Node上。
• Controller Manager：负责集群内各种资源的自动化管理，如ReplicaSet、Deployment等。
• etcd：一个高可用的分布式键值数据库，用于存储集群的配置信息和状态。

Worker Node组件

• kubelet：Node的代理，负责监听API Server的指令并执行相应的操作。
• kube-proxy：实现Service的负载均衡和内部通信。
• Docker（或其他容器运行时）：负责容器的创建和管理。

其他组件

• Addon：K8s的扩展组件，如DNS、Ingress Controller、Dashboard等。

Kubernetes 核心组件

Master 组件

1. Kube-apiserver

• 功能：
  • 暴露 Kubernetes API，作为集群的统一入口。
  • 处理所有资源请求或调用操作，通过 HTTP Restful API 提供服务。
  • 验证请求的合法性，并将请求转发给相应的控制器进行处理。
  • 存储资源对象的状态到 Etcd 中。
• 工作原理：
  1. 监听特定端口，接收来自客户端的 HTTP 请求。
  2. 对请求进行认证和授权。
  3. 验证请求中的数据格式和内容。
  4. 将请求信息存储到 Etcd 中，并更新集群状态。
  5. 提供其他模块之间的数据交互和通信的枢纽。

2. Kube-controller-manager

• 功能：
  • 运行管理控制器，处理 K8S 集群中的常规任务。
  • 监控和管理集群中的各种资源，确保集群处于预期的工作状态。
• 包含的控制器：
  • Node Controller：负责节点故障发现和响应。
  • Replication Controller：确保 Pod 副本数始终保持预设值。
  • Endpoints Controller：填充端点对象，连接 Services 和 Pods。
  • Service Account & Token Controllers：为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌。
  • ResourceQuota Controller：确保资源对象不会超量占用系统资源。
  • Namespace Controller：管理 namespace 的生命周期。
  • Service Controller：K8S 集群与外部云平台之间的接口控制器。
• 工作原理：
  1. 通过 API Server 定期获取资源的状态信息。
  2. 根据资源的定义和当前状态，计算期望状态。
  3. 如果当前状态与期望状态不一致，采取相应的行动。

3. Kube-scheduler

• 功能：
  • 负责资源调度，将待调度的 Pod 分配到合适的节点上运行。
• 调度策略：
  • 预选策略（predicate）：过滤不符合条件的节点。
  • 优选策略（priorities）：优先级排序，选择优先级最高的节点。
• 工作原理：
  1. 从 API Server 获取尚未分配到节点的 Pod 信息。
  2. 根据 Pod 的资源需求和节点的可用资源，筛选出符合条件的节点。
  3. 为符合条件的节点计算优先级。
  4. 选择优先级最高的节点，并将 Pod 调度到该节点上。

配置存储中心

Etcd

• 功能：
  • K8S 的存储服务，保存集群的所有配置和状态信息。
  • 仅 API Server 具备读写权限，其他组件通过 API Server 接口读写数据。
• 工作原理：
  1. 以键值对的形式存储 K8S 集群的配置数据、资源对象的定义和状态等。
  2. 通过 Raft 一致性算法确保数据的一致性和可靠性。
  3. 在多个 Etcd 节点之间同步数据，实现高可用性。

Node 组件

1. Kubelet

• 功能：
  • Master 在 Node 节点上的 Agent 代理程序，管理 Pod 和容器的生命周期。
  • 将每个 Pod 转换成一组容器。
• 工作原理：
  1. 向 API Server 注册节点信息。
  2. 根据 API Server 的指令，启动、停止和监控 Pod 中的容器。
  3. 定期收集节点的资源使用情况，并上报给 API Server。

2. Kube-proxy

• 功能：
  • 实现 K8S 中的服务发现和负载均衡功能。
  • 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。
• 工作原理：
  1. 监听 API Server 中 service 和 endpoint 的变化情况。
  2. 根据 service 的定义，在节点上配置网络规则，实现请求的分发和负载均衡。
  3. 定期检查后端 Pod 的健康状况。

3. Container Runtime

• 功能：
  • 容器引擎，负责运行容器。
  • 常见的实现包括 Docker、Containerd 等。
• 工作原理：
  1. 根据 Pod 中容器的定义，从镜像仓库拉取所需的镜像。
  2. 创建和启动容器，并配置相应的网络和存储。
  3. 实现容器之间的资源隔离和限制。

Kubernetes核心概念

1. Pod

• 定义：Pod是Kubernetes中最小的可部署的计算单元，它包含一个或多个容器，这些容器共享网络、存储等资源，并在同一台Node节点上运行。
• 特点：
  • 一个Pod可以运行多个容器，称为边车模式（SideCar），常用于日志收集、监控等辅助任务。
  • Pod内的容器可以通过localhost互相访问，并可以挂载Pod内的所有数据卷。
  • 不同的Pod之间不能通过localhost访问，也不能挂载其他Pod的数据卷。

2. Pod控制器

• 定义：Pod控制器用于确保Pod按照用户的预期运行，包括副本数、生命周期、健康状态检查等。
• 常用控制器：
  • Deployment：无状态应用部署，用于管理和控制Pod和ReplicaSet。
  • ReplicaSet：确保预期的Pod副本数量，受Deployment控制。
  • DaemonSet：确保所有节点运行同一类Pod，常用于系统级后台任务。
  • StatefulSet：有状态应用部署，适用于需要稳定且唯一的网络标识符的应用。
  • Job：一次性任务，Pod完成任务后自动退出。
  • CronJob：周期性计划性任务。

3. Label与Label选择器

• Label：用于分类管理资源对象，可以附加到Node、Pod、Service等资源上，通过key-value键值对定义。
• Label选择器：用于查询和筛选拥有特定Label的资源对象，支持等值关系和集合关系选择器。

4. Service

• 定义：Service是Kubernetes中用于访问一组Pod的抽象层，提供稳定的对外访问接口和负载均衡功能。
• 特点：
  • Service通过标签选择器定义作用于哪些Pod。
  • Service有固定的虚拟IP（Cluster IP），自动绑定后端Pod，实现流量转发和负载均衡。
  • Service支持多种流量调度模式，如iptables和ipvs。

5. Ingress

• 定义：Ingress是Kubernetes集群的接入层，负责集群内外通讯，支持HTTP/HTTPS协议。
• 特点：
  • Ingress可以调度不同业务域、不同URL访问路径的业务流量。
  • Ingress通常与Service配合使用，实现外部访问集群内部服务。

6. Volume

• 定义：Volume是Pod访问文件系统的抽象层，支持多种后端存储，如本地存储、NFS网络存储、云存储等。
• 特点：
  • Volume可以被挂载在Pod中一个或多个容器的指定路径下。
  • Volume提供了Pod间数据共享和持久化的能力。

7. Name与Namespace

• Name：资源在Kubernetes中的唯一标识符，通常定义在资源的元数据（metadata）信息里。
• Namespace：用于逻辑上隔离Kubernetes内的各种资源，不同Namespace内的资源名称可以相同，但相同Namespace内的同种资源名称必须唯一。
• 常用Namespace：
  • default：默认Namespace，未指定Namespace时使用的Namespace。
  • kube-system：Kubernetes系统创建的Namespace，用于存放系统级资源。
  • kube-public：Kubernetes自动创建的Namespace，用于存放整个集群范围内可见的资源。

K8S创建Pod资源对象的工作流程

1. 用户通过客户端发送创建Pod的请求给apiserver
2. apiserver接收到请求并验证后，会先将请求信息存入到etcd中，etc写入完成后，会发送创建Pod的事件给apiserver，再由apiserver转发给controller-manager
3. controller-manager通过list-watch监听到apiserver发来的事件后，会根据请求信息中的资源配置创建Pod资源
4. controller-manager创建好Pod资源后会通过apiserver将Pod资源的信息写入到etcd中，etc写入完成后，再发送事件给apiserver，再由apiserver转发给scheduler
5. scheduler通过list-watch监听到apiserver发来的事件后，开始调度新创建的Pod，会先根据调度算法的预选策略过滤掉不符合条件的node节点，再根据优选策略选择优先级最高的node节点来调度Pod
6. scheduler调度好Pod资源后会通过apiserver更新Pod资源的信息到etcd中，etc更新完成后，再发送事件给apiserver，再由apiserver转发node节点上的kubelet
7. node节点上的kubelet通过list-watch监听到apiserver发来的事件后，会在node节点上调用容器引擎创建Pod及其容器，并管理它们的生命周期
8. kubelet之后会定期收集Pod资源的状态并上报给apiserver
9. 用户还可以通过apiserver在kube-proxy上创建service的网络规则，实现对Pod的网络代理和负载均衡

总结

K8S资源对象

K8S资源配置字段

元数据信息配置字段