Docker技术系列文章，第十篇——Docker 集群与编排（以 Kubernetes 为例）

        本篇内容作为docker系列的收尾之作，之所以选择本篇作为收尾之作，是因为小编觉得 这十篇内容已经满足基础的docker应用中的需求了；关注小编，小编后期还会不定时的更新docker相关的知识点。希望诸君共同努力，都能收获的愈加更多🚀。

一、引言与基础概念

        在当今的软件开发和部署领域，容器化技术已经成为了主流趋势。Docker 作为容器化技术的代表，能够将应用及其依赖打包成独立的容器，实现应用的快速部署和迁移。然而，当面临大规模的容器管理和调度时，仅仅依靠 Docker 本身是远远不够的。这时，就需要借助集群与编排工具来高效地管理和协调这些容器。Kubernetes（简称 K8s）作为目前最流行的容器编排工具，为 Docker 容器的集群管理提供了强大的支持。本文将详细介绍 Docker 集群与编排的概念，并以 Kubernetes 为例，深入探讨其工作原理、核心组件、部署流程以及实际应用案例。

二、Docker 集群与编排概述

2.1 Docker 集群的概念

Docker 集群是指将多个 Docker 主机组合在一起，形成一个统一的资源池，以便更高效地管理和运行容器。通过集群，我们可以实现容器的负载均衡、高可用性以及资源的动态分配。例如，在一个电商应用中，当遇到促销活动时，流量会大幅增加，此时可以通过集群动态地增加容器实例来处理更多的请求，确保应用的稳定运行。

2.2 编排的重要性

编排是指自动化地管理和协调容器的部署、扩展、更新和监控等操作。在大规模的容器环境中，手动管理每个容器是不现实的，编排工具可以帮助我们简化这些操作，提高效率和可靠性。例如，Kubernetes 可以根据预设的规则自动调整容器的数量，以适应不同的负载情况，同时还能在容器出现故障时自动进行重启或替换。

三、Kubernetes 简介

3.1 Kubernetes 的定义和背景

Kubernetes 是一个开源的容器编排系统，最初由 Google 开发，后来捐赠给了云原生计算基金会（CNCF）。它借鉴了 Google 在容器管理方面多年的经验，旨在提供一个可扩展、自动化的平台，用于管理大规模的容器化应用。

3.2 Kubernetes 的优势

• 高可用性：Kubernetes 可以自动检测容器的状态，当容器出现故障时，会自动重启或替换，确保应用的持续运行。
• 可扩展性：可以根据应用的负载情况，动态地增加或减少容器实例，实现资源的高效利用。
• 负载均衡：通过内置的负载均衡器，将请求均匀地分配到多个容器实例上，提高应用的性能。
• 自动化部署和更新：支持滚动更新和回滚操作，确保应用的平滑升级和降级。

四、Kubernetes 核心组件

4.1 Master 节点组件

4.1.1 kube - apiserver

kube - apiserver 是 Kubernetes 的核心组件，它提供了 Kubernetes API 的 HTTP 接口，是所有组件之间通信的枢纽。其他组件通过调用 kube - apiserver 的 API 来实现各种操作，如创建、删除和修改资源等。

4.1.2 etcd

etcd 是一个分布式键值存储系统，用于存储 Kubernetes 集群的所有配置信息和状态数据。它是集群的 “大脑”，确保数据的一致性和可靠性。

4.1.3 kube - scheduler

kube - scheduler 负责根据节点的资源使用情况和容器的需求，将 Pod（Kubernetes 中最小的可部署单元）调度到合适的节点上。

4.1.4 kube - controller - manager

kube - controller - manager 包含多个控制器，如节点控制器、副本控制器等，负责监控和管理集群中的各种资源，确保它们的状态符合预期。

4.2 Node 节点组件

4.2.1 kubelet

kubelet 是每个节点上的代理，负责与 kube - apiserver 通信，接收和执行 Pod 的创建、启动和删除等操作，并监控 Pod 的状态。

4.2.2 kube - proxy

kube - proxy 负责在节点上实现网络代理和负载均衡，确保 Pod 之间的通信和外部访问的正常进行。

4.2.3 Container Runtime

Container Runtime 是负责运行容器的软件，常见的有 Docker、Containerd 等。在 Kubernetes 中，它负责创建和管理容器。

五、Kubernetes 部署流程

5.1 环境准备

在部署 Kubernetes 之前，需要准备好以下环境：

• 多个具有相同操作系统的节点（至少一个 Master 节点和多个 Node 节点）。
• 确保节点之间可以相互通信，并且网络配置正确。
• 安装 Docker 或其他 Container Runtime。

5.2 安装和配置 Master 节点

5.2.1 安装必要的软件包

# 以 Ubuntu 为例，安装必要的软件包
sudo apt update
sudo apt install -y apt - transport - https ca - certificates curl software - properties - common

5.2.2 添加 Kubernetes 官方源

curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt - key.gpg | sudo apt - key add -
sudo add - apt - repository "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes - xenial main"
sudo apt update

5.2.3 安装 Kubernetes 组件 

sudo apt install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt - mark hold kubelet kubeadm kubectl

5.2.4 初始化 Master 节点 

sudo kubeadm init --pod - network - cidr = 10.244.0.0/16

 这里的 --pod - network - cidr 用于指定 Pod 网络的 IP 地址范围。初始化完成后，会生成一个加入集群的命令，用于后续 Node 节点的加入。

5.2.5 配置 kubectl

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

5.2.6 安装网络插件

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube - flannel.yml

网络插件用于实现 Pod 之间的通信。

5.3 加入 Node 节点

在 Node 节点上执行 Master 节点初始化时生成的加入集群命令，例如：

sudo kubeadm join <master - ip>:<master - port> --token <token> --discovery - token - ca - cert - hash <hash>

5.4 验证集群部署

kubectl get nodes

如果输出显示所有节点的状态为 Ready，则说明集群部署成功。

六、Kubernetes 资源对象

6.1 Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，它可以包含一个或多个紧密相关的容器。这些容器共享同一个网络命名空间和存储卷，通常用于运行一个完整的应用组件。例如，一个 Web 应用可能由一个 Nginx 容器和一个 Python Flask 容器组成，它们可以放在同一个 Pod 中。

6.1.1 创建 Pod 的 YAML 文件示例

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my - pod
spec:
  containers:
  - name: nginx - container
    image: nginx:latest
    ports:
    - containerPort: 80

 6.1.2 创建 Pod

kubectl apply -f my - pod.yaml

6.2 Deployment

Deployment 是用于管理 Pod 的高级资源对象，它可以实现 Pod 的自动部署、滚动更新和回滚等功能。通过 Deployment，我们可以定义 Pod 的副本数量，并根据需要进行动态调整。

6.2.1 创建 Deployment 的 YAML 文件示例

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my - deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my - app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my - app
    spec:
      containers:
      - name: nginx - container
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80

 6.2.2 创建 Deployment

kubectl apply -f my - deployment.yaml

6.3 Service

Service 是用于暴露 Pod 的网络接口，它可以为一组 Pod 提供统一的访问入口，并实现负载均衡。例如，通过 Service，外部用户可以通过一个固定的 IP 地址和端口访问到多个 Pod 中的应用。

6.3.1 创建 Service 的 YAML 文件示例

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my - service
spec:
  selector:
    app: my - app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: LoadBalancer

 6.3.2 创建 Service

kubectl apply -f my - service.yaml

七、Kubernetes 实际应用案例 

7.1 部署一个简单的 Web 应用

7.1.1 编写 Deployment 和 Service 的 yaml 文件

# deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web - app - deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web - app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web - app
    spec:
      containers:
      - name: web - app - container
        image: your - web - app - image:latest
        ports:
        - containerPort: 8080

# service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web - app - service
spec:
  selector:
    app: web - app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
  type: LoadBalancer

7.1.2 部署应用 

kubectl apply -f deployment.yaml
kubectl apply -f service.yaml

 通过上述步骤，我们就可以在 Kubernetes 集群中部署一个简单的 Web 应用，并通过 Service 对外提供服务。

7.2 应用的滚动更新和回滚

7.2.1 滚动更新

当需要更新应用的版本时，可以通过修改 Deployment 的 YAML 文件中的镜像版本，并重新应用该文件来实现滚动更新。例如：

# 修改 deployment.yaml 中的镜像版本
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web - app - deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web - app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web - app
    spec:
      containers:
      - name: web - app - container
        image: your - web - app - image:new - version
        ports:
        - containerPort: 8080

kubectl apply -f deployment.yaml

 Kubernetes 会自动将旧版本的 Pod 逐步替换为新版本的 Pod，确保应用的平滑升级。

7.2.2 回滚

如果更新过程中出现问题，可以使用以下命令回滚到上一个版本：

kubectl rollout undo deployment/web - app - deployment

八、收工

本文详细介绍了 Docker 集群与编排的概念，并以 Kubernetes 为例，深入探讨了其核心组件、部署流程、资源对象以及实际应用案例。Kubernetes 作为强大的容器编排工具，为大规模容器化应用的管理和调度提供了高效、可靠的解决方案。通过合理运用 Kubernetes 的功能，我们可以实现应用的高可用性、可扩展性和自动化部署，提高软件开发和部署的效率。