一文了解 Kubernetes

云栖号资讯小哥 2020-07-17

架构 docker 集群 容器 node 负载均衡 service 存储 专有云

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Docker 虽好用,但面对强大的集群,成千上万的容器,突然感觉不香了。

这时候就需要我们的主角 Kubernetes 上场了,先来了解一下 Kubernetes 的基本概念,后面再介绍实践,由浅入深步步为营。

关于 Kubernetes 的基本概念我们将会围绕如下七点展开:

一、Docker 的管理痛点

如果想要将 Docker 应用于庞大的业务实现,是存在困难的编排、管理和调度问题。于是,我们迫切需要一套管理系统,对 Docker 及容器进行更高级更灵活的管理。

Kubernetes 应运而生!Kubernetes,名词源于希腊语,意为「舵手」或「飞行员」。Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目,建立在 Google 在大规模运行生产工作负载方面拥有十几年的经验的基础上,结合了社区中最好的想法和实践。

K8s 是 Kubernetes 的缩写,用 8 替代了 「ubernete」,下文我们将使用简称。

二、什么是 K8s ?

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K8s 是一个可移植的、可扩展的开源平台,用于管理容器化的工作负载和服务,可促进声明式配置和自动化。K8s 拥有一个庞大且快速增长的生态系统。K8s 的服务、支持和工具广泛可用。

通过 K8s 我们可以:

  • 快速部署应用
  • 快速扩展应用
  • 无缝对接新的应用功能
  • 节省资源,优化硬件资源的使用

K8s 有如下特点:

  • 可移植:支持公有云,私有云,混合云,多重云 multi-cloud
  • 可扩展:模块化,插件化,可挂载,可组合
  • 自动化:自动部署,自动重启,自动复制,自动伸缩/扩展

三、云架构 & 云原生

云和 K8s 是什么关系

云就是使用容器构建的一套服务集群网络,云由很多的大量容器构成。K8s 就是用来管理云中的容器。

常见几类云架构

  • On-Premises(本地部署)
  • IaaS(基础设施即服务)
    用户:租用(购买|分配权限)云主机,用户不需要考虑网络,DNS,硬件环境方面的问题。

运营商:提供网络,存储,DNS,这样服务就叫做基础设施服务

  • PaaS(平台即服务)
    MySQL/ES/MQ/……
  • SaaS(软件即服务)
    钉钉

财务管理

  • Serverless
    无服务,不需要服务器。站在用户的角度考虑问题,用户只需要使用云服务器即可,在云服务器所在的基础环境,软件环境都不需要用户关心。

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可以预见:未来服务开发都是 Serverless,企业都构建了自己的私有云环境,或者是使用公有云环境。

云原生

为了让应用程序(项目,服务软件)都运行在云上的解决方案,这样的方案叫做云原生。

云原生有如下特点:

  • 容器化,所有服务都必须部署在容器中
  • 微服务,Web 服务架构式服务架构
  • CI/CD
  • DevOps

四、K8s 架构原理

K8s 架构

概括来说 K8s 架构就是一个 Master 对应一群 Node 节点。

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下面我们来逐一介绍 K8s 架构图中的 Master 和 Node。

Master 节点结构

  • apiserver 即 K8s 网关,所有的指令请求都必须要经过 apiserver;
  • scheduler 调度器,使用调度算法,把请求资源调度到某一个 Node 节点;
  • controller 控制器,维护 K8s 资源对象;
  • etcd 存储资源对象;

Node节点

  • kubelet 在每一个 Node 节点都存在一份,在 Node 节点上的资源操作指令由 kubelet 来执行;
  • kube-proxy 代理服务,处理服务间负载均衡;
  • Pod 是 k8s 管理的基本单元(最小单元),Pod 内部是容器,k8s 不直接管理容器,而是管理 Pod;
  • Docker 运行容器的基础环境,容器引擎;
  • Fluentd 日志收集服务;

在介绍完 K8s 架构后,我们又引入了很多技术名词。不要着急,先有整体概念,再各个击破。请耐心阅读下文,相信你一定会有不一样的收获。

五、K8s 核心组件

K8s 组件

  • K8s 是用来管理容器,但是不直接操作容器,最小操作单元是 Pod (间接管理容器)。
  • 一个 Master 有一群 Node 节点与之对应
  • Master 节点不存储容器,只负责调度、网管、控制器、资源对象存储
  • 容器的存储在 Node 节点,容器是存储在 Pod 内部的)
  • Pod 内部可以有一个容器,或者多个容器
  • Kubelet 负责本地 Pod 的维护
  • Kube-proxy 负责负载均衡,在多个 Pod 之间来做负载均衡

Pod 是什么?

  • Pod 也是一个容器,这个容器中装的是 Docker 创建的容器,Pod 用来封装容器的一个容器,Pod 是一个虚拟化分组;
  • Pod 相当于独立主机,可以封装一个或者多个容器。

Pod 有自己的 IP 地址、主机名,相当于一台独立沙箱环境。

Pod 到底用来干什么?

通常情况下,在服务部署时候,使用 Pod 来管理一组相关的服务。一个 Pod 中要么部署一个服务,要么部署一组有关系的服务。

一组相关的服务是指:在链式调用的调用连路上的服务。

Web 服务集群如何实现?

实现服务集群:只需要复制多方 Pod 的副本即可,这也是 K8s 管理的先进之处,K8s 如果继续扩容,只需要控制 Pod 的数量即可,缩容道理类似。

Pod 底层网络,数据存储是如何进行的?

  • Pod 内部容器创建之前,必须先创建 Pause 容器;
  • 服务容器之间访问 localhost ,相当于访问本地服务一样,性能非常高。

ReplicaSet 副本控制器

控制 Pod 副本「服务集群」的数量,永远与预期设定的数量保持一致即可。当有 Pod 服务宕机时候,副本控制器将会立马重新创建一个新的 Pod,永远保证副本为设置数量。

副本控制器:标签选择器-选择维护一组相关的服务(它自己的服务)。

selector:
app = web
Release = stable
  • ReplicationController 副本控制器:单选
  • ReplicaSet 副本控制器:单选,复合选择

在新版的 K8s 中,建议使用 ReplicaSet 作为副本控制器,ReplicationController 不再使用了。

Deployment 部署对象

  • 服务部署结构模型
  • 滚动更新

ReplicaSet 副本控制器控制 Pod 副本的数量。但是,项目的需求在不断迭代、不断的更新,项目版本将会不停的的发版。版本的变化,如何做到服务更新?

部署模型:

  • ReplicaSet 不支持滚动更新,Deployment 对象支持滚动更新,通常和 ReplicaSet 一起使用;
  • Deployment 管理 ReplicaSet,RS 重新建立新的 RS,创建新的 Pod。

MySQL 使用容器化部署,存在什么样的问题?

  • 容器是生命周期的,一旦宕机,数据丢失
  • Pod 部署,Pod 有生命周期,数据丢失

对于 K8s 来说,不能使用 Deployment 部署有状态服务。

通常情况下,Deployment 被用来部署无状态服务,那么对于有状态服务的部署,使用 StatefulSet 进行有状态服务的部署。

什么是有状态服务?

有实时的数据需要存储
有状态服务集群中,把某一个服务抽离出去,一段时间后再加入机器网络,如果集群网络无法使用

什么是无状态服务?

  • 没有实时的数据需要存储
  • 无状态服务集群中,把某一个服务抽离出去,一段时间后再加入机器网络,对集群服务没有任何影响

StatefulSet

  • 为了解决有状态服务使用容器化部署的一个问题。
  • 部署模型
  • 有状态服务

StatefulSet 保证 Pod 重新建立后,Hostname 不会发生变化,Pod 就可以通过 Hostname 来关联数据。

六、K8s 的服务注册与发现

Pod 的结构是怎样的?

  • Pod 相当于一个容器,Pod 有独立 IP 地址,也有自己的 Hostname,利用 Namespace 进行资源隔离,独立沙箱环境。
  • Pod 内部封装的是容器,可以封装一个,或者多个容器(通常是一组相关的容器)

Pod 网络

  • Pod 有自己独立的 IP 地址
  • Pod 内部容器之间访问采用 Localhost 访问

Pod 内部容器访问是 Localhost,Pod 之间的通信属于远程访问。

Pod 是如何对外提供服务访问的?

Pod 是虚拟的资源对象(进程),没有对应实体(物理机,物理网卡)与之对应,无法直接对外提供服务访问。

那么该如何解决这个问题呢?

Pod 如果想要对外提供服务,必须绑定物理机端口。也就是说在物理机上开启端口,让这个端口和 Pod 的端口进行映射,这样就可以通过物理机进行数据包的转发。

概括来说:先通过物理机 IP + Port 进行访问,再进行数据包转发。

一组相关的 Pod 副本,如何实现访问负载均衡?

我们先明确一个概念,Pod 是一个进程,是有生命周期的。宕机、版本更新,都会创建新的 Pod。这时候 IP 地址会发生变化,Hostname 会发生变化,使用 Nginx 做负载均衡就不太合适了。

所以我们需要依赖 Service 的能力。

Service 如何实现负载均衡?

简单来说,Service 资源对象包括如下三部分:

  • Pod IP:Pod 的 IP 地址
  • Node IP:物理机 IP 地址
  • Cluster IP:虚拟 IP ,是由 K8s 抽象出的 Service 对象,这个 Service 对象就是一个 VIP 的资源对象

Service VIP 更深入原理探讨

  • Service 和 Pod 都是一个进程,Service 也不能对外网提供服务;
  • Service 和 Pod 之间可以直接进行通信,它们的通信属于局域网通信;
  • 把请求交给 Service 后,Service 使用 iptable,ipvs 做数据包的分发。

Service 对象是如何和 Pod 进行关联的?

  • 不同的业务有不同的 Service;
  • Service 和 Pod 通过标签选择器进行关联;
selector:
app=x 选择一组订单的服务 pod ,创建一个 service;
通过 endpoints 存放一组 pod ip;

Service 通过标签选择器选择一组相关的副本,然后创建一个 Service。

Pod 宕机、发布新的版本的时候,Service 如何发现 Pod 已经发生了变化?

每个 Pod 中都有 Kube-Proxy,监听所有 Pod。如果发现 Pod 有变化,就动态更新(etcd 中存储)对应的 IP 映射关系。

七、关键问题

企业使用 K8s 主要用来做什么?

自动化运维平台,创业型公司,中小型企业,使用 K8s 构建一套自动化运维平台,自动维护服务数量,保持服务永远和预期的数据保持一致性,让服务可以永远提供服务。这样最直接的好处就是降本增效。

充分利用服务器资源,互联网企业,有很多服务器资源「物理机」,为了充分利用服务器资源,使用 K8s 构建私有云环境,项目运行在云。这在大型互联网公司尤为重要。

服务的无缝迁移,项目开发中,产品需求不停的迭代,更新产品。这就意味着项目不停的发布新的版本,而 K8s 可以实现项目从开发到生产无缝迁移。

K8s 服务的负载均衡是如何实现的?

Pod 中的容器很可能因为各种原因发生故障而死掉。Deployment 等 Controller 会通过动态创建和销毁 Pod 来保证应用整体的健壮性。换句话说,Pod 是脆弱的,但应用是健壮的。每个 Pod 都有自己的 IP 地址。当 controller 用新 Pod 替代发生故障的 Pod 时,新 Pod 会分配到新的 IP 地址。

这样就产生了一个问题:如果一组 Pod 对外提供服务(比如 HTTP),它们的 IP 很有可能发生变化,那么客户端如何找到并访问这个服务呢?

K8s 给出的解决方案是 Service。 Kubernetes Service 从逻辑上代表了一组 Pod,具体是哪些 Pod 则是由 Label 来挑选。

Service 有自己 IP,而且这个 IP 是不变的。客户端只需要访问 Service 的 IP,K8s 则负责建立和维护 Service 与 Pod 的映射关系。无论后端 Pod 如何变化,对客户端不会有任何影响,因为 Service 没有变。

无状态服务一般使用什么方式进行部署?

Deployment 为 Pod 和 ReplicaSet 提供了一个 声明式定义方法,通常被用来部署无状态服务。

Deployment 的主要作用:

定义 Deployment 来创建 Pod 和 ReplicaSet 滚动升级和回滚应用扩容和索容暂停和继续。Deployment不仅仅可以滚动更新,而且可以进行回滚,如果发现升级到 V2 版本后,服务不可用,可以迅速回滚到 V1 版本。

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原文发布时间:2020-07-16
本文作者: 玻璃樽
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