一文了解 Kubernetes

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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q d 4 j L C g m L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 Do^ e V S m jcker 及# _ E容器进行更高级更灵活的管理。

Kubernetes 应运而生！Kubernetes，名J 6 m x ( @ ; s B词源于希腊语，意为「舵手」或「飞行员」。Google 在U m b K w 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X ] G 7 B [ O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 ？

K8s 是一个可移植的、Q $ 2 J 5 p K ,可扩展的开源平台，o F w x l ^ 0 i G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] % + C速增长的生态系统。K8s 的服务、支持和V 0 e S H i ? F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3 { O !：

• 可移植：支持公有云，私有云，混合云，多重J & L S R s u z s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x 9 ) Y P n X ~容器构成。K8s 就是用来管理云中的容器。

常见几类云架构{ - b [ / ~ = 5

• On-Premises（本地部署）
• IaaS（基础设施即服务）
  用户：租用（购买|分配权限r ) -）云主机，用户不需要考虑网络，DNS，硬件$ ` I 6 k p ~ q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` z L J D _ *管理

• Servg t p * r $ zerless
  无服务，; . ; M ~ n不需要服务器。q ? ( 7 } 7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。

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+ f a t - c % w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C A ~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- / g
• D* @ F K PevOps

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。

下面我们来逐一介绍 K8s 架构图中的 Mast+ = Q # z Z -er 和 Node。

Master[ o v Q r T P 1 U 节$ , ! J w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5 , V |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l . 2 c X P N C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; O = 8 K；
• 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i w / w ;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m U l C c _ 8 ; 5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 MasterL s v M X R s d | 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E : R s S h { ? Pod 内部的）
• Pod 内部可以有一个容器，或者多个容器
• Kubelet 负c q n Y w = q =责本地 Pod 的维护
• Kube-proxy 负责负载均衡，在| m N & 2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8 3 K 8 9 5 y主机，可以封装一个或者多个容器。

Pod 有D ` =自己的 IP 地址、主机名，相当于一w = b 0 Q u k c台独立沙箱环境。I S G

Pod 到底用来干什么？

通常情r j P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y T P l j r现？

实现服务集群：只需要复制; ! 7 + d V多方 Pod 的副本w , W ( N L即可，这也是: @ U ~ 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C ! ~ I。

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, & & v x a _容器之间访问 lC Q #ocalhost ，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% | b T H A q S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
• ReplicaSe/ [ / 3 X At 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，Rep; L o D } + X licationController 不再使用了。

Deployment 部署对象

• 服务部署结构模型
• 滚动更新

Replb 6 i a & { D n dicaSet 副本控制器控制 Pod 副本2 G O ] ~的数量。但是，项目的需求在不断迭代、F i o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，DeploymentU n u 对象支持滚P e U ? U r h ,动更新，通常和 ReplicaSet 一起使用；
• Deployment 管理 Repe S b ~ l - ZlicaSet，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[ b g r ]，Pod 有生命周期，数据丢失

对于 K8s 来说，不能) G L b 4 K b 5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m J Y s @ % ^，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~ , Y T $ H L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u S 7 e j T v W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h j m N U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j u S . z 5 ! g自己的 Hostname，利用 Namespace 进行资源隔离，独立* l ^ % Y s w D沙箱环境。
• Po_ N s od 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z ( 7 ) E 5 } 2。. 0 {

Pod 是t t 4如何对外提供服务访问的c b s t ?？

Pod 是. 1 B d | x M I虚拟的资源对象（进. ] 3 l o程），没有对应实体（物理机，物理网卡）与之对应，无法3 j ` e A w m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 PoU s C [d 的端口进行映射，y : i @ l +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; { h Z { ) [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，Servic0 , f xe 资源对象包括如下三部分：

• PodW - k B B IP：Pod 的 IP 地址
• Node IP：物理机 IPi = ? ~ 地址
• Cluster IP：虚拟 IP ，是由 K8s 抽象出的 Service 对象，这个 Service 对r L : + V / y象就是一个 VIP 的资源对象

Service VIP 更深入原理探w q r ^讨

• Seri W * r bvice 和 Pod 都是一个进程，Serv$ + n U g H zice 也不能对外网提供服务；
• Service 和 Pod 之: v W d , 7 v L [间可以直接进行通, ^ * o i ^ : (信，它们的通信属于局域网通信；
• 把请求交给 Service 后，Service 使用 iptable，ipvs7 ` o 做数据包的分发。

ServR d dice 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= [ p ` Q O m A进行关联；

selector：
app=x 选择一组订单的服务 po! ` P f W 3 o 6d ，创) / - Q d h O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 Servij - J 9 u H 9ce。

Pod 宕机、发布新的版本的时候，Service 如何发P z A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（eP k f C Ttcd 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& D R L 9 p ~ P `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2 E 3 { -。

充分利用服务器资源，互联网企业@ P T k Z g )，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. I { L，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! ! M l弱的，但应用是健壮3 4 / R ) g的。每U y / Z q g个 PoR $ g } pd 都有自己的 IP 地址。当 controller 用新 Pod 替代发生故f p I d 6 s b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` q 2 ` d n f ) HTTP），它们的 IP 很有v 3 @ q |可能发生变化，那么客户端如何找到并访问这A P Q N P J g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，% & 4 u u l 4 |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？

D] r Jeployment 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V t p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 V| b i r ] 0 I m ?1 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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