Kubernetes 基础知识

什么是 Kubernetes？

您可以在此处找到 Kubernetes 的官方定义（https://kubernetes.io/）：

“Kubernetes （K8s）是一种开源系统，可实现容器化应用程序的自动化部署、扩展和管理。它将组成应用程序的容器组合为一个逻辑单元，以便于管理和发现。Kubernetes 构建在 Google 上运行生产工作负载的15年经验，再加上来自社区的一流想法和实践。”

以下是有关 Kubernetes 的重要信息：

• 它’是 Google 发起的开源项目

• 它’是一种成熟且稳定的产品

• 它’是一种编排工具

• 它’是一种处理更高级别的容器的平台

Kubernetes 由 Google a for 2014 中的一组工程师创建，设计和开发模型受 Google’s 内部系统、Borg 的影响。Kubernetes 定义了一组构建对象，共同提供的机制可基于系统资源（CPU、内存或其他自定义指标）编排分布式群集节点的容器化应用程序。Kubernetes 通过为所需功能提供 REST Api 来掩盖管理一组容器的复杂性。

简而言之，像 Docker 这样的容器技术为您提供了打包和分发容器化应用程序的功能，而编排系统（如 Kubernetes）允许您在相对较高的级别部署和管理容器还有一种更简单的方法。

第1章指出 Docker 是一种有影响和成熟的容器技术，因此为什么需要 Kubernetes？从技术角度讲，Kubernetes 在相对较高的级别上工作，而不是 Dockers，因此这究竟意味着什么呢？

当您将 Kubernetes 与 Docker 进行比较时，有一个有益的类比是将 Python 与 C 语言进行比较。C 强大，足以构建几乎所有内容，包括一整套基本操作系统组件和 Api，但实际上您可能希望编写脚本来自动化工作负载中的任务，这意味着使用 Python 要比使用 C 更多。借助 Python，您只需考虑已有的模块已提供必要的功能，将其导入应用程序，然后快速集中精力完成所需的功能。您很少需要担心低级别系统 API 调用和硬件详细信息。

网络类比是 TCP/IP 互联网协议。开发类似 FTP 的文件传输工具时，自然希望基于 TCP 套接字而非原始套接字开始工作。通过将 TCP 套接字放在 TCP 协议的顶部，它提供了一个更加坚实的基础，具有所有内置可靠性功能，如错误检测、流和拥塞控制、重新传输等。您需要考虑的是如何从一端交付数据并在另一端上接收。使用原始套接字处理 IP 协议和更低层，因此在开始处理工具的文件传输功能之前，您必须考虑并实施所有可靠性功能。

因此，回到 Kubernetes。如果您希望跨多台机器运行多个容器，则当您直接与 Docker 交互时，您将有许多工作要做。以下任务至少应在您关心的事项列表中列出：

• Loging 在不同的机器上，并在网络中生成容器

• 通过添加或删除容器，在需求变化时向上或向下扩展

• 使存储与应用程序的多个实例保持一致

• 在不同节点中运行的容器之间分配负载

• 在不同的机器上启动新容器（如果发生故障）

您会发现，通过 Docker 手动完成所有这些工作将会很困难。借助高层抽象以及在 Kubernetes API 中表示它们的对象，所有这些任务都变得更加简单。

Kubernetes 架构和组件

Kubernetes 集群中有两种类型的节点，每一种都运行定义完善的一组流程：

• 头节点：也称为主设备或主节点，它是执行所有思考并做出所有决策的头和大脑。所有智能都位于此处。

• 辅助节点：又称为节点或 minion，这’是开展劳动力的手和脚。

节点由主设备控制，大多数情况下，您只需与主设备对话即可。

您与群集之间最常见的接口之一就是命令行工具 kubectl。它作为客户端应用程序安装在同一主节点或单独的计算机中，例如在 PC 中。无论是在哪里，它都可以通过主设备公开的 REST API 与主设备交谈。

在这本书后面，您可以看到一个使用 kubectl 创建 Kubernetes 对象的示例。但现在只需记住，无论您何时使用 kubectl 命令，您都将’与群集’的主设备进行通信。

Kubernetes 主机

Kubernetes 主节点（即主设备）就是大脑。集群原件提供了控制平面，可做出所有有关群集的全球决策。例如，当您需要集群来生成容器时，主设备将决定调度任务的节点并生成新容器。此过程称为计划。

主服务器负责维护群集所需的状态。为此 web 服务器提供订单时，请确保始终有两个容器相互备份！主监视器将监控运行状态，并在由于任何故障而运行的任何时间少于两个 web 服务器容器时，会产生一个新容器。

在群集中，通常只需要一个主节点，但也可以复制主设备以获得更高的可用性和冗余。主要’功能由主节点中运行的进程集合来实施：

• kube-apiserver可以：是控制平面的前端，提供 REST Api。

• kube-scheduler可以：根据系统重新 quirements （CPU、内存、存储等）和其他自定义参数或约束（例如，关联规格），调度和决定放置容器的位置。

• kube-controller-manager可以：控制大多数不同类型控制器的单个进程，可确保系统的状态正是其应有的。控制器示例可能是：

  • 复制控制器

  • ReplicaSet

  • 部署

  • 服务控制器

• etcd可以：用于存储系统状态的数据库。

Kubernetes 节点

集群中的 Kubernetes 节点是运行用户最终应用程序的机器。在生产环境中，一个集群中可能有数十个或数百个节点，具体取决于设计时的规模，因为它们在集群提供的环境中工作。通常所有容器和工作负载都在节点上运行。节点运行以下进程：

• Kubelet 在主设备和所有节点上运行的 Kubernetes 代理进程。它与 master （通过 kube-apiserver 进程）交互，并管理本地主机中的容器。

• Kube-代理：此进程在节点中使用 Linux iptable 实施 Kubernetes 服务（第3章中引入）。

• 容器-运行时：或本地容器–多数在当今’的市场中 Docker，以容纳所有正在运行的 Dockerized 应用程序。

Kubernetes 工作流

到目前为止’，您已经阅读了每个主机和节点以及其中运行的主进程的相关信息。’现在，我来可视化各事物如何协同工作，如Figure 1所示。

Figure 1: Kubernetes 架构

在Figure 1顶部，通过 kubectl命令时，您与 Kubernetes master 进行了通信，该主控形状管理右侧的两个节点框。Kubectl 通过其在系统中暴露给用户和其他进程的 REST API 与主进程 kube-apiserver 交互。

让’s 发送一些 kubectl 命令– ，如 kubectl create x，以生成新容器。您可以提供有关要生成的容器及其正在运行的行为的详细信息，并且这些规范可提供为 kubectl在配置文件中定义的命令行参数或选项和值（很快就会显示一个例子）。工作流将：

1. Kubectl客户端将首先将 CLI 命令转换为一个以上的 REST API 调用，并将其发送至 kube-apiserver。

2. 验证这些 REST API 调用之后，kube-apiserver 了解该任务并调用 kube-时间表进程，从可用的节点中选择一个可执行此项作业。这是计划过程。

3. 一旦 kube-时间表返回目标节点，kube-apiserver 将使用描述该任务的所有详细信息调度该任务。

4. 目标节点中的 kubelet 进程接收任务并与容器引擎进行交谈，例如Figure 1中的 Docker 引擎，以生成具有所有提供参数的容器。

5. 此作业及其规格将记录在集中式数据库 etcd 中。其工作是保留和提供对群集中所有数据的访问。

当然，这是一个简化的工作流程，但您应该了解基本想法。事实上，随着 Kubernetes 的威力，您很少需要直接使用容器。您可以使用更高级别的对象来隐藏大部分低级别操作详细信息。

例如， Figure 1在为生成容器而不是说：创建两个容器，并确保在其中任何一台出现故障时都将其生成，实践中您只需：使用副本2创建 RC 对象（复制控制器）。

在两个 Docker 容器启动并运行后，kubeapiserver 将与 kube 控制器管理器进行交互，以保持监控作业状态并采取所有必要的措施，确保运行状态是其定义。例如，如果任何 Docker 容器都关闭，将自动生成一个新容器，然后将断开的移动器删除。

此示例中的 RC 是 Kubernetes kube manager 进程提供的一个对象。Kubernetes 对象提供了额外的抽象层，以更简单、更整洁的方式在后台获得相同（通常情况下）工作。由于您在更高级别的工作，而不是从低层次的细节，Kubernetes 对象可显著降低整体部署时间、大脑工作和故障排除的麻烦。让’我们来研究一下。

Kubernetes 对象

现在，您了解了 Kubernetes 群集中 master 和 node 的角色，并了解Kubernetes Architecture中的工作流程模型，让’我们在 Kubernetes 架构中查看更多对象。

Kubernetes’s 对象表示：

• 部署容器化应用程序和工作负载

• 相关网络和磁盘资源

• 有关群集正在进行的操作的其他信息。

最常使用的对象包括：

• Pod

• 服务

• 音量

• 名称空间

更高级别的对象（控制器）包括：

• ReplicationController

• ReplicaSet

• 部署

• StatefulSet

• DaemonSet

• 工作

在前端，Kubernetes 通过一组对象进行操作，因此，Kubernetes 您只需考虑如何在对象的配置文件中描述您的任务，您就’不必担心如何在容器级别中实施它。Kubernetes 在后台与容器引擎进行交互，以协调 Kubelets 上的容器的计划和执行。容器引擎本身负责运行实际容器映像（例如，通过 Docker build）。

第3章提供了有关每个对象及其幻功率的更多示例。首先，让’我们来了解最基本的对象：pod.

构建 Kubernetes 箱

Pod 是您将学习的第一个 Kubernetes 对象。Kubernetes 网站介绍了盒：

一个或多个容器（如 whales 或 pea 箱中的一盒）的一组（如 Docker 容器）、共享存储/网络以及有关如何运行容器的规范。

表明

• Pod 本质上是一组容器。

• 箱中的所有容器都共享存储和网络资源。

与处理’每个单独容器的方法相比，使用 pod 的优势是什么？让’我们来考虑一个简单的用例：您正在使用 Docker 部署 web 服务，您不仅需要前端服务（例如 Apache 服务器），而且可以像数据库服务器、日志服务器、监控服务器等支持服务等。每个支持服务都需要在自己的容器中运行。因此，当需要 web 服务容器时，实质上您会发现自己始终使用一组坞站。在生产中，同一情景也适用于其他大多数服务。最终，您会问：是否有一种方法可以在更高级别的单元中对一组 Docker 容器进行分组，以便您只需考虑低级容器间交互详细信息？

通过将一个或多个容器包装到一个对象中，Pod 提供您所需的完全更高的抽象级别。如果您的 web 服务变得过于流行，并且单个 pod’实例不能进行负载，则可以使用其他对象（RC、部署）的帮助，在几秒内正常地复制和扩展相同的容器组（现在以一个 pod 对象的形式）。这种显著提高了部署和维护效率。

此外，同一 pod 中的容器可共享相同的网络空间，因此容器可以与同一盒中的其他容器轻松通信，就像它们位于同一台机器上一样，同时保持其他设备的隔离程度。在这本书后面，您可以了解更多有关这些优势的信息。

现在，让’我们湿脚，了解如何使用配置文件在 Kubernetes 群集中启动盒中的 pod。

Kubernetes 的 YAML 文件

YAML 是 Kubernetes 配置文件中使用的标准格式，以及许多其他多种配置 Kubernetes 的方式。YAML 广泛使用，很可能您已经熟悉它。否则，这并’不是一件很大的交易，因为 YAML 是一种非常简单的学习语言。每行 YAML 配置都是详细的，您应了解 YAML 格式作为您的 pod 学习流程的附带结果。

YAML 格式的 pod 配置文件为：

YAML 使用三种基本数据类型：

1. 标量（字符串/数字）：atom 数据项，如 pod-1 的字符串，端口号80。

2. 映射（哈希/字典）：键/值对可嵌套。apiVersion: v1 是一个映射。key apiVersion 的值为 v1。

3. 序列（数组/列表）：有序值集合，无键。列表项以-号指示。密钥容器的值是包括两个容器的列表。

在此示例中，您还会看到嵌套的 YAML 数据结构：

• 映射映射：规格是地图的关键，您可以在其中定义 pod’规格。在此示例中，您仅定义要在盒中启动的容器的行为。该值是带有容器键的另一个映射。

• 列表的映射。密钥容器的值为两个项目的列表：每个服务器和客户端容器都是一个映射，它描述了具有几个属性（如名称、图像和端口）的个别容器。

您还应了解有关 YAML 的其他特性：

• 区分大小写

• 相同级别中的元素共享相同的左缩进，缩进量无关紧要

• 不允许使用制表符作为缩进

• 空行无关紧要

• 使用 # 注释线路

• 使用一个单引号来转义任何字符的特殊含义

在深入了解有关 YAML 文件的更多详细信息’之前，请先完成盒创建：

有. 我们创建了第一个 Kubernetes 对象– ，该 pod 称为 pod-1。但容器在哪里？输出内容提供线索：已分配 IP 地址为10.47.255.237 的 pod pod-1 （名称），包含两个容器（就绪/2），已在 Kubernetes 辅助节点 cent333 中启动。盒中的两个容器均已启动（就绪 2/），并且已处于27s 状态，无需重新启动。下面’简要逐行评论 YAML 配置的用途： "

• 第1行：这是对文本使用编号前的注释行，您可以将任何注释放入 YAML 文件中。（在这本书中，我们使用此第一行为 YAML 文件提供文件名。在从 YAML 文件创建对象时，此命令稍后将用于该文件名。）

• 第2、3、4行：四个 YAML 映射是 pod 定义的主要组件：

  • ApiVersion: 有不同版本，例如 v2。这里特别是版本1。

  • 种类请记住，存在不同类型的 Kubernetes 对象，此处我们希望 Kubernetes 创建 pod 对象。稍后，您将在我们的其他对象示例中看到 ReplicationController 或服务的种类。

  • 元数据以识别创建的对象。除了要创建的对象名称之外，另一个重要的元数据是标签。您将在第3章中详细了解这一点。

  • 指标这将提供有关 pod 行为的规格。

• 线路9-15：此处的 pod 规格仅限于两个容器。系统将下载映像，启动每个具有名称的容器，并分别公开指定端口。

下面’是盒’内运行的内容：

毫无疑问，pod-1 由 Kubernetes 群集分配并在所有容器之间共享的 IP 地址包含在 YAML 文件、服务器和客户端中声明的两个容器中，如Figure 2中所示：

Figure 2: 节点、盒和容器

暂停容器

如果登录到 node cent333，’将看到在盒内运行的 Docker 容器：

第三个带有图像名称 k8s.gcr.io/pause 的容器是 Kubernetes 系统为每个 pod 创建的特殊容器。创建的暂停容器用于管理盒的网络资源，该 pod 由该 pod 的所有容器共享。

Figure 3显示了一个盒箱，其中包括几个用户容器和一个暂停容器。

Figure 3: 箱、用户容器和特殊暂停容器

Pod 内通信

在 Kubernetes 主设备中，’从主设备登录到一个容器：

现在，检查容器中运行的进程：

服务器容器

客户端容器

此 ps 命令输出显示，每个容器都在运行自己的进程。但是，ss 和 ip 命令输出指示两个容器共享相同的网络环境，因此两者都可以看到彼此公开的端口。因此，盒中容器之间的通信只需使用 localhost 即可发生。让’我们通过使用卷曲命令启动 TCP 连接来测试这种情况。

假设从客户端容器，您希望从服务器容器获取网页。您只需使用 localhost IP 地址启动曲线：

您可以看到连接已建立，网页已成功下载。

现在，’让我们来监控 TCP 连接状态：已成功建立连接：

完全相同的连接可从服务器容器中看到：

Kubectl 工具

到目前为止’，您已看到由 kubectl 命令创建的对象。与 Docker 世界中的 docker 命令一样，此命令是 Kubernetes world 中的一个接口，用于与群集进行交谈，或者更准确地说是通过 Kubernetes API 的 Kubernetes 主设备。这’是一种多用途工具，可提供满足您需要处理 Kubernetes 的所有任务的选项。

作为一个快速示例，假设您已为 kubectl 启用了自动完成功能，则可以登录到 master 和 kubectl，然后键入两个 tab 键，以列出您当前环境中支持的所有选项：

请放心，您’会在本书其余部分看到并了解其中的部分选项。