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认识

2024年04月19日
柏拉文
越努力，越幸运

一、认识​

Kubernetes（常简称为 k8s）是一个开源的容器编排平台，由 Google 设计和开发，并由 Cloud Native Computing Foundation (CNCF) 维护。Kubernetes 的目标是为容器化应用提供自动化部署、扩展和管理的能力。提供以下基本功能:

  1. 将应用水平扩容到多个集群

  2. 为扩容的实例提供负载均衡的策略

  3. 提供基本的健康检查和自愈能力

  4. 实现任务的统一调度

Kubernetes 是一个功能强大且灵活的容器编排平台，适用于各种复杂的应用部署和管理场景。Kubernetes 适合大型项目、复杂应用和需要高度可扩展性和灵活性的场景。Kubernetes 提供了更全面的功能和更强大的编排能力，适合需要复杂部署策略、大规模集群管理和多租户隔离的企业级应用。

Preview

1.1 为什么需要 K8s​

传统容器编排的痛点: 容器技术虽然解决了应用和基础设施异构的问题，让应用可以做到一次构建，多次部署，但在复杂的微服务场景，单靠 Docker 技术还不够，仍然存在以下问题没有解决:

  1. 集成和编排服务模块

  2. 提供按需自动扩容，缩容能力

  3. 健康检查，故障自愈

  4. 集群内的通信

1.2 K8s 能够解决什么问题？​

  1. 按需的垂直扩容，新的服务器(Node)能够轻易的增加或者删除

  2. 按需的水平扩容，容器实例能够轻松扩容、缩容

  3. 副本控制器，不用担心副本的状态

  4. 服务发现和路由

  5. 自动部署和回滚，如果应用状态错误，可以实现自动回滚

二、功能​

2.1 服务发现​

通过服务和 Ingress 资源，Kubernetes 提供了内置的服务发现和负载均衡功能。

2.2 负载均衡​

通过服务和 Ingress 资源，Kubernetes 提供了内置的服务发现和负载均衡功能。

2.3 自愈能力​

Kubernetes 自愈能力强，支持更多健康检查和恢复机制。 Kubernetes 会监控 Pod 和节点的健康状态，并在检测到故障时自动重启或替换 Pod。

2.4 水平扩展​

Kubernetes 支持根据 CPU 或内存的使用情况自动扩展或缩减应用程序实例数量。

2.5 存储编排​

Kubernetes 可以自动挂载所需的存储系统，包括本地存储、云存储和网络存储。

2.6 滚动更新和回滚​

Kubernetes 支持更高级的滚动更新和回滚策略。 Kubernetes 可以自动化应用程序的部署和更新，并支持回滚到先前的版本，确保应用程序在更新过程中保持可用。

2.7 命名空间和资源隔离​

通过命名空间实现多租户环境的资源隔离，确保不同团队或项目的资源独立管理。

三、核心​

3.1 核心组件​

1. Master 节点: 对集群做出全局决策（比如调度），以及检测和响应集群事件，管理集群的控制平面，负责所有管理任务。主要组件包括：

  • kube-api-server: Master 节点上负责提供 Kubernetes API 服务的组件；处理所有的 REST API 请求，并与集群的各个组件进行通信。

  • etcd: etcd 是兼具一致性和高可用性的键值数据库，可以作为保存 Kubernetes 所有集群数据等的后台数据库。 分布式键值存储，用于保存集群的所有配置信息和状态数据。

  • kube-scheduler: 负责根据资源需求和可用性将容器分配到合适的节点上。

  • kube-controller-manager: 在 Master 节点上运行控制器的组件。运行各种控制器以确保集群的状态符合预期。这些控制器包括:

    • 节点控制器Node Controller: 负责在节点出现故障时运行通知和响应

    • 副本控制器Replication Controller: 负责为系统中的每个副本控制器对象维护正确数量的 Pod

    • 终端控制器Endpoints Controller: 填充终端（Endpoints）对象（即加入 Service 与 Pod）。

    • 服务账户和令牌控制器Service Account & Token Controllers, 为新的命名空间创建默认账户和 API 访问令牌

2. Node 工作节点: 运行容器化应用的节点，主要组件包括：

  • kubelet: 一个在集群中每个节点上运行的代理，它保证容器都运行在 Pod 中。节点级代理，确保容器在节点上运行并保持它们的健康状态。

  • Kube-Proxy: 一个在集群中每个节点上运行的网络代理。实现网络代理，处理 Pod 网络通信和负载均衡。

  • Container Runtime: 负责运行容器的软件。运行容器的实际环境，如 Docker、containerd 或 CRI-O。

3.2 核心概念​

Pod: Kubernetes 中最小的部署单位，由一个或多个容器组成，这些容器共享网络和存储。每个 Pod 都有一个唯一的 IP 地址，并且可以在不同节点上移动。

Service: 提供一组 Pod 的稳定访问点，支持负载均衡。Service 可以使用 ClusterIP、NodePort 或 LoadBalancer 类型来暴露服务。服务是一种抽象，定义了一组 Pod 的逻辑集合以及访问这些 Pod 的策略。它提供了持久的 IP 地址和 DNS 名称，确保即使 Pod 重启或替换，服务地址也保持不变。

Volume: 提供 Pod 共享的持久存储，可以挂载到 Pod 中的容器上。支持多种存储类型，如 NFS、iSCSI、云存储（如 AWS EBS、GCP Persistent Disk）。

Namespace: 用于在同一集群中隔离资源和对象，便于管理和组织。适用于多租户环境或隔离开发、测试和生产环境。

ConfigMap: 用于存储非机密配置信息，可以挂载到 Pod 中。

Secret: 用于存储敏感信息（如密码、密钥），以加密方式存储和使用。

Deployment: 高级管理 Pod 和 ReplicaSet 的控制器，用于声明和管理应用的期望状态。支持滚动更新和回滚。

ReplicaSet: 确保指定数量的 Pod 副本运行，通常由 Deployment 管理。

StatefulSet: 用于管理有状态应用，确保 Pod 有固定的标识和稳定的存储。适用于数据库和其他需要持久化数据的应用。

DaemonSet: 确保每个（或指定）节点上运行一个 Pod 副本，适用于日志收集、监控等系统服务。

Job: 管理一次性任务，确保任务成功完成。

CronJob: 管理定时任务，根据时间表定期运行 Job。

四、工作​

  1. 用户提交请求: 通过 kubectl 命令行工具或其他客户端向 API Server 发送请求。

  2. API Server 处理请求: API Server 处理请求并将数据存储在 etcd 中。

  3. Scheduler 调度 Pod: Scheduler 检查未绑定的 Pod 并根据资源需求和策略将其调度到合适的节点上。

  4. kubelet 管理 Pod: kubelet 在指定节点上创建和管理 Pod，确保它们按预期运行。

  5. Service 和负载均衡: Kube-Proxy 管理网络规则，确保服务请求被正确路由到对应的 Pod。

  6. Controller 保持状态: Controller Manager 运行各种控制器，确保集群的实际状态与期望状态一致。

五、应用​

Kubernetes 具有 强大的编排能力，支持复杂的应用部署和管理需求。具有高可用性， 自动化的自愈和扩展机制确保应用程序的高可用性。同时 具有高扩展性，通过控制器和自定义资源定义（CRD）可以扩展 Kubernetes 的功能。还 具有灵活的存储和网络解决方案， 支持多种存储和网络插件。适用场景如下:

  1. 微服务架构：适合部署和管理微服务架构的应用程序。

  2. 持续集成和持续部署（CI/CD）：支持自动化的应用程序部署和更新。

  3. 多租户环境：通过命名空间和资源配额实现资源隔离和管理。

  4. 混合云和多云环境：支持跨多个云提供商的统一管理。