容器集群技术-Kubernetes简介

随着Docker技术的发展和广泛流行，云原生应用和容器调度管理系统也成为IT领域大热的词汇。事实上，云原生应用的思想，在Docker技术火爆之前，已经由云计算技术的领导者和分布式系统架构的推广者广泛传播，例如云原生应用的12要素早在2011年就由Heroku的工程师提出了；只不过以虚拟机技术作为云原生应用的基础实施，由于虚拟机镜像大、镜像标准不统一以及打包流程和工具不统一，无法业界广泛接受的云原生应用标准，限制了云原生应用的流行。而Docker的出现正好解决了这些限制云原生应用构建、交付和运行的瓶颈，使得构建云原生应用成为了使用Docker的开发者自然而然的选择。

单机的Docker引擎和单一的容器镜像只能解决单一服务的打包和测试问题。而要运行生产级的企业级应用，就需要容器调度管理系统。在这里面，Docker技术就仿佛运送系统零件的集装箱，把云原生应用的各个标准化零件交付到各个企业的不同码头，而容器调度管理系统就是企业应用的运行车间，把不同的零件组装、运行、维护起来。

Kubernetes(k8s)是Google开源的容器集群管理系统（谷歌内部:Borg）。在Docker技术的基础上，为容器化的应用提供部署运行、资源调度、服务发现和动态伸缩等一系列完整功能，提高了大规模容器集群管理的便捷性。

Kubernetes是为生产环境而设计的容器调度管理系统，对于负载均衡、服务发现、高可用、滚动升级、自动伸缩等容器云平台的功能要求有原生支持。由于Kubernetes在K和s间有8个字母，因此常简称K8s。

Kubernetes的系统架构

一个K8s集群是由分布式存储（etcd）、服务节点（Minion，etcd现在称为Node）和控制节点（Master）构成的。所有的集群状态都保存在etcd中，Master节点上则运行集群的管理控制模块。Node节点是真正运行应用容器的主机节点，在每个Minion节点上都会运行一个Kubelet代理，控制该节点上的容器、镜像和存储卷等。

•Kubernetes的核心概念

1.Master

k8s集群的管理节点，负责管理集群，提供集群的资源数据访问入口。拥有Etcd存储服务（可选），运行Api Server进程，Controller Manager服务进程及Scheduler服务进程，关联工作节点Node。Kubernetes API server提供HTTP Rest接口的关键服务进程，是Kubernetes里所有资源的增、删、改、查等操作的唯一入口。也是集群控制的入口进程；Kubernetes Controller Manager是Kubernetes所有资源对象的自动化控制中心；Kubernetes Schedule是负责资源调度（Pod调度）的进程

2.Node

Node是Kubernetes集群架构中运行Pod的服务节点（亦叫agent或minion）。Node是Kubernetes集群操作的单元，用来承载被分配Pod的运行，是Pod运行的宿主机。关联Master管理节点，拥有名称和IP、系统资源信息。运行docker eninge服务，守护进程kunelet及负载均衡器kube-proxy.

Node节点可以在运行期间动态增加到Kubernetes集群中，默认情况下，kubelet会想master注册自己，这也是Kubernetes推荐的Node管理方式，kubelet进程会定时向Master汇报自身情报，如操作系统、Docker版本、CPU和内存，以及有哪些Pod在运行等等，这样Master可以获知每个Node节点的资源使用情况，冰实现高效均衡的资源调度策略。、

3.Pod

运行于Node节点上，若干相关容器的组合。Pod内包含的容器运行在同一宿主机上，使用相同的网络命名空间、IP地址和端口，能够通过localhost进行通。Pod是Kurbernetes进行创建、调度和管理的最小单位，它提供了比容器更高层次的抽象，使得部署和管理更加灵活。一个Pod可以包含一个容器或者多个相关容器。

Pod其实有两种类型：普通Pod和静态Pod，后者比较特殊，它并不存在Kubernetes的etcd存储中，而是存放在某个具体的Node上的一个具体文件中，并且只在此Node上启动。普通Pod一旦被创建，就会被放入etcd存储中，随后会被Kubernetes Master调度到摸个具体的Node上进行绑定，随后该Pod被对应的Node上的kubelet进程实例化成一组相关的Docker容器冰启动起来，在。在默认情况下，当Pod里的某个容器停止时，Kubernetes会自动检测到这个问起并且重启这个Pod（重启Pod里的所有容器），如果Pod所在的Node宕机，则会将这个Node上的所有Pod重新调度到其他节点上。

4.Replication Controller

Replication Controller用来管理Pod的副本，保证集群中存在指定数量的Pod副本。集群中副本的数量大于指定数量，则会停止指定数量之外的多余容器数量，反之，则会启动少于指定数量个数的容器，保证数量不变。Replication Controller是实现弹性伸缩、动态扩容和滚动升级的核心。

5.Service

Service定义了Pod的逻辑集合和访问该集合的策略，是真实服务的抽象。Service提供了一个统一的服务访问入口以及服务代理和发现机制，关联多个相同Label的Pod，用户不需要了解后台Pod是如何运行。

外部系统访问Service的问题

首先需要弄明白Kubernetes的三种IP这个问题

Node IP：Node节点的IP地址

Pod IP： Pod的IP地址

Cluster IP：Service的IP地址

首先,Node IP是Kubernetes集群中节点的物理网卡IP地址，所有属于这个网络的服务器之间都能通过这个网络直接通信。这也表明Kubernetes集群之外的节点访问Kubernetes集群之内的某个节点或者TCP/IP服务的时候，必须通过Node IP进行通信

其次，Pod IP是每个Pod的IP地址，他是Docker Engine根据docker0网桥的IP地址段进行分配的，通常是一个虚拟的二层网络。

最后Cluster IP是一个虚拟的IP，但更像是一个伪造的IP网络，原因有以下几点

Kubernetes集群之内，Node IP网、Pod IP网于Cluster IP网之间的通信，采用的是Kubernetes自己设计的一种编程方式的特殊路由规则。

6.Label

Kubernetes中的任意API对象都是通过Label进行标识，Label的实质是一系列的Key/Value键值对，其中key于value由用户自己指定。Label可以附加在各种资源对象上，如Node、Pod、Service、RC等，一个资源对象可以定义任意数量的Label，同一个Label也可以被添加到任意数量的资源对象上去。Label是Replication Controller和Service运行的基础，二者通过Label来进行关联Node上运行的Pod。

我们可以通过给指定的资源对象捆绑一个或者多个不同的Label来实现多维度的资源分组管理功能，以便于灵活、方便的进行资源分配、调度、配置等管理工作。

一些常用的Label如下：

Label相当于我们熟悉的标签，给某个资源对象定义一个Label就相当于给它大了一个标签，随后可以通过Label Selector（标签选择器）查询和筛选拥有某些Label的资源对象，Kubernetes通过这种方式实现了类似SQL的简单又通用的对象查询机制。

Label Selector在Kubernetes中重要使用场景如下:

Kubernetes架构和组件

•Kubernetes组件:

Kubernetes Master控制组件，调度管理整个系统（集群），包含如下组件:

1.Kubernetes API Server

作为Kubernetes系统的入口，其封装了核心对象的增删改查操作，以RESTful API接口方式提供给外部客户和内部组件调用。维护的REST对象持久化到Etcd中存储。

2.Kubernetes Scheduler

为新建立的Pod进行节点(node)选择(即分配机器)，负责集群的资源调度。组件抽离，可以方便替换成其他调度器。

3.Kubernetes Controller

负责执行各种控制器，目前已经提供了很多控制器来保证Kubernetes的正常运行。

4. Replication Controller

管理维护Replication Controller，关联Replication Controller和Pod，保证Replication Controller定义的副本数量与实际运行Pod数量一致。

5. Node Controller

管理维护Node，定期检查Node的健康状态，标识出(失效|未失效)的Node节点。

6. Namespace Controller

管理维护Namespace，定期清理无效的Namespace，包括Namesapce下的API对象，比如Pod、Service等。

7. Service Controller

管理维护Service，提供负载以及服务代理。

8.EndPoints Controller

管理维护Endpoints，关联Service和Pod集群存储技术，创建Endpoints为Service的后端，当Pod发生变化时，实时更新Endpoints。

9. Service Account Controller

管理维护Service Account，为每个Namespace创建默认的Service Account，同时为Service Account创建Service Account Secret。

10. Persistent Volume Controller

管理维护Persistent Volume和Persistent Volume Claim，为新的Persistent Volume Claim分配Persistent Volume进行绑定，为释放的Persistent Volume执行清理回收。

11. Daemon Set Controller

管理维护Daemon Set集群存储技术，负责创建Daemon Pod，保证指定的Node上正常的运行Daemon Pod。

12. Deployment Controller

管理维护Deployment，关联Deployment和Replication Controller，保证运行指定数量的Pod。当Deployment更新时，控制实现Replication Controller和Pod的更新。

13.Job Controller

管理维护Job，为Jod创建一次性任务Pod，保证完成Job指定完成的任务数目

14. Pod Autoscaler Controller

实现Pod的自动伸缩，定时获取监控数据，进行策略匹配，当满足条件时执行Pod的伸缩动作。

•Kubernetes Node运行节点，运行管理业务容器，包含如下组件:

1.Kubelet

负责管控容器，Kubelet会从Kubernetes API Server接收Pod的创建请求，启动和停止容器，监控容器运行状态并汇报给Kubernetes API Server。

2.Kubernetes Proxy

负责为Pod创建代理服务，Kubernetes Proxy会从Kubernetes API Server获取所有的Service信息，并根据Service的信息创建代理服务，实现Service到Pod的请求路由和转发，从而实现Kubernetes层级的虚拟转发网络。

3.Docker

Node上需要运行容器服务