Introduction basic of kubernetes

我們要學(xué)習(xí) Kubernetes，就有首先了解 Kubernetes 的技術(shù)范圍、基礎(chǔ)理論知識庫等，要學(xué)習(xí) Kubernetes，肯定要有入門過程，在這個過程中，學(xué)習(xí)要從易到難，先從基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。

那么 Kubernetes 的入門基礎(chǔ)內(nèi)容（表示學(xué)習(xí)一門技術(shù)前先了解這門技術(shù)）包括哪些？

根據(jù) Linux 開源基金會的認(rèn)證考試，可以確認(rèn)要了解 Kubernetes ，需要達成以下學(xué)習(xí)目標(biāo)：

• Discuss Kubernetes.
• Learn the basic Kubernetes terminology.
• Discuss the configuration tools.
• Learn what community resources are available.

接下來筆者將一一介紹 Kubernetes 的一些概念(Discuss)、技術(shù)術(shù)語(Terminology)、相關(guān)配置工具以及社區(qū)開源資源(Community resources)。

本系列教程將會混雜一些英文，因為研究和使用 Kubernetes 的過程中，會接觸到大量英文，并且 Kubernetes 的國際認(rèn)證考試，都是英文考試，多接觸一些英文單詞，慢慢積累吧。。。

本系列教程主要參考 Linux 開源基金會的課程內(nèi)容及 Kubernetes 文檔，課程內(nèi)容按照 Attribution 3.0 Unported (CC BY 3.0) 協(xié)議，在寫作時參考、復(fù)制網(wǎng)站內(nèi)容、共享知識庫等。關(guān)于 CC BY 3.0 協(xié)議，其說明如下：

• 共享—以任何媒介或格式復(fù)制和重新分發(fā)材料
• 適應(yīng)-重新混合，變換并在材料上構(gòu)建
• 出于任何目的，甚至出于商業(yè)目的。

Linux 開源基金會認(rèn)證考試與課程學(xué)習(xí)網(wǎng)址：

https://training.linuxfoundation.org/#

使用條款：

https://www.linuxfoundation.org/terms/

學(xué)習(xí) Kubernetes 后，可以進一步考取以下認(rèn)證證書：

Kubernetes 管理員認(rèn)證 (CKA)、Kubernetes 應(yīng)用程序開發(fā)者認(rèn)證 (CKAD)、Kubernetes安全專家認(rèn)證 (CKS)。

What Is Kubernetes?

我們先思考一下，運行一個 Docker 容器，只需要使用 docker run ... 命令即可，這是相當(dāng)簡單(relatibely simple)的方法。

但是，要實現(xiàn)以下場景，則是困難的：

• 跨多臺主機的容器相互連接(connecting containers across multiple hosts)
• 拓展容器(scaling containers)
• 在不停機的情況下配置應(yīng)用(deploying applications without downtime)
• 在多個方面進行服務(wù)發(fā)現(xiàn)(service discovery among several aspects)

在 2008年，LXC（Linux containers） 發(fā)布第一個版本，這是最初的容器版本；2013 年，Docker 推出了第一個版本；而 Google 則在 2014 年推出了 LMCTFY。

為了解決大集群(Cluster)中容器部署、伸縮和管理的各種問題，出現(xiàn)了 Kubernetes、Docker Swarm 等軟件，稱為 容器編排引擎。

Kubernetes 是什么？

"an open-source system for automating deployment, scaling, and management of containerized applications".

“一個自動化部署、可拓展和管理容器應(yīng)用的開源系統(tǒng)”

Google 的基礎(chǔ)設(shè)施在虛擬機(Virtual machines)技術(shù)普及之前就已經(jīng)達到了很大的規(guī)模，高效地(Efficiency)使用集群和管理分布式應(yīng)用成為 Google 挑戰(zhàn)的核心。而容器技術(shù)提供了一種高效打包集群的解決方案。

多年來，Google 一直使用 Borg 來管理集群中的容器，積累了大量的集群管理經(jīng)驗和運維軟件開發(fā)能力，Google 參考 Borg ，開發(fā)出了 Kubernetes，即 Borg 是 Kubernetes 的前身。（但是 Google 目前還是主要使用 Borg）。

Kubernetes 從一開始就通過一組基元(primitives)、強大的和可拓展的 API 應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，添加新對象和控制器地能力可以很容易地地址各種各樣的產(chǎn)品需求(production needs)。

因為 Kubernetes 這個單詞不好發(fā)音，而 k 和 s 之間有 8 個單詞，因此一般大家都讀 k 8 s。

Kubernetes 是使用 Go 語言編寫的。

當(dāng)然，除了 Kubernetes ，還有 Docker Swarm、Apache Mesos、Nomad、Rancher 等軟件可以監(jiān)控容器狀態(tài)、動態(tài)伸縮等。

Components of Kubernetes

Kubernetes 的組件分為兩種，分別是 Control Plane Components(控制平面組件)、Node Components(節(jié)點組件)。

Control Plane Components 用于對集群做出全局決策；

Node Components 在節(jié)點中運行，為 Pod 提供 Kubernetes 環(huán)境。

Docker 和 Kubernetes 并不是想上就上的，這可能需要改變開發(fā)模式和系統(tǒng)管理方法(system administration approach)。在傳統(tǒng)環(huán)境中，會在一臺專用服務(wù)器(dedicated server)部署(Deploy)單一的應(yīng)用(a monolithic application)，當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)展后，需要更大的流量帶寬、CPU和內(nèi)存，這時可能對程序進行大量的定制（提高性能、緩存優(yōu)化等），同時也需要更換更大的硬件(hardware)。

而在使用 Kubernetes 的解決方案中，是使用更多的小型服務(wù)器或者使用微服務(wù)的方式，去替代單一的、大型的一臺服務(wù)器模式。

例如，為了保證服務(wù)可靠性，當(dāng)一臺主機的服務(wù)進程掛掉后，會啟用另一臺服務(wù)器去替代服務(wù)；如果單臺服務(wù)器配置非常高，那么成本必定也會很高，這種方案的實現(xiàn)成本會比較高。而使用 Kubernetes 的方案中，當(dāng)一臺服務(wù)器或進程掛掉后，啟動另一臺服務(wù)器，可能只需要不到 1GB 的內(nèi)存，更何況微服務(wù)可以實現(xiàn)應(yīng)用模塊解耦(decoupling)。

PS：現(xiàn)在大家使用的 Web 服務(wù)器應(yīng)該大多數(shù)是 Nginx，Nginx 正是支持負(fù)載均衡、反向代理、多服務(wù)器配置等，非常適合微服務(wù)和多主機部署。而 Apache 的模式是使用許多 httpd 的守護進程(daemons) 去響應(yīng)頁面請求。

將一個單一應(yīng)用拆分為多個 microservice；將一臺高配置的服務(wù)器改完多態(tài)小型服務(wù)器，即 agent。接著便可以使用 Kubnentes 管理集群。而為了管理多臺服務(wù)器、多個服務(wù)實例，Kubernentes 提供了各種各樣的組件。

在 Kubernetes 中，在每臺小型服務(wù)器上的部署的應(yīng)用，我們稱 microservice(邏輯上) 或 agent(等同于一臺服務(wù)器)，應(yīng)用的生命周期都是短暫(transient)，因為一旦出現(xiàn)異常，都可能被替換掉。為了使用集群中的多個 microservice，我們需要服務(wù)和 API 調(diào)用。一個服務(wù)需要連接到另一個服務(wù)，則需要 agent 跟 agent 之間通訊，例如 Web 需要連接到 數(shù)據(jù)庫。 Kubernetes 和 Consul 都有服務(wù)發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)代理或組網(wǎng)的功能，Kubernetes 提供了 kube-proxy ，Consul 提供了 Consul connect ，讀者可以單獨查閱資料了解。

讀者可以點擊下面的鏈接了解更多 Components of Kubernetes 的知識：

https://www.vmware.com/topics/glossary/content/components-kubernetes

Kubernetes Architecture

上圖是簡單的 kubernetes 結(jié)構(gòu)，左側(cè)虛線方框中，稱為 central manager (也叫master) ，意思是中心(central)管理器；而右側(cè)是三個工作節(jié)點(worker node)，這些節(jié)點被稱為 minions 。這兩部分對應(yīng)為 Master-Minions。

在 上圖中， Master 由多個組件構(gòu)成：

• 一個 API 服務(wù)(kube-apiserver)
• 一個調(diào)度器(kube-scheduler)
• 各種各樣的控制器(上圖有兩個控制器)
• 一個存儲系統(tǒng)(這個組件稱為etcd)，存儲集群的狀態(tài)、容器的設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)配置等書籍

接下來我們將圍繞這張圖片，去學(xué)習(xí)那些 Kubernetes 中的術(shù)語和關(guān)鍵字。

Docker cgroup And namespace

我們知道，操作系統(tǒng)是以一個進程為單位進行資源調(diào)度的，現(xiàn)代操作系統(tǒng)為進程設(shè)置了資源邊界，每個進程使用自己的內(nèi)存區(qū)域等，進程之間不會出現(xiàn)內(nèi)存混用。Linux 內(nèi)核中，有 cgroups 和 namespaces 可以為進程定義邊界，使得進程彼此隔離。

namespace

在容器中，當(dāng)我們使用 top 命令或 ps 命令查看機器的進程時，可以看到進程的 Pid，每個進程一個 Pid，而機器的所有容器都具有一個 Pid = 1 的基礎(chǔ)，但是為什么不會發(fā)生沖突？容器中的進程可以任意使用所有端口，而不同容器可以使用相同的端口，為什么不會發(fā)生沖突？這些都是命名空間可以設(shè)定邊界的表現(xiàn)。

Linux 中，unshare 可以創(chuàng)建一個命名空間(實際上是一個進程，命名空間中的其它進程是這個進程的子進程)，并且創(chuàng)建一些資源(子進程)。為了深刻理解 Docker 中的 namespace，我們可以在 Linux 中執(zhí)行：

sudo unshare --fork --pid --mount-proc bash

然后執(zhí)行 ps aux 查看進程：

USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.1  23612  3556 pts/1    S    21:14   0:00 bash
root        13  0.0  0.1  37624  3056 pts/1    R+   21:14   0:00 ps aux

是不是跟 Docker 容器執(zhí)行命令的結(jié)果相似？我們還可以使用 nsenter 命令進入另一個進程的命名空間。

上面的代碼中，--pid 參數(shù)代碼創(chuàng)建 pid 命名空間，但是因為并沒有隔離網(wǎng)絡(luò)，因此當(dāng)我們執(zhí)行 netstat --tlap 命令時，這個命名空間的網(wǎng)絡(luò)跟其它命名空間的網(wǎng)絡(luò)還不是隔離的。

Linux 中的 namespace 類型有：

• mount ：命名空間具有獨立的掛載文件系統(tǒng)；
• ipc：Inter-Process Communication (進程間通訊)命名空間，具有獨立的信號量、共享內(nèi)存等；
• uts：命名空間具有獨立的 hostname 、domainname；
• net：獨立的網(wǎng)絡(luò)，例如每個 docker 容器都有一個虛擬網(wǎng)卡；
• pid：獨立的進程空間，空間中的進程 Pid 都從 1 開始；
• user：命名空間中有獨立的用戶體系，例如 Docker 中的 root 跟主機的用戶不一樣；
• cgroup：獨立的用戶分組；

Docker 中的命名空間正是依賴 Linux 內(nèi)核實現(xiàn)的。

cgroups

cgroups 可以限制進程可使用的內(nèi)存、CPU大小。cgroups 全稱是 Control Groups，是 Linux 內(nèi)核中的物理資源隔離機制。

為了避免篇幅過大，讀者只需要知道 Docker 限制容器資源使用量、CPU 核數(shù)等操作，其原理是 Linux 內(nèi)核中的 cgroups 即可，筆者這里不再贅述。

kube-apiserver

Kubernetes 通過 kube-apiserver 暴露一組 API，我們可以通過這些 API 控制 Kubernetes 的行為，而 kubernetes 有一個調(diào)用了這些 API 的本地客戶端，名為 kubectl。當(dāng)然，我們也可以利用這些 API 開發(fā)出跟 kubectl 一樣強大的工具，例如網(wǎng)格管理工具 istio。

kube-scheduler

當(dāng)要運行容器時，發(fā)送的請求會被調(diào)度器(kube-scheduler)轉(zhuǎn)發(fā)到 API；調(diào)度器還可以尋找一個合適的節(jié)點運行這個容器。

node

集群中的每個節(jié)點都會運行著兩個進程，分別是 kubelet，kube-proxy。（可以留意上圖的 Kubernetes Mimons 里面）

在前面，我們知道當(dāng)要運行一個容器時，需要調(diào)度器轉(zhuǎn)發(fā) API，這個請求最終會發(fā)送到 node 上的 kubelet，kubelet 可以接收 ”運行容器“ 的請求；kubelet 還可以管理那些必需的資源以及在本地節(jié)點上監(jiān)控它們。

kube-proxy 可以創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)規(guī)則，以便在網(wǎng)絡(luò)上公開容器。

Kubernetes Master 只能是 Linux，而 node 則可以是 Linux 和 Windows 等。

Terminology

本章將介紹一些 Kubenetes 的術(shù)語，以便提前了解 kubernetes 中的一些概念。本小節(jié)的內(nèi)容并不會有太多解釋，因為每部分要講起來會很復(fù)雜，而這些在后面的 Kubernetes 技術(shù)中，都會單獨講解到，因此這里只是介紹一些簡明的概念。讀者不需要仔細看，只需要概覽一遍即可。

Orchestration is managed

編排管理(Orchestration is managed) 是通過一系列的 監(jiān)控循環(huán)(watch-loops)去控制或操作的；每個控制器(controller interogates) 都向 kube-apiserver 詢問對象狀態(tài)，然后修改它，直至達到條件。

容器編排是管理容器的最主要的技術(shù)。Dockers 也有其官方開發(fā)的 swarm 這個編排工具，但是在 2017 年的容器編排大戰(zhàn)中，swarm 敗于 Kubernetes。

namespace

Kubernetes 文檔說，對于只有幾到幾十個用戶的集群，根本不需要創(chuàng)建或考慮名字空間。這里我們只需要知道，集群資源被使用名字劃出來，資源之間可以隔離開，這種名字稱為命名空間。當(dāng)然這個命名空間跟前面提到的 Linux 內(nèi)核的命名空間技術(shù)不同，讀者只需要了解到兩者的理念相通就行。

Pod

Pod 是 Kubernetes 中創(chuàng)建和管理的、最小的可部署的計算單元。

在前面的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)了解到 Kubernetes 是一個編排系統(tǒng)(orchestration system)，用于部署(deploy)和管理容器。而容器，在 一個 Pod 上運行，一個 Pod 運行著多個 容器，并且這些容器共享著 IP 地址、訪問存儲系統(tǒng)和命名空間。Kubernetes 通過命名空間讓集群中的對象相互隔離開，實現(xiàn)資源控制和多租戶(multi-tenant)連接。

Replication Controller

Replication Controller 簡稱 RC，應(yīng)答控制器(Replication Controller) 用來部署和升級 Pod。

ReplicaSet

ReplicaSet 的目的是維護一組在任何時候都處于運行狀態(tài)的 Pod 副本的穩(wěn)定集合。

如果 Pod 掛了，我們可以手工重啟 Pod，但是這種操作方法肯定不靠譜，不可能人力 24 小時以及瞬時執(zhí)行完一系列命令。

Deployments

Deployment 提供了一種對 Pod 和 ReplicaSet 的管理方式。這里不贅述，以后需要時再提及。

Kubernetes 對象

kubernetes 對象是持久化的實體，通過這些實體，可以雕塑整個集群的狀態(tài)。這里介紹一些對象信息的表示。

• 對象名稱和 IDs：使用名稱、UID來表示其在同類資源中的唯一性；
• 命名空間：即之前提到的 namespace；
• 標(biāo)簽和選擇算符：標(biāo)簽（Labels） 是附加到 Kubernetes 對象（比如 Pods）上的鍵值對；
• 注解：為對象附加的非標(biāo)識的元數(shù)據(jù)；
• 字段選擇器：根據(jù)一個或多個資源字段的值 篩選 Kubernetes 資源；

到此這篇關(guān)于Kubernetes(K8S)入門基礎(chǔ)內(nèi)容的文章就介紹到這了。希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。