8 分鐘了解 Kubernetes

Kubernetes 脫胎于 Google 的 Borg 系統(tǒng)，是一個(gè)功能強(qiáng)大的容器編排系統(tǒng)。Kubernetes
及其整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)（工具、模塊、插件等）均使用 Go 語言編寫，從而構(gòu)成一套面向
API、可高速運(yùn)行的程序集合，這些程序文檔精良、易于參與貢獻(xiàn)或在其上構(gòu)建應(yīng)用程序。

每個(gè)開發(fā)、運(yùn)維或感興趣的讀者都應(yīng)熟悉它的一些核心概念，以便理解這個(gè)系統(tǒng)及其不同的功能，以及為什么幾乎所有人都在使用它。

在繼續(xù)之前，我想提一下 Kubernetes 的幾個(gè)頂級(jí)朋友（或競爭對(duì)手）：ECS、Nomad 和 Mesos。ECS 是 AWS
自己的編排解決方案，最近它又推出了托管在 AWS 上的 Kubernetes 系統(tǒng)——EKS。兩者都支持 FARGATE，讓用戶無須關(guān)心所運(yùn)行的物理資源。

Kubernetes
毫無疑問是最大贏家，作為一個(gè)開源系統(tǒng)，三大主流云服務(wù)商都以托管的方式提供了這項(xiàng)功能。但是，它比其他幾個(gè)產(chǎn)品都要來得復(fù)雜和混亂。Kubernetes
可以處理幾乎任何類型的容器負(fù)載，也有很多技巧，但這并不意味著每個(gè)人都應(yīng)該使用它。其他解決方案或許也能滿足某些公司的要求，例如，完全部署在 AWS
上的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品公司，使用 ECS 會(huì)比 Kubernetes 具有更佳的生產(chǎn)環(huán)境體驗(yàn)，是的，也好于 EKS。

話雖如此，Kubernetes
的魔力在于：它可以部署在任何地方、它擁有一個(gè)活躍的社區(qū)，有數(shù)百個(gè)核心開發(fā)人員及數(shù)千個(gè)生態(tài)系統(tǒng)開源貢獻(xiàn)者。它運(yùn)行快速、具有創(chuàng)新性、模塊化且面向
API，是一個(gè)對(duì)構(gòu)建插件或服務(wù)非常友好的系統(tǒng)。

好了，閑話少說，開始我們的旅程。

Kubernetes 的 11 個(gè)部分

1. Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的可互動(dòng)單元。一個(gè) Pod 可以由多個(gè)容器組成，這些容器共同部署在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上形成一個(gè)單元。一個(gè) Pod 具有一個(gè)
IP，該 IP 在其容器之間共享。
在微服務(wù)世界中，一個(gè) Pod 可以是執(zhí)行后臺(tái)工作或服務(wù)請(qǐng)求的微服務(wù)的單個(gè)實(shí)例。

2. Node（節(jié)點(diǎn)）

Node 是機(jī)器。它們是 Kubernetes 用于部署 Pod 的“裸機(jī)”（或虛擬機(jī)）。Node 為 Kubernetes
提供可用的集群資源用于以保持?jǐn)?shù)據(jù)、運(yùn)行作業(yè)、維護(hù)工作負(fù)載、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)路由等。

3. Label（標(biāo)簽）與 Annotation（注解）

Label 是 Kubernetes 及其最終用戶用于過濾系統(tǒng)中相似資源的方式，也是資源與資源相互“訪問”或關(guān)聯(lián)的粘合劑。比如說，為 Deployment
打開端口的 Service。不論是監(jiān)控、日志、調(diào)試或是測試，任何 Kubernetes 資源都應(yīng)打上標(biāo)簽以供后續(xù)查驗(yàn)。例如，給系統(tǒng)中所有 Worker Pod
打上標(biāo)簽：app=worker，之后即可在 kubectl 或 Kubernetes API 中使用 --selector 字段對(duì)其進(jìn)行選擇。
Annotation 與 Label 非常相似，但通常用于以自由的字符串形式保存不同對(duì)象的元數(shù)據(jù)，例如“更改原因: 安全補(bǔ)丁升級(jí)”。

4. Service Discovery（服務(wù)發(fā)現(xiàn)）

作為編排系統(tǒng)，Kubernetes 控制著不同工作負(fù)載的眾多資源，負(fù)責(zé)管理 Pod、作業(yè)及所有需要通信的物理資源的網(wǎng)絡(luò)。為此，Kubernetes 使用了
ETCD。

ETCD 是 Kubernetes 的“內(nèi)部”數(shù)據(jù)庫，Master 通過它來獲取所有資源的位置。Kubernetes
還為服務(wù)提供了實(shí)際的“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”——所有 Pod 使用了一個(gè)自定義的 DNS 服務(wù)器，通過解析其他服務(wù)的名稱以獲取其 IP 地址和端口。它在
Kubernetes 集群中“開箱即用”，無須進(jìn)行設(shè)置。

5. ReplicaSet（副本集）

雖然 Pod 是一個(gè)物理性的運(yùn)行任務(wù)，但通常使用單個(gè)實(shí)例是不夠的。為了冗余并處理負(fù)載，出于某種原因（比如“伸縮”）需要對(duì) Pod
進(jìn)行復(fù)制。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)擴(kuò)展和復(fù)制的層，Kubernetes 使用了
ReplicaSet。這個(gè)層以副本的數(shù)量表示系統(tǒng)的期望狀態(tài)，并在任意給定時(shí)刻保持該系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。

這也是配置自動(dòng)伸縮的所在，在系統(tǒng)高負(fù)載時(shí)創(chuàng)建額外的副本，并在不再需要這些資源來支撐所運(yùn)行的工作負(fù)載時(shí)進(jìn)行縮容。

6. DaemonSet（守護(hù)進(jìn)程集）

有時(shí)候，應(yīng)用程序每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要的實(shí)例不超過一個(gè)。比如 FileBeat
<https://www.elastic.co/products/beats/filebeat>
?這類日志收集器就是個(gè)很好的例子。為了從各個(gè)節(jié)點(diǎn)收集日志，其代理需要運(yùn)行在所有節(jié)點(diǎn)上，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要一個(gè)實(shí)例。Kubernetes 的 DaemonSet
即可用于創(chuàng)建這樣的工作負(fù)載。

7. StatefulSet（有狀態(tài)集）


盡管多數(shù)微服務(wù)涉及的都是不可變的無狀態(tài)應(yīng)用程序，但也有例外。有狀態(tài)的工作負(fù)載有賴于磁盤卷的可靠支持。雖然應(yīng)用程序容器本身可以是不可變的，可以使用更新的版本或更健康的實(shí)例來替代，但是所有副本還是需要數(shù)據(jù)的持久化。StatefulSet
即是用于這類需要在整個(gè)生命周期內(nèi)使用同一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序的部署。

它還保留了它的“名稱”：容器內(nèi)的 hostname 以及整個(gè)集群中服務(wù)發(fā)現(xiàn)的名稱。3 個(gè) ZooKeeper 構(gòu)成的 StatefulSet 可以被命名
zk-1、zk-2 及 zk-3，也可以擴(kuò)展到更多的成員 zk-4、zk-5 等等…… StatefulSets 還負(fù)責(zé)管理
PersistentVolumeClaim（Pod 上連接的磁盤）。

8. Job（任務(wù)）

Kubernetes 核心團(tuán)隊(duì)考慮了大部分使用編排系統(tǒng)的應(yīng)用程序。雖然多數(shù)應(yīng)用程序要求持續(xù)運(yùn)行以同時(shí)處理服務(wù)器請(qǐng)求（比如 Web
服務(wù)器），但有時(shí)還是需要生成一批作業(yè)并在其完成后進(jìn)行清理。比如，一個(gè)迷你的無服務(wù)器環(huán)境。
為了在 Kubernetes 中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以使用 Job 資源。正如其名，Job 的工作是生成容器來完成特定的工作，并在成功完成時(shí)銷毀。舉個(gè)例子，一組
Worker 從待處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)隊(duì)列中讀取作業(yè)。一旦隊(duì)列空了，就不再需要這些 Worker 了，直到下個(gè)批次準(zhǔn)備好。

9. ConfigMap（配置映射）及 Secret（機(jī)密配置）

如果你還不熟悉十二要素應(yīng)用清單 <https://12factor.net/>
，請(qǐng)先行了解?，F(xiàn)代應(yīng)用程序的一個(gè)關(guān)鍵概念是無環(huán)境，并可通過注入的環(huán)境變量進(jìn)行配置。應(yīng)用程序應(yīng)與其位置完全無關(guān)。為了在 Kubernetes
中實(shí)現(xiàn)這個(gè)重要的概念，就有了
ConfigMap。實(shí)際上這是一個(gè)環(huán)境變量鍵值列表，它們會(huì)被傳遞給正在運(yùn)行的工作負(fù)載以確定不同的運(yùn)行時(shí)行為。在同樣的范疇下，Secret
與正常的配置條目類似，只是會(huì)進(jìn)行加密以防類似密鑰、密碼、證書等敏感信息的泄漏。

我個(gè)人認(rèn)為 Hashicorp 的 Vault 是使用機(jī)密配置的最佳方案。請(qǐng)務(wù)必閱讀一下我去年寫的有關(guān)文章
<https://medium.com/prodopsio/security-for-dummies-protecting-application-secrets-made-easy-5ef3f8b748f7>
，文章講述了將 Vault 作為生產(chǎn)環(huán)境一部分的原因，以及我的一位同事寫的另一篇更技術(shù)性的文章
<https://medium.com/prodopsio/taking-your-hashicorp-vault-to-the-next-level-8549e7988b24>
。

10. Deployment（部署）

一切看起來都很美好，Pod 可以正常運(yùn)行，如果上層有
ReplicaSet，還可以根據(jù)負(fù)載進(jìn)行伸縮。不過，大家蜂擁而來，為的是能用新版本快速替換應(yīng)用程序。我們想小規(guī)模地進(jìn)行構(gòu)建、測試和發(fā)布，以縮短反饋周期。使用
Deployments 即可持續(xù)地部署新軟件，這是一組描述特定運(yùn)行工作負(fù)載新需求的元數(shù)據(jù)。舉個(gè)例子，發(fā)布新版本、錯(cuò)誤修復(fù)，甚至是回滾（這是
Kubernetes 的另一個(gè)內(nèi)部選項(xiàng)）。
在 Kubernetes 中部署軟件可使用 2 個(gè)主要策略：

*
替換——正如其名，使用新需求替換全部負(fù)載，自然會(huì)強(qiáng)制停機(jī)。對(duì)于快速替換非生產(chǎn)環(huán)境的資源，這很有幫助。

*
滾動(dòng)升級(jí)——通過監(jiān)聽兩個(gè)特定配置慢慢地將容器替換成新的：

a. MaxAvailable——設(shè)置在部署新版本時(shí)可用的工作負(fù)載比例（或具體數(shù)量），100% 表示“我有 2 個(gè)容器，在部署時(shí)要保持 2
個(gè)存活以服務(wù)請(qǐng)求”；

b. MaxSurge——設(shè)置在當(dāng)前存活容器的基礎(chǔ)上部署的工作負(fù)載比例（或數(shù)量），100% 表示“我有 X 個(gè)容器，部署另外 X
個(gè)容器，然后開始滾動(dòng)移除舊容器”。

11. Storage（存儲(chǔ)）

Kubernetes 在存儲(chǔ)之上添加了一層抽象。工作負(fù)載可以為不同任務(wù)請(qǐng)求特定存儲(chǔ)，甚至可以管理超過 Pod
生命周期的持久化。為簡短起見，請(qǐng)閱讀作者之前發(fā)布的關(guān)于 Kubernetes 存儲(chǔ)的文章
<https://medium.com/prodopsio/k8s-will-not-solve-your-storage-problems-5bda2e6180b5>
，特別重點(diǎn)看看為什么它不能完全解決類似數(shù)據(jù)庫部署這樣的數(shù)據(jù)持久性要求。

概念性理解


Kubernetes（現(xiàn)在仍然）是根據(jù)一些指導(dǎo)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的，構(gòu)建在系統(tǒng)里的每個(gè)功能、概念和想法都考慮了社區(qū)因素。此外，最終用戶會(huì)被引導(dǎo)以某種方式使用該系統(tǒng)，但這不是強(qiáng)迫的；最佳實(shí)踐也是公開的，但作為一個(gè)開源免費(fèi)的系統(tǒng)，你完全可以根據(jù)自身需要進(jìn)行操作。

面向 API——系統(tǒng)每個(gè)部分構(gòu)建時(shí)通過優(yōu)良的文檔和可操作的 API
來實(shí)現(xiàn)可交互性。核心開發(fā)人員會(huì)確保最終用戶可以進(jìn)行更改、查詢和更新，以免將其阻擋在外或有不想要的過濾器。

歡迎包裝工具——作為前一點(diǎn)的衍生產(chǎn)品，Kubernetes 對(duì)在其 API 之上構(gòu)建的工具和包裝器表示歡迎。作為一個(gè)原始平臺(tái)，Kubernetes
是以一個(gè)非?？啥ㄖ频姆绞竭M(jìn)行構(gòu)建的，以便他人使用，并進(jìn)一步開發(fā)用于不同用例的工具。有些工具已經(jīng)變得非常有名并被廣泛使用，比如 Spinnaker、Istio
等等。

聲明性狀態(tài)——鼓勵(lì)用戶在系統(tǒng)中使用聲明性描述而非命令式描述。這意味著，系統(tǒng)的狀態(tài)和組件最好被描述為在某種版本控制（如
Git）中管理的代碼，以此避免手工修改造成的困擾。因此，Kubernetes 減少了災(zāi)難恢復(fù)的難度、更易于在團(tuán)隊(duì)之間分享并傳遞責(zé)任。

原文鏈接：https://medium.com/prodopsio/an-8-minute-introduction-to-k8s-94fda1fa5184
<https://medium.com/prodopsio/an-8-minute-introduction-to-k8s-94fda1fa5184>


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