從0到1使用Kubernetes系列——Kubernetes入門

本文是Kubernetes系列推文第一篇，將介紹Docker和Kubernetes兩大熱門開源產(chǎn)品，主要內(nèi)容包括：基本概念、基礎(chǔ)組件、Kubernetes架構(gòu)。

基本概念

01 Docker是什么

Docker 起初是 dotCloud 公司創(chuàng)始人 Solomon Hykes 在法國的時(shí)候發(fā)起的一項(xiàng)公司內(nèi)部項(xiàng)目，Docker是基于 dotCloud
公司多年云服務(wù)技術(shù)的一次革新，在 2013 年 3 月以 Apache 2.0 授權(quán)協(xié)議進(jìn)行開源，其項(xiàng)目主要代碼在 GitHub 上進(jìn)行維護(hù)，自從Docker
開源之后，就一直受到了廣泛討論和關(guān)注。

Docker 進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)使用的是Google 公司推出的 Go 語言，對(duì)進(jìn)程進(jìn)行封裝隔離是基于 Linux 內(nèi)核的 cgroup，namespace，以及
AUFS 類的 Union FS 等技術(shù)，這屬于操作系統(tǒng)層面的虛擬化技術(shù)。因?yàn)楦綦x的進(jìn)程獨(dú)立于
宿主與其它隔離的進(jìn)程，所以也稱其為容器（后文會(huì)對(duì)“容器”的概念進(jìn)行詳細(xì)介紹）。Docker
在容器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步的封裝，從網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、文件系統(tǒng)到進(jìn)程隔離等，大大地簡(jiǎn)化了容器的創(chuàng)建和維護(hù)，讓 Docker 技術(shù)比虛擬機(jī)技術(shù)更加輕便、快捷。

以下兩張圖片對(duì)比了 Docker 與傳統(tǒng)虛擬化方式的不同之處。Docker
容器內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)程直接運(yùn)行于宿主的內(nèi)核，容器內(nèi)沒有自己的內(nèi)核，沒有進(jìn)行硬件虛擬；而傳統(tǒng)虛擬機(jī)技術(shù)是虛擬出一套硬件后，在其上運(yùn)行一個(gè)完整操作系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上再運(yùn)行所需應(yīng)用進(jìn)程。因此容器要比傳統(tǒng)虛擬機(jī)更為輕便。

圖為 傳統(tǒng)虛擬化

圖為 Docker

02 為什么要使用 Docker？

Docker是一種新興的虛擬化方式，跟傳統(tǒng)的虛擬化方式相比具有眾多優(yōu)勢(shì)。

▌系統(tǒng)資源利用更高效

因?yàn)槿萜鞑恍枰M(jìn)行硬件虛擬以及運(yùn)行完整操作系統(tǒng)等額外開銷，所以Docker 對(duì)系統(tǒng)資源的利用率更高。

▌啟動(dòng)時(shí)間更快速

Docker 容器應(yīng)用由于直接運(yùn)行于宿主內(nèi)核，無需啟動(dòng)完整的操作系統(tǒng)，因此可以做到秒級(jí)、甚至毫秒級(jí)的啟動(dòng)時(shí)間。極大地節(jié)省了開發(fā)、測(cè)試，部署的時(shí)間。

▌運(yùn)行環(huán)境一致性

開發(fā)過程中比較常見的問題就是環(huán)境一致性問題。因?yàn)殚_發(fā)環(huán)境、測(cè)試環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境不一致，導(dǎo)致有些 bug 并未在開發(fā)過程中被發(fā)現(xiàn)。而 Docker
的鏡像提供了除內(nèi)核外完整的運(yùn)行時(shí)環(huán)境，確保了應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境一致性，從而不會(huì)再出現(xiàn) “這段代碼在我機(jī)器上沒問題??！”這類問題。

▌持續(xù)交付與部署

對(duì)開發(fā)和運(yùn)維人員來說，最希望的就是一次創(chuàng)建或配置，可以在任意地方正常運(yùn)行。使用 Docker
可以通過定制應(yīng)用鏡像來實(shí)現(xiàn)持續(xù)集成、持續(xù)交付、部署。開發(fā)人員可以通過 Dockerfile 來進(jìn)行鏡像構(gòu)建，并結(jié)合持續(xù)集成(Continuous
Integration)系統(tǒng)進(jìn)行集成測(cè)試，而運(yùn)維人員則可以直接在各種環(huán)境中快速部署該鏡像，甚至結(jié)合持續(xù)部署(Continuous
Delivery/Deployment) 系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)部署。

而且使用 Dockerfile 使鏡像構(gòu)建透明化，不僅開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以理解應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境，也方便運(yùn)維團(tuán)隊(duì)理解應(yīng)用運(yùn)行所需條件，幫助更好地在生產(chǎn)環(huán)境中部署該鏡像。

▌遷移更輕松

由于 Docker 確保了執(zhí)行環(huán)境的一致性，使得應(yīng)用的遷移更加容易。Docker
可以在很多平臺(tái)上運(yùn)行，無論是物理機(jī)、虛擬機(jī)、公有云、私有云，甚至是筆記本，其運(yùn)行結(jié)果是一致的。因此用戶可以很輕松地將在一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用，遷移到另一個(gè)平臺(tái)上，而不用擔(dān)心運(yùn)行環(huán)境變化導(dǎo)致應(yīng)用無法正常運(yùn)行的情況。

▌維護(hù)和擴(kuò)展更輕松

Docker 使用的分層存儲(chǔ)以及鏡像技術(shù)，使得應(yīng)用重復(fù)部分的復(fù)用更為容易，也使得應(yīng)用的維護(hù)更新和基于基礎(chǔ)鏡像進(jìn)一步擴(kuò)展鏡像變得非常簡(jiǎn)單。此外，Docker
團(tuán)隊(duì)同各個(gè)開源項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)一起維護(hù)了一大批高質(zhì)量的官方鏡像，既可以直接在生產(chǎn)環(huán)境使用，又可以作為基礎(chǔ)進(jìn)一步定制，大大降低了應(yīng)用服務(wù)的鏡像制作成本。

03 Docker的鏡像和容器

Docker的口號(hào)是“Build, Ship and Run Any App,
Anywhere.”，大意是編譯好一個(gè)應(yīng)用后，可以在任何地方運(yùn)行，不會(huì)像傳統(tǒng)的程序一樣，一旦換了運(yùn)行環(huán)境，往往就會(huì)出現(xiàn)缺這個(gè)庫，少那個(gè)包的問題。那么Docker是怎么做到這點(diǎn)的呢？


簡(jiǎn)單說就是它在編譯應(yīng)用的時(shí)候把這個(gè)應(yīng)用依賴的所有東西都構(gòu)建到鏡像里面（有點(diǎn)像程序的靜態(tài)編譯——只是像而已）。我們把這個(gè)編譯構(gòu)建好的東西叫Docker鏡像（Image），然后當(dāng)Docker
deamon（Docker的守護(hù)進(jìn)程/服務(wù)進(jìn)程）運(yùn)行這個(gè)鏡像的時(shí)候，我們稱其為Docker容器（Container）?？梢院?jiǎn)單理解Docker鏡像和Docker容器的關(guān)系就像是程序和進(jìn)程的關(guān)系一樣(當(dāng)然實(shí)質(zhì)是不一樣的)。

▌Images和Layers


每個(gè)Docker鏡像（Image）都引用了一些只讀的（read-only）層（layer），不同的文件系統(tǒng)layer也不同。這些layer堆疊在一起構(gòu)成了容器（Container）的根文件系統(tǒng)（root
filesystem）。下圖是Ubuntu 15.04的鏡像，共由4個(gè)鏡像層（image layer）組成：

▌Container和Layers

容器和鏡像的主要區(qū)別就是頂部的那個(gè)可寫層（即之前說的那個(gè)“container
layer”）。容器運(yùn)行時(shí)做的所有操作都會(huì)寫到這個(gè)可寫層里面，當(dāng)容器刪除的時(shí)候，這個(gè)可寫層也會(huì)被刪掉，但底層的鏡像依舊保持不變。所以，不同的容器都有自己的可寫層，但可以共享同一個(gè)底層鏡像。下圖展示了多個(gè)容器共享同一個(gè)Ubuntu
15.04鏡像。



Docker的storage driver負(fù)責(zé)管理只讀的鏡像層和可寫的容器層，當(dāng)然不同的driver實(shí)現(xiàn)的方式也不同，但其后都有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：可堆疊的鏡像層
（stackable image layer）和寫時(shí)拷貝技術(shù)（copy-on-write, CoW）。

▌Docker數(shù)據(jù)持久化

剛開始的時(shí)候，Docker一般只適用于無狀態(tài)的計(jì)算場(chǎng)景使用。但隨著發(fā)展，Docker通過data volume技術(shù)也可以做到數(shù)據(jù)持久化了。Data
volume就是我們將主機(jī)的某個(gè)目錄掛載到容器里面，這個(gè)data volume不受storage driver的控制，所有對(duì)這個(gè)data
volume的操作會(huì)繞過storage driver直接其操作，其性能也只受本地主機(jī)的限制。而且我們可以掛載任意多個(gè)data
volume到容器中，不同容器也可以共享同一個(gè)data volume。


下圖展示了一個(gè)Docker主機(jī)上面運(yùn)行著兩個(gè)容器.每一個(gè)容器在主機(jī)上面都有著自己的地址空間（/var/lib/docker/...），除此以外，它們還共享著主機(jī)上面的同一個(gè)/data目錄。

04 Kubernetes 簡(jiǎn)介

Kubernetes 是谷歌開源的容器集群管理系統(tǒng)，是 Google 多年大規(guī)模容器管理技術(shù) Borg 的開源版本，主要功能包括：

*
基于容器的應(yīng)用部署、維護(hù)和滾動(dòng)升級(jí)

*
負(fù)載均衡和服務(wù)發(fā)現(xiàn)

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跨機(jī)器和跨地區(qū)的集群調(diào)度

*
自動(dòng)伸縮

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無狀態(tài)服務(wù)和有狀態(tài)服務(wù)

*
廣泛的 Volume 支持

*
插件機(jī)制保證擴(kuò)展性

Kubernetes 發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為容器編排領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。

▌Kubernetes 是什么

Kubernetes 提供了很多的功能，它可以簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的工作流，加快開發(fā)速度。通常，一個(gè)成功的應(yīng)用編排系統(tǒng)需要有較強(qiáng)的自動(dòng)化能力，這也是為什么
Kubernetes 被設(shè)計(jì)作為構(gòu)建組件和工具的生態(tài)系統(tǒng)平臺(tái)，以便更輕松地部署、擴(kuò)展和管理應(yīng)用程序。

用戶可以使用 Label 以自己的方式組織管理資源，還可以使用 Annotation 來自定義資源的描述信息，比如為管理工具提供狀態(tài)檢查等。

此外，Kubernetes 控制器也是構(gòu)建在跟開發(fā)人員和用戶使用的相同的 API
之上。用戶可以編寫自己的控制器和調(diào)度器，也可以通過各種插件機(jī)制擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。這種設(shè)計(jì)使得用戶可以方便地在 Kubernetes 之上構(gòu)建各種應(yīng)用系統(tǒng)。

▌Kubernetes 不是什么

Kubernetes 不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上，包羅萬象的 PaaS (平臺(tái)即服務(wù)) 系統(tǒng)。它給用戶預(yù)留了選擇的自由。

*
不限制支持的應(yīng)用程序類型，它不插手應(yīng)用程序框架, 也不限制支持的語言 (如 Java, Python, Ruby 等)，Kubernetes
旨在支持極其多樣化的工作負(fù)載，包括無狀態(tài)、有狀態(tài)和數(shù)據(jù)處理工作負(fù)載。只要應(yīng)用可以在容器中運(yùn)行，那么它就可以很好地在 Kubernetes 上運(yùn)行。

*
不提供內(nèi)置的中間件 (如消息中間件)、數(shù)據(jù)處理框架 (如 Spark)、數(shù)據(jù)庫 (如 mysql) 或集群存儲(chǔ)系統(tǒng) (如 Ceph) 等。這些應(yīng)用直接運(yùn)行在
Kubernetes 之上。

*
不提供點(diǎn)擊即部署的服務(wù)市場(chǎng)。

*
不直接部署代碼，也不會(huì)構(gòu)建用戶的應(yīng)用程序，但用戶可以在 Kubernetes 之上構(gòu)建需要的持續(xù)集成 (CI) 工作流。

*
允許用戶選擇自己的日志、監(jiān)控和告警系統(tǒng)。

*
不提供應(yīng)用程序配置語言或系統(tǒng) (如 jsonnet)。

*
不提供機(jī)器配置、維護(hù)、管理或自愈系統(tǒng)。

另外，已經(jīng)有很多 PaaS 系統(tǒng)運(yùn)行在 Kubernetes 之上，如 Openshift, Deis 和 Eldarion 等。 你也可以構(gòu)建自己的
PaaS 系統(tǒng)，或者只使用 Kubernetes 管理你的容器應(yīng)用。

當(dāng)然了，Kubernetes 不僅僅是一個(gè) “編排系統(tǒng)”，它消除了編排的需要。Kubernetes 通過聲明式的 API
和一系列獨(dú)立、可組合的控制器保證了應(yīng)用總是在期望的狀態(tài)，而用戶并不需要關(guān)心中間狀態(tài)是如何轉(zhuǎn)換的。這使得整個(gè)系統(tǒng)更容易使用，而且更強(qiáng)大、更可靠、更具彈性和可擴(kuò)展性。

基本組件

01 核心組件

Kubernetes 主要由以下幾個(gè)核心組件組成：

*
etcd：保存了整個(gè)集群的狀態(tài)；

*
apiserver：提供了資源操作的唯一入口，并提供認(rèn)證、授權(quán)、訪問控制、API 注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)等機(jī)制；

*
controller manager：負(fù)責(zé)維護(hù)集群的狀態(tài)，比如故障檢測(cè)、自動(dòng)擴(kuò)展、滾動(dòng)更新等；

*
scheduler：負(fù)責(zé)資源的調(diào)度，按照預(yù)定的調(diào)度策略將 Pod 調(diào)度到相應(yīng)的機(jī)器上；

*
kubelet：負(fù)責(zé)維護(hù)容器的生命周期，同時(shí)也負(fù)責(zé) Volume（CVI）和網(wǎng)絡(luò)（CNI）的管理；

*
Container runtime：負(fù)責(zé)鏡像管理以及 Pod 和容器的真正運(yùn)行（CRI）；

*
kube-proxy：負(fù)責(zé)為 Service 提供 cluster 內(nèi)部的服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負(fù)載均衡

除了核心組件，還有一些推薦的 Add-ons：

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kube-dns：負(fù)責(zé)為整個(gè)集群提供 DNS 服務(wù)

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Ingress Controller：為服務(wù)提供外網(wǎng)入口

*
Heapster：提供資源監(jiān)控

*
Dashboard：提供 GUI

*
Federation：提供跨可用區(qū)的集群

*
Fluentd-elasticsearch：提供集群日志采集、存儲(chǔ)與查詢

02 組件詳細(xì)介紹

▌Etcd

Etcd是CoreOS基于Raft開發(fā)的分布式key-value存儲(chǔ)，可用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)、共享配置以及一致性保障（如數(shù)據(jù)庫選主、分布式鎖等）。

Etcd主要功能：

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基本的key-value存儲(chǔ)

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監(jiān)聽機(jī)制

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key的過期及續(xù)約機(jī)制，用于監(jiān)控和服務(wù)發(fā)現(xiàn)

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原子CAS和CAD，用于分布式鎖和leader選舉

▌kube-apiserver

kube-apiserver 是 Kubernetes 最重要的核心組件之一，主要提供以下的功能：

*
提供集群管理的 REST API 接口，包括認(rèn)證授權(quán)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及集群狀態(tài)變更等

*
提供其他模塊之間的數(shù)據(jù)交互和通信的樞紐（其他模塊通過 API Server 查詢或修改數(shù)據(jù)，只有 API Server 才直接操作 etcd）

▌kube-controller-manager

Controller
Manager由kube-controller-manager和cloud-controller-manager組成，是Kubernetes的大腦，它通過apiserver監(jiān)控整個(gè)集群的狀態(tài)，并確保集群處于預(yù)期的工作狀態(tài)。

kube-controller-manager由一系列的控制器組成

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Replication Controller

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Node Controller

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CronJob Controller

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Daemon Controller

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Deployment Controller

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Endpoint Controller

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Garbage Collector

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Namespace Controller

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Job Controller

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Pod AutoScaler

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RelicaSet

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Service Controller

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ServiceAccount Controller

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StatefulSet Controller

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Volume Controller

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Resource quota Controller

▌cloud-controller-manager

在Kubernetes啟用Cloud Provider的時(shí)候才需要，用來配合云服務(wù)提供商的控制，也包括一系列的控制器，如：

*
Node Controller

*
Route Controller

*
Service Controller

▌kube-scheduler

kube-scheduler 負(fù)責(zé)分配調(diào)度 Pod 到集群內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上，它監(jiān)聽 kube-apiserver，查詢還未分配 Node 的
Pod，然后根據(jù)調(diào)度策略為這些 Pod 分配節(jié)點(diǎn)（更新 Pod的 NodeName 字段）。

調(diào)度器需要充分考慮諸多的因素：

*
公平調(diào)度

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資源高效利用

*
QoS

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affinity 和 anti-affinity

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數(shù)據(jù)本地化（data locality）

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內(nèi)部負(fù)載干擾（inter-workload interference）

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deadlines

▌Kubelet

每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都運(yùn)行一個(gè) kubelet 服務(wù)進(jìn)程，默認(rèn)監(jiān)聽 10250 端口，接收并執(zhí)行 master 發(fā)來的指令，管理 Pod 及 Pod 中的容器。每個(gè)
kubelet 進(jìn)程會(huì)在 API Server 上注冊(cè)節(jié)點(diǎn)自身信息，定期向 master 節(jié)點(diǎn)匯報(bào)節(jié)點(diǎn)的資源使用情況，并通過 cAdvisor
監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和容器的資源。

▌Container runtime

容器運(yùn)行時(shí)（Container Runtime）是 Kubernetes 最重要的組件之一，負(fù)責(zé)真正管理鏡像和容器的生命周期。Kubelet 通過
Container Runtime Interface (CRI) 與容器運(yùn)行時(shí)交互，以管理鏡像和容器。

▌kube-proxy

每臺(tái)機(jī)器上都運(yùn)行一個(gè) kube-proxy 服務(wù)，它監(jiān)聽 API server 中 service 和 endpoint 的變化情況，并通過
iptables 等來為服務(wù)配置負(fù)載均衡（僅支持 TCP 和 UDP）。

kube-proxy 可以直接運(yùn)行在物理機(jī)上，也可以以 static pod 或者 daemonset 的方式運(yùn)行。

kube-proxy 當(dāng)前支持一下幾種實(shí)現(xiàn)：

*
userspace：最早的負(fù)載均衡方案，它在用戶空間監(jiān)聽一個(gè)端口，所有服務(wù)通過 iptables 轉(zhuǎn)發(fā)到這個(gè)端口，然后在其內(nèi)部負(fù)載均衡到實(shí)際的
Pod。該方式最主要的問題是效率低，有明顯的性能瓶頸。

*
iptables：目前推薦的方案，完全以 iptables 規(guī)則的方式來實(shí)現(xiàn) service 負(fù)載均衡。該方式最主要的問題是在服務(wù)多的時(shí)候產(chǎn)生太多的
iptables 規(guī)則，非增量式更新會(huì)引入一定的時(shí)延，大規(guī)模情況下有明顯的性能問題

*
ipvs：為解決 iptables 模式的性能問題，v1.8 新增了 ipvs 模式，采用增量式更新，并可以保證 service 更新期間連接保持不斷開

*
winuserspace：同 userspace，但僅工作在 windows 上。

Kubernetes架構(gòu)

K8s設(shè)置由幾個(gè)部分組成，其中一些是可選的，一些是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行所必需的。下面是k8s的全局架構(gòu)圖：


Kubernetes有兩個(gè)不同的部分構(gòu)成，一個(gè)是Master，一個(gè)是Node。Master負(fù)責(zé)調(diào)度資源和為客戶端提供API，客戶端可以是UI界面或者CLI工具，在Kubernetes中CLI工具通常為kubectl。
Kubernetes
Master接受使用YAML定義的配置文件，根據(jù)配置文件中相關(guān)信息將容器分配到其中一個(gè)Node上。另外，鏡像庫在Kubernetes中也起到一個(gè)很重要的角色，Kubernetes需要從鏡像庫中拉取鏡像基于這個(gè)鏡像的容器才能成功啟動(dòng)。常用的鏡像庫有dockerhub、阿里云鏡像庫等。下面圖片為Master的架構(gòu)圖：

Master有三個(gè)組件：API Server、Scheduler、Controller。API
Server提供了友好易用的API供外部調(diào)用，同時(shí)有很多強(qiáng)大的工具使得API調(diào)用更加簡(jiǎn)單，如kubectl封裝了大量API調(diào)用，使得部署、配置更加簡(jiǎn)單。Kubernetes-dashboard可以讓用戶在界面上操作Kubernetes，而無需手動(dòng)輸入各個(gè)API的調(diào)用地址參數(shù)等信息。

當(dāng)API
Server收到部署請(qǐng)求后，Scheduler會(huì)根據(jù)所需的資源，判斷各節(jié)點(diǎn)的資源占用情況分配合適的Node給新的容器。判斷依據(jù)包括內(nèi)存、CPU、磁盤等。

Controller負(fù)責(zé)整個(gè)集群的整體協(xié)調(diào)和健康，保證每個(gè)組件以正確的方式運(yùn)行。


在圖的最下邊是ETCD數(shù)據(jù)庫。如前文所述ETCD是分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其作為Kubernetes的中央數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)了集群的狀態(tài)，組件可以通過查詢ETCD了解集群的狀態(tài)。

Kubernetes
Master分配容器到Node執(zhí)行，Node將會(huì)承受壓力，通常情況下新容器不會(huì)運(yùn)行在Master上?；蛘哒fMaster是不可調(diào)度的，但是你也可以選擇把Master同時(shí)也作為Node,但是這并不是地道的用法。下面的為Node的架構(gòu)圖:


Kube-proxy在Node中管理網(wǎng)絡(luò)，其左右至關(guān)重要。Kube-proxy通過管理iptables等方式使得pod到pod之間，和pod到node之間網(wǎng)絡(luò)能夠互通。實(shí)質(zhì)上在跨主機(jī)的pod之間網(wǎng)絡(luò)也能夠互通。

Kubelet負(fù)責(zé)向api server報(bào)告信息，并把健康狀態(tài)、指標(biāo)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息存入ETCD中。

Docker上文已詳細(xì)介紹這里就不多做闡述。

Supervisord保證Docker和kubelet一直在運(yùn)行中，supervisord并不是必須組件，可以使用其他類似組件替換。


Pod是可以在Kubernetes中創(chuàng)建和管理的最小可部署計(jì)算單元。一個(gè)POD中可以包含多個(gè)容器，但Kubernetes僅管理pod。如果多個(gè)容器運(yùn)行在一個(gè)POD中，就相當(dāng)于這些容器運(yùn)行在同一臺(tái)主機(jī)中，需要注意端口占用問題。

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