更新时间:2022-01-26 GMT+08:00
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Kubernetes

Kubernetes是什么

Kubernetes是一个很容易地部署和管理容器化的应用软件系统,使用Kubernetes能够方便对容器进行调度和编排。

对应用开发者而言,可以把Kubernetes看成一个集群操作系统。Kubernetes提供服务发现、伸缩、负载均衡、自愈甚至选举等功能,让开发者从基础设施相关配置等解脱出来。

Kubernetes可以把大量的服务器看做一台巨大的服务器,在一台大服务器上面运行应用程序。无论Kubernetes的集群有多少台服务器,在Kubernetes上部署应用程序的方法永远一样。

图1 在Kubernetes集群上运行应用程序

Kubernetes集群架构

Kubernetes集群包含master节点(控制节点)和node节点(计算节点/工作节点),应用部署在node节点上,且可以通过配置选择应用部署在某些特定的节点上。

Kubernetes集群的架构如下所示:

图2 Kubernetes集群架构

Master节点

Master节点是集群的控制节点,由API Server、Scheduler、Controller Manager和ETCD四个组件构成。

  • API Server:各组件互相通讯的中转站,接受外部请求,并将信息写到ETCD中。
  • Controller Manager:执行集群级功能,例如复制组件,跟踪Node节点,处理节点故障等等。
  • Scheduler:负责应用调度的组件,根据各种条件(如可用的资源、节点的亲和性等)将容器调度到Node上运行。
  • ETCD:一个分布式数据存储组件,负责存储集群的配置信息。

在生产环境中,为了保障集群的高可用,通常会部署多个master,如CCE的集群高可用模式就是3个master节点。

Node节点

Node节点是集群的计算节点,即运行容器化应用的节点。

  • kubelet:kubelet主要负责同Container Runtime打交道,并与API Server交互,管理节点上的容器。
  • kube-proxy:应用组件间的访问代理,解决节点上应用的访问问题。
  • Container Runtime:容器运行时,如Docker,最主要的功能是下载镜像和运行容器。

Kubernetes的扩展性

Kubernetes开放了容器运行时接口(CRI)、容器网络接口(CNI)和容器存储接口(CSI),这些接口让Kubernetes的扩展性变得最大化,而Kubernetes本身则专注于容器调度。

  • CRI(Container Runtime Interface):容器运行时接口,提供计算资源,CRI隔离了各个容器引擎之间的差异,而通过统一的接口与各个容器引擎之间进行互动。
  • CNI(Container Network Interface):容器网络接口,提供网络资源,通过CNI接口,Kubernetes可以支持不同网络环境。例如华为云CCE就是开发的CNI插件支持Kubernetes集群运行在华为云VPC网络中。
  • CSI(Container Storage Interface):容器存储接口,提供存储资源,通过CSI接口,Kubernetes可以支持各种类型的存储。例如华为云CCE就可以方便的对接华为云块存储(EVS)、文件存储(SFS)和对象存储(OBS)。

Kubernetes中的基本对象

上面介绍Kubernetes集群的构成,下面将介绍Kubernetes中基本对象及它们之间的一些关系。

图3 Kubernetes基本对象
  • Pod

    Pod是Kubernetes创建或部署的最小单位。一个Pod封装一个或多个容器(container)、存储资源(volume)、一个独立的网络IP以及管理控制容器运行方式的策略选项。

  • Deployment

    Deployment是对Pod的服务化封装。一个Deployment可以包含一个或多个Pod,每个Pod的角色相同,所以系统会自动为Deployment的多个Pod分发请求。

  • StatefulSet

    StatefulSet是用来管理有状态应用的对象。和Deployment相同的是,StatefulSet管理了基于相同容器定义的一组Pod。但和Deployment不同的是,StatefulSet为它们的每个Pod维护了一个固定的ID。这些Pod是基于相同的声明来创建的,但是不能相互替换,无论怎么调度,每个Pod都有一个永久不变的ID。

  • Job

    Job是用来控制批处理型任务的对象。批处理业务与长期伺服业务(Deployment)的主要区别是批处理业务的运行有头有尾,而长期伺服业务在用户不停止的情况下永远运行。Job管理的Pod根据用户的设置把任务成功完成就自动退出(Pod自动删除)。

  • CronJob

    CronJob是基于时间控制的Job,类似于Linux系统的crontab,在指定的时间周期运行指定的任务。

  • DaemonSet

    DaemonSet是这样一种对象(守护进程),它在集群的每个节点上运行一个Pod,且保证只有一个Pod,这非常适合一些系统层面的应用,例如日志收集、资源监控等,这类应用需要每个节点都运行,且不需要太多实例,一个比较好的例子就是Kubernetes的kube-proxy。

  • Service

    Service是用来解决Pod访问问题的。Service有一个固定IP地址,Service将访问流量转发给Pod,而且Service可以给这些Pod做负载均衡。

  • Ingress

    Service是基于四层TCP和UDP协议转发的,Ingress可以基于七层的HTTP和HTTPS协议转发,可以通过域名和路径做到更细粒度的划分。

  • ConfigMap

    ConfigMap是一种用于存储应用所需配置信息的资源类型,用于保存配置数据的键值对。通过ConfigMap可以方便的做到配置解耦,使得不同环境有不同的配置。

  • Secret

    Secret是一种加密存储的资源对象,您可以将认证信息、证书、私钥等保存在Secret中,而不需要把这些敏感数据暴露到镜像或者Pod定义中,从而更加安全和灵活。

  • PersistentVolume(PV)

    PV指持久化数据存储卷,主要定义的是一个持久化存储在宿主机上的目录,比如一个NFS的挂载目录。

  • PersistentVolumeClaim(PVC)

    Kubernetes提供PVC专门用于持久化存储的申请,PVC可以让您无需关心底层存储资源如何创建、释放等动作,而只需要申明您需要何种类型的存储资源、多大的存储空间。

搭建Kubernetes集群

Kubernetes网站上有多种搭建Kubernetes集群的方法,例如minikube、kubeadm等。

如果不想自行搭建Kubernetes集群,可以在华为云的CCE服务中购买,本文后续内容都将在CCE中购买的集群上操作演示。

kubectl

kubectl是Kubernetes集群的命令行工具,您可以将kubectl安装在任意一台机器上,通过kubectl命令操作Kubernetes集群。

CCE集群的kubectl安装请参见通过kubectl连接集群。连接后您可以执行kubectl cluster-info查看集群的信息,如下所示。

# kubectl cluster-info
Kubernetes master is running at https://*.*.*.*:5443
CoreDNS is running at https://*.*.*.*:5443/api/v1/namespaces/kube-system/services/coredns:dns/proxy

To further debug and diagnose cluster problems, use 'kubectl cluster-info dump'.

执行kubectl get nodes可以查看集群中的Node节点信息。

# kubectl get nodes
NAME            STATUS    ROLES     AGE       VERSION
192.168.0.153   Ready     <none>    7m        v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2
192.168.0.207   Ready     <none>    7m        v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2
192.168.0.221   Ready     <none>    7m        v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2

Kubernetes对象的描述

kubernetes中资源可以使用YAML描述(如果您对YAML格式不了解,可以参考YAML语法),也可以使用JSON。其内容可以分为如下四个部分:

  • typeMeta:对象类型的元信息,声明对象使用哪个API版本,哪个类型的对象。
  • objectMeta:对象的元信息,包括对象名称、使用的标签等。
  • spec:对象的期望状态,例如对象使用什么镜像、有多少副本等。
  • status:对象的实际状态,只能在对象创建后看到,创建对象时无需指定。
图4 YAML描述文件

在Kubernetes上运行应用

图4中的内容去除status存为一个名为nginx-deployment.yaml的文件,如下所示:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name:  nginx
  labels:
    app:  nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app:  nginx
    spec:
      containers:
      - name:  nginx
        image:  nginx:alpine
        resources:
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
          limits:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
      imagePullSecrets:
      - name: default-secret

使用kubectl连接集群后,执行如下命令:

# kubectl create -f nginx-deployment.yaml 
deployment.apps/nginx created

命令执行后,Kubernetes集群中会创建3个Pod,使用如下命令可以查询到Deployment和Pod:

# kubectl get deploy
NAME    READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx   3/3     3            3           9s

# kubectl get pods
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-685898579b-qrt4d   1/1     Running   0          15s
nginx-685898579b-t9zd2   1/1     Running   0          15s
nginx-685898579b-w59jn   1/1     Running   0          15s

到此为止,您了解容器和Docker、Kubernetes集群、Kubernetes基本概念,并通过一个示例了解kubectl的最基本使用,本文后续将向您深入介绍Kubernetes对象的概念以及使用方法,并介绍对象之间的关系。

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