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kubernetes-basic-concepts.md

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[Kubernetes] Kubernetes基本概念
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2017-08-13 03:50:57 -0700
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Kubernetes
Kubernetes

1. Master

集群的控制节点，负责整个集群的管理和控制，kubernetes的所有的命令基本都是发给Master，由它来负责具体的执行过程。

1.1. Master的组件

  • kube-apiserver：资源增删改查的入口
  • kube-controller-manager：资源对象的大总管
  • kube-scheduler：负责资源调度（Pod调度）
  • etcd Server:kubernetes的所有的资源对象的数据保存在etcd中。

2. Node

Node是集群的工作负载节点，默认情况kubelet会向Master注册自己，一旦Node被纳入集群管理范围，kubelet会定时向Master汇报自身的情报，包括操作系统，Docker版本，机器资源情况等。

如果Node超过指定时间不上报信息，会被Master判断为“失联”，标记为Not Ready，随后Master会触发Pod转移。

2.1. Node的组件

  • kubelet:Pod的管家，与Master通信
  • kube-proxy：实现kubernetes Service的通信与负载均衡机制的重要组件
  • Docker：容器的创建和管理

2.2. Node相关命令

kubectl get nodes

kuebctl describe node {node_name}

2.3. describe命令的Node信息

  • Node基本信息：名称、标签、创建时间等
  • Node当前的状态，Node启动后会进行自检工作，磁盘是否满，内存是否不足，若都正常则切换为Ready状态。
  • Node的主机地址与主机名
  • Node上的资源总量：CPU,内存，最大可调度Pod数量等
  • Node可分配资源量：当前Node可用于分配的资源量
  • 主机系统信息：主机唯一标识符UUID，Linux kernel版本号，操作系统，kubernetes版本，kubelet与kube-proxy版本
  • 当前正在运行的Pod列表及概要信息
  • 已分配的资源使用概要，例如资源申请的最低、最大允许使用量占系统总量的百分比
  • Node相关的Event信息。

3. Pod

Pod是Kubernetes中操作的基本单元。每个Pod中有个根容器(Pause容器)，Pause容器的状态代表整个容器组的状态，其他业务容器共享Pause的IP，即Pod IP，共享Pause挂载的Volume，这样简化了同个Pod中不同容器之间的网络问题和文件共享问题。

pod

  1. Kubernetes集群中，同宿主机的或不同宿主机的Pod之间要求能够TCP/IP直接通信，因此采用虚拟二层网络技术来实现，例如Flannel，Openvswitch(OVS)等，这样在同个集群中，不同的宿主机的Pod IP为不同IP段的IP，集群中的所有Pod IP都是唯一的，不同Pod之间可以直接通信。
  2. Pod有两种类型：普通Pod和静态Pod。静态Pod即不通过K8S调度和创建，直接在某个具体的Node机器上通过具体的文件来启动。普通Pod则是由K8S创建、调度，同时数据存放在ETCD中。
  3. Pod IP和具体的容器端口（ContainnerPort）组成一个具体的通信地址，即Endpoint。一个Pod中可以存在多个容器，可以有多个端口，Pod IP一样，即有多个Endpoint。
  4. Pod Volume是定义在Pod之上，被各个容器挂载到自己的文件系统中，可以用分布式文件系统实现后端存储功能。
  5. Pod中的Event事件可以用来排查问题，可以通过kubectl describe pod xxx 来查看对应的事件。
  6. 每个Pod可以对其能使用的服务器上的计算资源设置限额，一般为CPU和Memory。K8S中一般将千分之一个的CPU配置作为最小单位，用m表示，是一个绝对值，即100m对于一个Core的机器还是48个Core的机器都是一样的大小。Memory配额也是个绝对值，单位为内存字节数。
  7. 资源配额的两个参数
  • Requests:该资源的最小申请量，系统必须满足要求。
  • Limits:该资源最大允许使用量，当超过该量，K8S会kill并重启Pod。

pod2

4. Label

  1. Label是一个键值对，可以附加在任何对象上，比如Node,Pod,Service,RC等。Label和资源对象是多对多的关系，即一个Label可以被添加到多个对象上，一个对象也可以定义多个Label。
  2. Label的作用主要用来实现精细的、多维度的资源分组管理，以便进行资源分配，调度，配置，部署等工作。
  3. Label通俗理解就是“标签”，通过标签来过滤筛选指定的对象，进行具体的操作。k8s通过Label Selector(标签选择器)来筛选指定Label的资源对象，类似SQL语句中的条件查询（WHERE语句）。
  4. Label Selector有基于等式和基于集合的两种表达方式，可以多个条件进行组合使用。
  • 基于等式：name=redis-slave（匹配name=redis-slave的资源对象）;env!=product(匹配所有不具有标签env=product的资源对象)
  • 基于集合：name in (redis-slave,redis-master);name not in (php-frontend)（匹配所有不具有标签name=php-frontend的资源对象）

使用场景

  1. kube-controller进程通过资源对象RC上定义的Label Selector来筛选要监控的Pod副本数，从而实现副本数始终保持预期数目。
  2. kube-proxy进程通过Service的Label Selector来选择对应Pod，自动建立每个Service到对应Pod的请求转发路由表，从而实现Service的智能负载均衡机制。
  3. kube-scheduler实现Pod定向调度：对Node定义特定的Label，并且在Pod定义文件中使用NodeSelector标签调度策略。

5. Replication Controller(RC)

RC是k8s系统中的核心概念，定义了一个期望的场景。

主要包括：

  • Pod期望的副本数（replicas）
  • 用于筛选目标Pod的Label Selector
  • 用于创建Pod的模板（template）

RC特性说明：

  1. Pod的缩放可以通过以下命令实现：kubectl scale rc redis-slave --replicas=3
  2. 删除RC并不会删除该RC创建的Pod，可以将副本数设置为0，即可删除对应Pod。或者通过kubectl stop /delete命令来一次性删除RC和其创建的Pod。
  3. 改变RC中Pod模板的镜像版本可以实现滚动升级（Rolling Update）。具体操作见https://kubernetes.io/docs/tasks/run-application/rolling-update-replication-controller/
  4. Kubernetes1.2以上版本将RC升级为Replica Set，它与当前RC的唯一区别在于Replica Set支持基于集合的Label Selector(Set-based selector)，而旧版本RC只支持基于等式的Label Selector(equality-based selector)。
  5. Kubernetes1.2以上版本通过Deployment来维护Replica Set而不是单独使用Replica Set。即控制流为：Delpoyment→Replica Set→Pod。即新版本的Deployment+Replica Set替代了RC的作用。

6. Deployment

Deployment是kubernetes 1.2引入的概念，用来解决Pod的编排问题。Deployment可以理解为RC的升级版（RC+Reolicat Set）。特点在于可以随时知道Pod的部署进度，即对Pod的创建、调度、绑定节点、启动容器完整过程的进度展示。

使用场景

  1. 创建一个Deployment对象来生成对应的Replica Set并完成Pod副本的创建过程。
  2. 检查Deployment的状态来确认部署动作是否完成（Pod副本的数量是否达到预期值）。
  3. 更新Deployment以创建新的Pod(例如镜像升级的场景)。
  4. 如果当前Deployment不稳定，回退到上一个Deployment版本。
  5. 挂起或恢复一个Deployment。

可以通过kubectl describe deployment来查看Deployment控制的Pod的水平拓展过程。

7. Horizontal Pod Autoscaler(HPA)

Horizontal Pod Autoscaler(HPA)即Pod横向自动扩容，与RC一样也属于k8s的资源对象。

HPA原理：通过追踪分析RC控制的所有目标Pod的负载变化情况，来确定是否针对性调整Pod的副本数。

Pod负载度量指标：

  • CPUUtilizationPercentage：Pod所有副本自身的CPU利用率的平均值。即当前Pod的CPU使用量除以Pod Request的值。
  • 应用自定义的度量指标，比如服务每秒内响应的请求数（TPS/QPS）。

8. Service(服务)

8.1. Service概述

service

Service定义了一个服务的访问入口地址，前端应用通过这个入口地址访问其背后的一组由Pod副本组成的集群实例，Service与其后端的Pod副本集群之间是通过Label Selector来实现“无缝对接”。RC保证Service的Pod副本实例数目保持预期水平。

8.2. kubernetes的服务发现机制

主要通过kube-dns这个组件来进行DNS方式的服务发现。

8.3. 外部系统访问Service的问题

IP类型 说明
Node IP Node节点的IP地址
Pod IP Pod的IP地址
Cluster IP Service的IP地址

8.3.1. Node IP

NodeIP是集群中每个节点的物理网卡IP地址，是真实存在的物理网络，kubernetes集群之外的节点访问kubernetes内的某个节点或TCP/IP服务的时候，需要通过NodeIP进行通信。

8.3.2. Pod IP

Pod IP是每个Pod的IP地址，是Docker Engine根据docker0网桥的IP段地址进行分配的，是一个虚拟二层网络，集群中一个Pod的容器访问另一个Pod中的容器，是通过Pod IP进行通信的，而真实的TCP/IP流量是通过Node IP所在的网卡流出的。

8.3.3. Cluster IP

  1. Service的Cluster IP是一个虚拟IP，只作用于Service这个对象，由kubernetes管理和分配IP地址（来源于Cluster IP地址池）。
  2. Cluster IP无法被ping通，因为没有一个实体网络对象来响应。
  3. Cluster IP结合Service Port组成的具体通信端口才具备TCP/IP通信基础，属于kubernetes集群内，集群外访问该IP和端口需要额外处理。
  4. k8s集群内Node IP 、Pod IP、Cluster IP之间的通信采取k8s自己的特殊的路由规则，与传统IP路由不同。

8.3.4. 外部访问Kubernetes集群

通过宿主机与容器端口映射的方式进行访问，例如：Service定位文件如下：

可以通过任意Node的IP 加端口访问该服务。也可以通过Nginx或HAProxy来设置负载均衡。

9. Volume(存储卷)

9.1. Volume的功能

  1. Volume是Pod中能够被多个容器访问的共享目录，可以让容器的数据写到宿主机上或者写文件到网络存储中
  2. 可以实现容器配置文件集中化定义与管理，通过ConfigMap资源对象来实现。

9.2. Volume的特点

k8s中的Volume与Docker的Volume相似，但不完全相同。

  1. k8s上Volume定义在Pod上，然后被一个Pod中的多个容器挂载到具体的文件目录下。
  2. k8s的Volume与Pod生命周期相关而不是容器是生命周期，即容器挂掉，数据不会丢失但是Pod挂掉，数据则会丢失。
  3. k8s中的Volume支持多种类型的Volume：Ceph、GlusterFS等分布式系统。

9.3. Volume的使用方式

先在Pod上声明一个Volume，然后容器引用该Volume并Mount到容器的某个目录。

9.4. Volume类型

9.4.1. emptyDir

emptyDir Volume是在Pod分配到Node时创建的，初始内容为空，无须指定宿主机上对应的目录文件，由K8S自动分配一个目录，当Pod被删除时，对应的emptyDir数据也会永久删除。

作用：

  1. 临时空间，例如程序的临时文件，无须永久保留
  2. 长时间任务的中间过程CheckPoint的临时保存目录
  3. 一个容器需要从另一个容器中获取数据的目录（即多容器共享目录）

说明：

目前用户无法设置emptyVolume的使用介质，如果kubelet的配置使用硬盘则emptyDir将创建在该硬盘上。

9.4.2. hostPath

hostPath是在Pod上挂载宿主机上的文件或目录。

作用：

  1. 容器应用日志需要持久化时，可以使用宿主机的高速文件系统进行存储
  2. 需要访问宿主机上Docker引擎内部数据结构的容器应用时，可以通过定义hostPath为宿主机/var/lib/docker目录，使容器内部应用可以直接访问Docker的文件系统。

注意点：

  1. 在不同的Node上具有相同配置的Pod可能会因为宿主机上的目录或文件不同导致对Volume上目录或文件的访问结果不一致。
  2. 如果使用了资源配额管理，则kubernetes无法将hostPath在宿主机上使用的资源纳入管理。

9.4.3. gcePersistentDisk

表示使用谷歌公有云提供的永久磁盘（Persistent Disk ,PD）存放Volume的数据，它与EmptyDir不同，PD上的内容会被永久保存。当Pod被删除时，PD只是被卸载时，但不会被删除。需要先创建一个永久磁盘，才能使用gcePersistentDisk。

使用gcePersistentDisk的限制条件：

  • Node(运行kubelet的节点)需要是GCE虚拟机。
  • 虚拟机需要与PD存在于相同的GCE项目中和Zone中。

10. Persistent Volume

Volume定义在Pod上，属于“计算资源”的一部分，而Persistent Volume和Persistent Volume Claim是网络存储，简称PV和PVC，可以理解为k8s集群中某个网络存储中对应的一块存储。

  • PV是网络存储，不属于任何Node，但可以在每个Node上访问。
  • PV不是定义在Pod上，而是独立于Pod之外定义。
  • PV常见类型：GCE Persistent Disks、NFS、RBD等。

PV是有状态的对象，状态类型如下：

  • Available:空闲状态
  • Bound:已经绑定到某个PVC上
  • Released:对应的PVC已经删除，但资源还没有回收
  • Failed:PV自动回收失败

11. Namespace

Namespace即命名空间，主要用于多租户的资源隔离，通过将资源对象分配到不同的Namespace上，便于不同的分组在共享资源的同时可以被分别管理。

k8s集群启动后会默认创建一个“default”的Namespace。可以通过kubectl get namespaecs查看。

可以通过kubectl config use-context namespace配置当前k8s客户端的环境，通过kubectl get pods获取当前namespace的Pod。或者通过kubectl get pods --namespace=NAMESPACE来获取指定namespace的Pod。

Namespace yaml文件的定义

12. Annotation(注解)

Annotation与Label类似，也使用key/value的形式进行定义，Label定义元数据（Metadata）,Annotation定义“附加”信息。

通常Annotation记录信息如下：

  • build信息，release信息，Docker镜像信息等。
  • 日志库、监控库等。

参考《Kubernetes权威指南》