什么是Kubernetes？

　　剛剛進學校實驗室，第一次開會導師和小組同學說了n次Kubernetes，從來沒聽過，一臉懵逼。

       Kubernetes也有很多人把它叫K8S， 

原文鏈接：http://omerio.com/2015/12/18/learn-the-kubernetes-key-concepts-in-10-minutes/（翻譯：崔婧雯） 

什么是Kubernetes？

Kubernetes（k8s）是自動化容器操作的開源平台，這些操作包括部署，調度和節點集群間擴展。如果你曾經用過Docker容器技術部署容器，那么可以將Docker看成Kubernetes內部使用的低級別組件。Kubernetes不僅僅支持Docker，還支持Rocket，這是另一種容器技術。
使用Kubernetes可以：

• 自動化容器的部署和復制
• 隨時擴展或收縮容器規模
• 將容器組織成組，並且提供容器間的負載均衡
• 很容易地升級應用程序容器的新版本
• 提供容器彈性，如果容器失效就替換它，等等...

實際上，使用Kubernetes只需一個部署文件，使用一條命令就可以部署多層容器（前端，后台等）的完整集群：

$ kubectl create -f single-config-file.yaml

kubectl是和Kubernetes API交互的命令行程序。現在介紹一些核心概念。

集群

集群是一組節點，這些節點可以是物理服務器或者虛擬機，之上安裝了Kubernetes平台。下圖展示這樣的集群。

上圖可以看到如下組件，使用特別的圖標表示Service和Label：

• Pod
• Container（容器）
• Label()（標簽）
• Replication Controller（復制控制器）
• Service（）（服務）
• Node（節點）
• Kubernetes Master（Kubernetes主節點）

 

Pod

Pod（上圖綠色方框）安排在節點上，包含一組容器和卷。同一個Pod里的容器共享同一個網絡命名空間，可以使用localhost互相通信。Pod是短暫的，不是持續性實體。你可能會有這些問題：

• 如果Pod是短暫的，那么我怎么才能持久化容器數據使其能夠跨重啟而存在呢？ 是的，Kubernetes支持卷的概念，因此可以使用持久化的卷類型。
• 是否手動創建Pod，如果想要創建同一個容器的多份拷貝，需要一個個分別創建出來么？可以手動創建單個Pod，但是也可以使用Replication Controller使用Pod模板創建出多份拷貝，下文會詳細介紹。
• 如果Pod是短暫的，那么重啟時IP地址可能會改變，那么怎么才能從前端容器正確可靠地指向后台容器呢？這時可以使用Service，下文會詳細介紹。

 

Lable

正如圖所示，一些Pod有Label（）。一個Label是attach到Pod的一對鍵/值對，用來傳遞用戶定義的屬性。比如，你可能創建了一個"tier"和“app”標簽，通過Label（tier=frontend, app=myapp）來標記前端Pod容器，使用Label（tier=backend, app=myapp）標記后台Pod。然后可以使用Selectors選擇帶有特定Label的Pod，並且將Service或者Replication Controller應用到上面。

Replication Controller

是否手動創建Pod，如果想要創建同一個容器的多份拷貝，需要一個個分別創建出來么，能否將Pods划到邏輯組里？

Replication Controller確保任意時間都有指定數量的Pod“副本”在運行。如果為某個Pod創建了Replication Controller並且指定3個副本，它會創建3個Pod，並且持續監控它們。如果某個Pod不響應，那么Replication Controller會替換它，保持總數為3.如下面的動畫所示：

如果之前不響應的Pod恢復了，現在就有4個Pod了，那么Replication Controller會將其中一個終止保持總數為3。如果在運行中將副本總數改為5，Replication Controller會立刻啟動2個新Pod，保證總數為5。還可以按照這樣的方式縮小Pod，這個特性在執行滾動升級時很有用。

當創建Replication Controller時，需要指定兩個東西：

1. Pod模板：用來創建Pod副本的模板
2. Label：Replication Controller需要監控的Pod的標簽。

現在已經創建了Pod的一些副本，那么在這些副本上如何均衡負載呢？我們需要的是Service。

Service

如果Pods是短暫的，那么重啟時IP地址可能會改變，怎么才能從前端容器正確可靠地指向后台容器呢？

Service是定義一系列Pod以及訪問這些Pod的策略的一層抽象。Service通過Label找到Pod組。因為Service是抽象的，所以在圖表里通常看不到它們的存在，這也就讓這一概念更難以理解。

現在，假定有2個后台Pod，並且定義后台Service的名稱為‘backend-service’，lable選擇器為（tier=backend, app=myapp）。backend-service 的Service會完成如下兩件重要的事情：

• 會為Service創建一個本地集群的DNS入口，因此前端Pod只需要DNS查找主機名為 ‘backend-service’，就能夠解析出前端應用程序可用的IP地址。
• 現在前端已經得到了后台服務的IP地址，但是它應該訪問2個后台Pod的哪一個呢？Service在這2個后台Pod之間提供透明的負載均衡，會將請求分發給其中的任意一個（如下面的動畫所示）。通過每個Node上運行的代理（kube-proxy）完成。

下述動畫展示了Service的功能。注意該圖作了很多簡化。如果不進入網絡配置，那么達到透明的負載均衡目標所涉及的底層網絡和路由相對先進。

有一個特別類型的Kubernetes Service，稱為'LoadBalancer'，作為外部負載均衡器使用，在一定數量的Pod之間均衡流量。比如，對於負載均衡Web流量很有用。

Node

節點（上圖橘色方框）是物理或者虛擬機器，作為Kubernetes worker，通常稱為Minion。每個節點都運行如下Kubernetes關鍵組件：

• Kubelet：是主節點代理。
• Kube-proxy：Service使用其將鏈接路由到Pod，如上文所述。
• Docker或Rocket：Kubernetes使用的容器技術來創建容器。

 

Kubernetes Master

集群擁有一個Kubernetes Master（紫色方框）。Kubernetes Master提供集群的獨特視角，並且擁有一系列組件，比如Kubernetes API Server。API Server提供可以用來和集群交互的REST端點。master節點包括用來創建和復制Pod的Replication Controller。

 

Kubernetes架構

Kubernetes借鑒了Borg的設計理念，比如Pod、Service、Labels和單Pod單IP等。Kubernetes的整體架構跟Borg非常像，如下圖所示

 

 

Kubernetes主要由以下幾個核心組件組成：

• etcd保存了整個集群的狀態；
• apiserver提供了資源操作的唯一入口，並提供認證、授權、訪問控制、API注冊和發現等機制；
• controller manager負責維護集群的狀態，比如故障檢測、自動擴展、滾動更新等；
• scheduler負責資源的調度，按照預定的調度策略將Pod調度到相應的機器上；
• kubelet負責維護容器的生命周期，同時也負責Volume（CSI）和網絡（CNI）的管理；
• Container runtime負責鏡像管理以及Pod和容器的真正運行（CRI）；
• kube-proxy負責為Service提供cluster內部的服務發現和負載均衡；

除了核心組件，還有一些推薦的Add-ons：

• kube-dns負責為整個集群提供DNS服務
• Ingress Controller為服務提供外網入口
• Heapster提供資源監控
• Dashboard提供GUI
• Federation提供跨可用區的集群

Kubernetes架構示意圖

整體架構

下圖清晰表明了kubernetes的架構設計以及組件之間的通信協議。

圖片 - Kuberentes架構（圖片來自於網絡）

下面是更抽象的一個視圖：

圖片 - kubernetes整體架構示意圖

Master架構

圖片 - Kubernetes master架構示意圖

Node架構

圖片 - kubernetes node架構示意圖

分層架構

Kubernetes設計理念和功能其實就是一個類似Linux的分層架構，如下圖所示

圖片 - Kubernetes分層架構示意圖

• 核心層：Kubernetes最核心的功能，對外提供API構建高層的應用，對內提供插件式應用執行環境
• 應用層：部署（無狀態應用、有狀態應用、批處理任務、集群應用等）和路由（服務發現、DNS解析等）
• 管理層：系統度量（如基礎設施、容器和網絡的度量），自動化（如自動擴展、動態Provision等）以及策略管理（RBAC、Quota、PSP、NetworkPolicy等）
• 接口層：kubectl命令行工具、客戶端SDK以及集群聯邦
• 生態系統：在接口層之上的龐大容器集群管理調度的生態系統，可以划分為兩個范疇
  • Kubernetes外部：日志、監控、配置管理、CI、CD、Workflow、FaaS、OTS應用、ChatOps等
  • Kubernetes內部：CRI、CNI、CVI、鏡像倉庫、Cloud Provider、集群自身的配置和管理等