什么是kubernetes？
- kubernetes是Google 開源的容器集群管理系統，是大規模容器應用編排系統，是在眾多容器之上的又一抽象層
- 它支持自動部署，大規模可伸縮，應用容器化管理
- kubernetes是Google 開源的一個容器編排引擎，它支持自動化部署，大規模可伸縮，應用容器化管理
- 在kubernetes中部署應用是一件容易的事，因其有着彈性伸縮，橫向擴展的優勢並同時提供負載均衡能力以及良好的自愈性（自動部署，自動重啟，自動復制，自動擴展等）
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主要功能包括：
- 基於容器的應用部署，維護和滾動升級
- 負載均衡和服務發現
- 跨機器和跨地區的集群調度
- 自動伸縮
- 無狀態服務和有狀態服務
- 插件機制保證擴展性
kubernetes特點：
- 可移植性：支持公有雲，私有雲，混合雲，多重雲
- 可擴展性：模塊化，插件化，可掛載，可組合
- 自動化：自動部署，自動重啟，自動復制，自動擴展/伸縮
kubernetes 核心組件：
1. master組件
- kube-apiserver 提供了資源操作的唯一入口，任何資源的請求/調用操作都是通過它，並提供認證，授權，訪問控制，API 注冊和發現機制
- kube -controller-manager 集群控制器，負責維護集群的狀態，比如故障檢測，自動擴展，滾動更新等
- kube- 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，為pod選擇一個node
- etcd 保存了整個集群的狀態信息，分布式鍵值對（k/v）存儲服務
- core DNS 第三方插件，提供集群的dns服務，實現服務注冊和服務發現，為service提供dns記錄
2.Node 組件
- kubelet 負責維護容器的生命周期，同時也負責volume（CVI )和網絡（CNI ）的管理
- kube- proxy 負責為service提供cluster內部的服務發現和負載均衡（負責將后端pod訪問規則具體為節點上的iptables/ipvs規則）
- container runtime （docker）負責鏡像管理以及pod和容器的真正運行（CRI)
kubernetes中的負載均衡的主要兩種機制：
- Service：使用service提供集群內部的負載均衡，kube-proxy負責將service請求負載均衡到后端pod中（體現為iptables/ipvs規則）
- Ingress controller：使用ingress提供集群外部的負載均衡，將集群內部服務開放到集群外部訪問
（1）常用的ingress controller：nginx，traefik，kong，openresty
Job & CronJob 任務和定時任務
- Job負責批量處理短暫的一次性任務（short lived>CronJob即定時任務，就類似於linux的定時任務cronntab任務，在指定時間內周期運行指定的任務
kubernetes工作流：
- 提交請求：用戶通常是提交一個yaml文件，向api server發送請求創建一個pod，yaml文件含有此pod的詳細信息，包含此pod運行的副本數，鏡像，labels，名稱，端口暴露情況等。API server接收到請求后將yaml文件中的spec數據存入etcd中
- 資源狀態同步：這一步涉及到Replication組件，Replication組件監控着數據庫中的數據變化，對已有的pod進行數量上的同步
- 資源分配：Scheduler會檢查etcd數據庫中記錄的沒有被分配的pod，將此類pod分配到具有運行能力的node節點上，並更新etcd數據庫中的該pod分配情況
- 新建容器：kubernetes集群node節點中的kubelet通過api server對etcd數據庫中的pod部署狀態進行同步，目標node節點上的kubelet將pod相關yaml文件中spec（期望狀態）數據遞給后端容器運行引擎（如docker等容器）后者負責pod容器的運行停止和更新；kubelet會通過容器運行時引擎獲取pod的狀態信息並將此信息通過api server更新寫入到etcd中；
- 節點通訊：kube-proxy負責各節點中pod網絡通訊，負責服務發現和負載均衡
集群核心組件詳述：
1. API Server
- 組件在pod工作流中的功能
- 為整個pod工作流提供了資源對象（pod，deployment，service等）的增刪改查操作以及集群管理的rest api接口，集群管理主要包括認證授權准入控制，集群狀態管理和數據校驗等
- 提供集群中各組件的通信以及交互功能
- 提供資源配額控制入口功能
- 安全的訪問控制機制
- 在kubernetes集群中，API Server運行在Master節點上，默認開放兩個端口，分別是本地端口的8080（非認證或授權的kttp請求通過該端口訪問api server）和安全加密端口6443（該端口用於接收https請求並且用於token文件或客戶端證書及http basic的認證同時用於基於策略的授權）， kubernetes中默認不啟動https安全訪問控制
- 集群組件間通訊：API server在整個pod工作流中主要負責各個組件間通信，Scheduler,Controller Manager,Kubelet通過API Server將資源對象信息存入etcd中，當各組件需要這些數據時又通過API Server的Rest接口來實現信息交換，以下分別說明。
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1-1. Kubelet與API Server
在Pod工作流中，位於集群中每個Node節點上的Kubelet會定期調用API Server的Rest接口去告知當前自身狀態，API Sever接收到狀態信息后，將其更新至Etcd中，Kubelet也同時通過API Server的Watch接口去監聽Pod信息，從而對各個Node節點上的Pod進行管理，主要監聽信息如表1所示：
表1:
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監聽信息
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Kubelet 執行
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是否有新的Pod被綁定到Node節點
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執行Pod對應容器的創建和啟動
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是否有Pod對象被刪除
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刪除Node上相應Pod容器
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是否有修改Pod信息
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修改Node上Pod的信息
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1-2. kube-controller-manager與API Server
Controller Manager包含許多控制器，例如Endpoint Controller、Replication Controller、Service Account Controller等, 具體會在后面Controller Manager部分說明，這些控制器通過API Server提供的接口去實時監控當前kubernetes集群中每個資源對象的狀態變化並將最新的信息保存在Etcd中，當集群中發生各種故障導致系統發生變化時，各個控制器會從Etcd中獲取資源對象信息並嘗試將系統狀態修復至理想狀態。
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1-3. kube-scheduler與API Server
Scheduler通過API Server的Watch接口監聽Master節點新建的Pod副本信息並檢索所有符合該Pod要求的Node列表同時執行調度邏輯，成功后將Pod綁定在目標節點處。由於在集群中各組件頻繁對API Server進行訪問，各組件采用了緩存機制來緩解請求量，各組件定時從API Server獲取資源對象信息並將其保存在本地緩存中，所以組件大部分時間是通過訪問緩存數據來獲得信息的。
2.Controller Manager
Controller Manager在pod工作流中起着管理和控制整個集群的作用，主要對資源對象進行管理，當node節點中運行的pod對象或是node自身發生意外或故障時，Controller Manager會及時發現並處理，以確保整個集群處於理想工作狀態。核心邏輯就是和解循環；控制器負責創建kubernetes集群上的具體對象，並確保其當前狀態status與用戶自定的期望狀態spec保持相同
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2-1. Replication Controller
Replication Controller稱為副本控制器，在Pod工作流中主要用於保證集群中Replication Controller所關聯的Pod副本數始終保持在預期值，比如若發生節點故障的情況導致Pod被意外殺死，Replication Controller會重新調度保證集群仍然運行指定副本數，另外還可通過調整Replication Controller中spec.replicas屬性值來實現擴容或縮容。
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2-2. Endpoint Controller
Endpoint用來表示kubernetes集群中Service對應的后端Pod副本的訪問地址，Endpoint Controller則是用來生成和維護Endpoints對象的控制器，其主要負責監聽Service和對應Pod副本變化。如果監測到Service被刪除，則刪除和該Service同名的Endpoints對象；如果監測到新的Service被創建或是被修改，則根據該Service信息獲得相關的Pod列表，然后創建或更新對應的Endpoints對象；如果監測到Pod的事件，則更新它對應的Service的Endpoints對象。圖5所示為Service、Endpoint、Pod的關系：
3.Scheduler
Scheduler在整個pod工作流中負責調度pod到具體的node節點，Scheduler通過api server監聽pod狀態，如果有待調度的pod，則根據Scheduler Controller中預選策略和優選策略給各個預備node節點打分排序，最后將pod調度到分數最高的node上，然后由node中的kubelet組件啟停pod。當然如果部署pod指定了NodeName屬性，Scheduler會根據該屬性指調度到指定node節點上。
整個調度流程分兩步：
第一步預選策略（Predicates）
預選策略的主要工作機制是遍歷所有當前kubernetes集群中的Node，按照具體的預選策略選出符合要求的Node列表;如果沒有符合的Node節點，則該Pod會被暫時掛起，直到有Node節點能滿足條件。通用的預選策略篩選規則有：
PodFitsResources、PodFitsHostPorts、HostName、MatchNodeSelector。
第二步優選策略（Priorities）
有了第一步預選策略的篩選后，再根據優選策略給待選Node節點打分，最終選擇一個分值最高的節點去部署 Pod。kubernetes 用一組優先級函數處理每一個待選的主機。每一個優先級函數會返回一個0-10的分數，分數越高表示節點越適應需求，同時每一個函數也會對應一個表示權重的值。最終主機的得分用以下公式計算得出：
FinalScoreNode = (weight1 priorityFunc1) + (weight2 priorityFunc2) + … + (weightn * priorityFuncn)
4.Kubelet
kubelet在pod工作流中是為保證它所在的節點pod能夠正常工作，核心為監聽API server，當發現節點的pod配置發生變化則根據最新的配置執行相應的動作，保證pod在理想的預期狀態，其中對pod進行啟停更新操作用到的是容器運行時。另外kubelet也負責volume（cvi）和網絡（cni）管理。