kubernetes 入門與實踐
1. kubernetes/K8S 是什么？
Kubernetes 是一個可移植、可擴展的、開源的容器管理平台，可以對容器進行自動化部署、自動化擴縮容、跨主機管理等，簡稱 K8S。K8S 提供了應用程序的升級和回滾的能力，可以對代碼進行灰度發布、金絲雀發布、藍綠發布、滾動更新等。提供了一套完整的監控系統和日志收集平台，具有故障自恢復的能力。利用 service 可以實現服務注冊、發現和四層負載均衡，利用 ingress 可以實現七層負載均衡，通過coredns 可實現域名解析等。K8S 支持在多種平台部署，可在私有雲，公有雲，混合雲，openstack、openshift、VMware vSphere，VMware workstation，物理機、雲主機等環境部署。
docker 官方 logo：
kubernetes 官方 logo：
它是一個舵，舵是輪船的方向盤，船在大海里航行就要靠舵來掌控方向，Docker 是集裝箱，可以把雜亂的貨物整理歸類，那 kubernetes 就是運送集裝箱的船的方向盤，所以叫做舵。
2. kubernetes 起源和發展前景
Kubernetes 單詞起源於希臘語, 是“舵手”或者“領航員、飛行員”的意思。
來源於 Google 的 Borg 項目：
Borg 是谷歌內部的一個容器編排工具，谷歌業務 90%以上都在 Borg 上運行，Borg 在谷歌內部已經使用了大概 15 年。 K8S 是在 Borg 的基礎上開發出來的輕量級容器編排工具。K8S 的根基非常牢固，得益於 Borg 過去十數年間積累的經驗和教訓，是站在巨人的肩膀上發展起來的項目。開源之后，迅速稱霸容器編排技術領域。
Kubernetes 的發展狀況：
京東：
2016 年底，京東業務開始從 OpenStack 切換到 Kubernetes，第一階段遷移 20%的業務到kubernetes，集群規模是 500+物理節點，2w+Pod 容器。
2020 年，京東實現 90%的業務切換到 kubernetes，集群規模達到上萬個節點，百萬 Pod 容器阿里巴巴：管理幾十個 K8S 集群，其中最大的集群約 1 萬個節點，每個集群會運行幾十萬個應用，api 的 QPS 達到1000 萬+。
kubernetes 發展歷史：
- 2014.6
谷歌雲計算專家埃里克·布魯爾（Eric Brewer）在舊金山的發布會宣布開源 kubernetes，它由 Joe Beda、 Brendan Burns 以及 Craig McLuckie 帶頭創建，之后華為、微軟、redhat 等公司紛紛引入 kubernetes。 - 2014.9
Kubernetes 開始內測，發布第一個測試版本 0.2. - 2015.7
Kubernetes 開始正式對外使用，發布第一個正式版本 1.0。 4. 2016.12
發布 1.5 版本。 - 2017.10
Docker 官方宣布支持 Kubernetes。這標志着 kubernetes 將成為容器編排領域的大佬。 - 2018 年
2018.3 發布 1.10 版本，CNCF 宣布 Kubernetes 正式畢業 - 2019 年
2019.3 發布 1.14 版本 - 2020 年
2020.8 發布 1.19 版本
2020.12 發布 1.20 版本，宣布不在支持 docker，由於 Docker 鏡像遵循開放容器倡議（OCI）鏡像規范，所以 Docker 產生的鏡像能在所有 CRI （容器運行時接口標准）兼容運行時的集群中正常使用。也就是說 docker+k8s 這套還可以繼續用，不需要過度擔心。
目前大約是每 100 天更新一次版本，更新速度相當快。常見的容器編排工具： - docker-compose：單機環境下管理 docker
- Docker Swarm：
docker 自己的容器編排工具，可以管理 docker 集群 - Apache Mesos and Marathon：
Mesos 是一個數據中心的資源統一管控的工具，本身沒有編排容器的功能，需要和 Marathon 結合使用。后來 Apache Mesos 自己說不但支持 Marathon 也支持 Kubernetes，且當時 docker 也說不但原生支持 docker swarm 也支持 k8s，k8s 的地位已經顯而易見了。
3. kubernetes 特性
自我修復彈性伸縮
自動部署和回滾
服務發現和負載均衡機密和配置管理
存儲編排批處理
4. kubernetes 架構
先看下 Borg 項目的架構：
k8s 的物理架構是 master/node 模式：
K8S 集群至少需要一個主節點(Master)和多個工作節點(Worker)單 master 節點架構圖如下：
Master 節點是集群的控制節點，負責整個集群的管理和控制，主節點主要用於暴露 API，調度部署和節點的管理。工作節點主要是運行容器的。
5. kubernetes 架構詳細拆分-組件介紹
kubectl：管理 k8s 的命令行工具，可以操作 k8s 中的資源對象。
etcd： 是一個高可用的鍵值數據庫，存儲 k8s 的資源狀態信息和網絡信息的，etcd 中的數據變更是通過
api server 進行的。
apiserver: 提供 k8s api，是整個系統的對外接口，提供資源操作的唯一入口，供客戶端和其它組件調用，提供了 k8s 各類資源對象（pod,deployment,Service 等）的增刪改查，是整個系統的數據總線和數據中心，並提供認證、授權、訪問控制、API 注冊和發現等機制，並將操作對象持久化到 etcd 中。相當於“營業廳”。
scheduler：負責 k8s 集群中 pod 的調度的 ， scheduler 通過與 apiserver 交互監聽到創建 Pod 副本的信息后，它會檢索所有符合該 Pod 要求的工作節點列表，開始執行 Pod 調度邏輯。調度成功后將 Pod綁定到目標節點上，相當於“調度室”。
controller-manager：與 apiserver 交互，實時監控和維護 k8s 集群的控制器的健康情況，對有故障的進行處理和恢復，相當於“大總管”。
kubelet： 每個 Node 節點上的 kubelet 定期就會調用 API Server 的 REST 接口報告自身狀態，API
Server 接收這些信息后，將節點狀態信息更新到 etcd 中。kubelet 也通過API Server 監聽 Pod 信息，從而對 Node 機器上的 POD 進行管理，如創建、刪除、更新 Pod
kube-proxy：提供網絡代理和負載均衡，是實現 service 的通信與負載均衡機制的重要組件，kube-
proxy 負責為 Pod 創建代理服務，從 apiserver 獲取所有 service 信息，並根據 service 信息創建代理服務，實現 service 到 Pod 的請求路由和轉發，從而實現 K8s 層級的虛擬轉發網絡，將到 service 的請求轉發到后端的 pod 上。
多 master 節點高可用架構圖如下：
6. kubernets 中的資源對象
6.1 Pod
1.1 Pod是什么？
官方文檔：https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/pods/
Pod是Kubernetes中的最小調度單元，k8s是通過定義一個Pod的資源，然后在Pod里面運行容器，容器需要指定一個鏡像，這樣就可以用來運行具體的服務。一個Pod封裝一個容器（也可以封裝多個容器），Pod里的容器共享存儲、網絡等。也就是說，應該把整個pod看作虛擬機，然后每個容器相當於運行在虛擬機的進程。
Pod是需要調度到k8s集群的工作節點來運行的，具體調度到哪個節點，是根據scheduler調度器實現的。
白話解釋：
可以把pod看成是一個“豌豆莢”，里面有很多“豆子”（容器）。一個豌豆莢里的豆子，它們吸收着共同的營養成分、肥料、水分等，Pod和容器的關系也是一樣，Pod里面的容器共享pod的網絡、存儲等。
pod相當於一個邏輯主機--比方說我們想要部署一個tomcat應用，如果不用容器，我們可能會部署到物理機、虛擬機或者雲主機上，那么出現k8s之后，我們就可以定義一個pod資源，在pod里定義一個把tomcat容器，所以pod充當的是一個邏輯主機的角色。
1.1.1 Pod如何管理多個容器？
Pod中可以同時運行多個容器。同一個Pod中的容器會自動的分配到同一個 node 上。同一個Pod中的容器共享資源、網絡環境，它們總是被同時調度，在一個Pod中同時運行多個容器是一種比較高級的用法，只有當你的容器需要緊密配合協作的時候才考慮用這種模式。例如，你有一個容器作為web服務器運行，需要用到共享的volume，有另一個“sidecar”容器來從遠端獲取資源更新這些文件。
一些Pod有init容器和應用容器。 在應用程序容器啟動之前，運行初始化容器。
1.1.2 Pod網絡
Pod是有IP地址的，每個pod都被分配唯一的IP地址（IP地址是靠網絡插件calico、flannel、weave等分配的），POD中的容器共享網絡名稱空間，包括IP地址和網絡端口。 Pod內部的容器可以使用localhost相互通信。 Pod中的容器也可以通過網絡插件calico與其他節點的Pod通信。
1.1.3 Pod存儲
創建Pod的時候可以指定掛載的存儲卷。 POD中的所有容器都可以訪問共享卷，允許這些容器共享數據。 Pod只要掛載持久化數據卷，Pod重啟之后數據還是會存在的。
1.2 Pod工作方式
在K8s中，所有的資源都可以使用一個yaml文件來創建，創建Pod也可以使用yaml配置文件。或者使用kubectl run在命令行創建Pod（不常用）。
1.2.1 自主式Pod
所謂的自主式Pod，就是直接定義一個Pod資源，如下：
[root@xianchaomaster1 ~]# vim pod-tomcat.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: tomcat-test
namespace: default
labels:
app: tomcat
spec:
containers:
- name: tomcat-java
ports:
- containerPort: 8080
image: xianchao/tomcat-8.5-jre8:v1
imagePullPolicy: IfNotPresent
Pause 容器
每個 pod 中都存在一個 pause 容器。Pod 中除了 Pause 之外的其他容器可以稱之為業務容器。
pause 容器主要為每個業務容器提供以下功能：
PID 命名空間：Pod 中的不同應用程序可以看到其他應用程序的進程 ID。網絡命名空間：Pod 中的多個容器能夠訪問同一個 IP 和端口范圍。
IPC 命名空間：Pod 中的多個容器能夠使用 SystemV IPC 或 POSIX 消息隊列進行通信。
UTS 命名空間：Pod 中的多個容器共享一個主機名和 Volumes（共享存儲卷）。
6.2 label
label 是標簽的意思，k8s 中的資源對象大都可以打上標簽，如 Node、Pod、Service 等，一個資源可以綁定任意多個 label，k8s 通過 Label 可實現多維度的資源分組管理，后續可通過 Label Selector 查詢和篩選擁有某些 Label 的資源對象，例如創建一個 Pod，給定一個 Label 是 app=tomcat，那么service 可以通過 label selector 選擇擁有 app=tomcat 的 pod，和其相關聯，也可通過 app=tomcat刪除擁有該標簽的 Pod 資源。
6.3 Replicaset
Kubernetes 中的副本控制器，管理Pod，使 pod 副本的數量始終維持在預設的個數。
6.4 Deployment
管理Replicaset 和Pod 的副本控制器，Deployment 可以管理多個Replicaset，是比 Replicaset更高級的控制器，也即是說在創建 Deployment 的時候，會自動創建 Replicaset，由 Replicaset再創建 Pod，Deployment 能對Pod 擴容、縮容、滾動更新和回滾、維持 Pod 數量。
6.5 Service
在 kubernetes 中，Pod 是有生命周期的，如果 Pod 重啟 IP 很有可能會發生變化。如果我們的服務都是將 Pod 的 IP 地址寫死，Pod 的掛掉或者重啟，和剛才重啟的 pod 相關聯的其他服務將會找不到它所關聯的 Pod，為了解決這個問題，在 kubernetes 中定義了 service 資源對象，Service 定義了一個服務訪問的入口，客戶端通過這個入口即可訪問服務背后的應用集群實例，service 是一組 Pod 的邏輯集合，這一組 Pod 能夠被 Service 訪問到，通常是通過 Label Selector 實現的。
可以看下面的圖：
6.6 Coredns
在 k8s 中，coredns 會監聽 3 類 k8s 資源，分別是 Service、StatefulSet 和 Pod，並會為這三類資源自動創建（更新/刪除）相應的域名記錄，k8s 中各服務間可以直接通過服務域名的方式進行通信。
6.7 kube-proxy
部署在每個 Node 節點上，它是實現 Kubernetes Service 的通信與負載均衡機制的重要組件， kube- proxy 負責為 Pod 創建代理服務，從 apiserver 獲取所有 server 信息，並根據 service 信息創建代理服務，實現 server 到 Pod 的請求路由和轉發，從而實現 K8s 層級的虛擬轉發網絡。