什么是Kubernetes？

　　刚刚进学校实验室，第一次开会导师和小组同学说了n次Kubernetes，从来没听过，一脸懵逼。

Kubernetes也有很多人把它叫K8S，

原文链接：http://omerio.com/2015/12/18/learn-the-kubernetes-key-concepts-in-10-minutes/（翻译：崔婧雯）

什么是Kubernetes？

Kubernetes（k8s）是自动化容器操作的开源平台，这些操作包括部署，调度和节点集群间扩展。如果你曾经用过Docker容器技术部署容器，那么可以将Docker看成Kubernetes内部使用的低级别组件。Kubernetes不仅仅支持Docker，还支持Rocket，这是另一种容器技术。
使用Kubernetes可以：

自动化容器的部署和复制
随时扩展或收缩容器规模
将容器组织成组，并且提供容器间的负载均衡
很容易地升级应用程序容器的新版本
提供容器弹性，如果容器失效就替换它，等等...

实际上，使用Kubernetes只需一个部署文件，使用一条命令就可以部署多层容器（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。现在介绍一些核心概念。

集群

集群是一组节点，这些节点可以是物理服务器或者虚拟机，之上安装了Kubernetes平台。下图展示这样的集群。

上图可以看到如下组件，使用特别的图标表示Service和Label：

Pod
Container（容器）
Label()（标签）
Replication Controller（复制控制器）
Service（）（服务）
Node（节点）
Kubernetes Master（Kubernetes主节点）

Pod

Pod（上图绿色方框）安排在节点上，包含一组容器和卷。同一个Pod里的容器共享同一个网络命名空间，可以使用localhost互相通信。Pod是短暂的，不是持续性实体。你可能会有这些问题：

如果Pod是短暂的，那么我怎么才能持久化容器数据使其能够跨重启而存在呢？是的，Kubernetes支持卷的概念，因此可以使用持久化的卷类型。
是否手动创建Pod，如果想要创建同一个容器的多份拷贝，需要一个个分别创建出来么？可以手动创建单个Pod，但是也可以使用Replication Controller使用Pod模板创建出多份拷贝，下文会详细介绍。
如果Pod是短暂的，那么重启时IP地址可能会改变，那么怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢？这时可以使用Service，下文会详细介绍。

Lable

正如图所示，一些Pod有Label（）。一个Label是attach到Pod的一对键/值对，用来传递用户定义的属性。比如，你可能创建了一个"tier"和“app”标签，通过Label（tier=frontend, app=myapp）来标记前端Pod容器，使用Label（tier=backend, app=myapp）标记后台Pod。然后可以使用Selectors选择带有特定Label的Pod，并且将Service或者Replication Controller应用到上面。

Replication Controller

是否手动创建Pod，如果想要创建同一个容器的多份拷贝，需要一个个分别创建出来么，能否将Pods划到逻辑组里？

Replication Controller确保任意时间都有指定数量的Pod“副本”在运行。如果为某个Pod创建了Replication Controller并且指定3个副本，它会创建3个Pod，并且持续监控它们。如果某个Pod不响应，那么Replication Controller会替换它，保持总数为3.如下面的动画所示：

如果之前不响应的Pod恢复了，现在就有4个Pod了，那么Replication Controller会将其中一个终止保持总数为3。如果在运行中将副本总数改为5，Replication Controller会立刻启动2个新Pod，保证总数为5。还可以按照这样的方式缩小Pod，这个特性在执行滚动升级时很有用。

当创建Replication Controller时，需要指定两个东西：

Pod模板：用来创建Pod副本的模板
Label：Replication Controller需要监控的Pod的标签。

现在已经创建了Pod的一些副本，那么在这些副本上如何均衡负载呢？我们需要的是Service。

Service

如果Pods是短暂的，那么重启时IP地址可能会改变，怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢？

Service是定义一系列Pod以及访问这些Pod的策略的一层抽象。Service通过Label找到Pod组。因为Service是抽象的，所以在图表里通常看不到它们的存在，这也就让这一概念更难以理解。

现在，假定有2个后台Pod，并且定义后台Service的名称为‘backend-service’，lable选择器为（tier=backend, app=myapp）。backend-service 的Service会完成如下两件重要的事情：

会为Service创建一个本地集群的DNS入口，因此前端Pod只需要DNS查找主机名为 ‘backend-service’，就能够解析出前端应用程序可用的IP地址。
现在前端已经得到了后台服务的IP地址，但是它应该访问2个后台Pod的哪一个呢？Service在这2个后台Pod之间提供透明的负载均衡，会将请求分发给其中的任意一个（如下面的动画所示）。通过每个Node上运行的代理（kube-proxy）完成。

下述动画展示了Service的功能。注意该图作了很多简化。如果不进入网络配置，那么达到透明的负载均衡目标所涉及的底层网络和路由相对先进。

有一个特别类型的Kubernetes Service，称为'LoadBalancer'，作为外部负载均衡器使用，在一定数量的Pod之间均衡流量。比如，对于负载均衡Web流量很有用。

Node

节点（上图橘色方框）是物理或者虚拟机器，作为Kubernetes worker，通常称为Minion。每个节点都运行如下Kubernetes关键组件：

Kubelet：是主节点代理。
Kube-proxy：Service使用其将链接路由到Pod，如上文所述。
Docker或Rocket：Kubernetes使用的容器技术来创建容器。

Kubernetes Master

集群拥有一个Kubernetes Master（紫色方框）。Kubernetes Master提供集群的独特视角，并且拥有一系列组件，比如Kubernetes API Server。API Server提供可以用来和集群交互的REST端点。master节点包括用来创建和复制Pod的Replication Controller。

Kubernetes架构

Kubernetes借鉴了Borg的设计理念，比如Pod、Service、Labels和单Pod单IP等。Kubernetes的整体架构跟Borg非常像，如下图所示

Kubernetes主要由以下几个核心组件组成：

etcd保存了整个集群的状态；
apiserver提供了资源操作的唯一入口，并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制；
controller manager负责维护集群的状态，比如故障检测、自动扩展、滚动更新等；
scheduler负责资源的调度，按照预定的调度策略将Pod调度到相应的机器上；
kubelet负责维护容器的生命周期，同时也负责Volume（CSI）和网络（CNI）的管理；
Container runtime负责镜像管理以及Pod和容器的真正运行（CRI）；
kube-proxy负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡；

除了核心组件，还有一些推荐的Add-ons：

kube-dns负责为整个集群提供DNS服务
Ingress Controller为服务提供外网入口
Heapster提供资源监控
Dashboard提供GUI
Federation提供跨可用区的集群

Kubernetes架构示意图

整体架构

下图清晰表明了kubernetes的架构设计以及组件之间的通信协议。

图片 - Kuberentes架构（图片来自于网络）

下面是更抽象的一个视图：

图片 - kubernetes整体架构示意图

Master架构

图片 - Kubernetes master架构示意图

Node架构

图片 - kubernetes node架构示意图

分层架构

Kubernetes设计理念和功能其实就是一个类似Linux的分层架构，如下图所示

图片 - Kubernetes分层架构示意图

核心层：Kubernetes最核心的功能，对外提供API构建高层的应用，对内提供插件式应用执行环境
应用层：部署（无状态应用、有状态应用、批处理任务、集群应用等）和路由（服务发现、DNS解析等）
管理层：系统度量（如基础设施、容器和网络的度量），自动化（如自动扩展、动态Provision等）以及策略管理（RBAC、Quota、PSP、NetworkPolicy等）
接口层：kubectl命令行工具、客户端SDK以及集群联邦
生态系统：在接口层之上的庞大容器集群管理调度的生态系统，可以划分为两个范畴
- Kubernetes外部：日志、监控、配置管理、CI、CD、Workflow、FaaS、OTS应用、ChatOps等
- Kubernetes内部：CRI、CNI、CVI、镜像仓库、Cloud Provider、集群自身的配置和管理等