【Kubernetes 系列二】从虚拟机讲到 Kubernetes 架构

什么是虚拟机？
什么是容器？
Docker
Kubernetes

在认识 Kubernetes 之前，我们需了解下容器，在了解容器之前，我们得先知道什么是虚拟机。

什么是虚拟机？

虚拟机（VM, Virtual Machine）是计算机系统的仿真，以便隔离真实计算机硬件，运行多个不同的操作系统。虚拟化技术是硬件隔离的，运行在虚拟机（客体机）中的程序不直接与真实机器（宿主机）交互。

常见的虚拟机软件有：

软件	初次发布时间	早期主导的公司	操作系统	编写语言
VMware Workstation	1999	VMware	Windows, Linux	C, C++, F#
VirtualBox	2007.1.17	Oracle	Windows, macOS, Linux and Solaris	C, C++, x86 Assembly
OpenStack	2010.10.21	Rackspace Hosting, NASA	跨平台	Python

虚拟机因为要隔离出单独的一个个系统，相比容器，占用内存和磁盘空间较大，运行起来很笨重。

什么是容器？

容器（Container），通常是指 Linux 容器（LXC, Linux Containers ），是轻量级的虚拟化技术（我们把虚拟机技术称之为重量级的虚拟化技术）。它不隔离出一个个子系统，而是直接运行在真机上，隔离的是进程，使用的底层技术其实是 Linux Namespaces（Linux 命名空间）。什么是 Linux Namespaces 呢？

在计算机领域，Namespace 是用来表明标识符的可见范围。在 XML 定义中就用 xmlns（XML Namespace）来确定标签的含义，隔离命名冲突，例如：

<html>

<h:table xmlns:h="http://www.w3.org/TR/html4/">

   <h:tr>

   <h:td>Apples</h:td>

   <h:td>Bananas</h:td>

   </h:tr>

</h:table>

<f:table xmlns:f="http://www.w3school.com.cn/furniture">

   <f:name>African Coffee Table</f:name>

   <f:width>80</f:width>

   <f:length>120</f:length>

</f:table>

</html>

学过 Android 的，可以联想下 Android XML 布局文件中默认的 xmlns

`xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android" `

以及我们自定义组件属性时，使用的 xmlns

`xmlns:app="http://schemas.android.com/apk/res-auto"`

学过 C++的还可以联想下其关键字 namespace。

言归正传，Linux Namespaces 是 Linux 内核中对容器的支持，不同 Namespace 之间内核资源是隔离的。Linux Namespaces 最早出现在 Linux 2.4，到 4.6 时已经有 7 种 Namespaces了，每种 Namespace 隔离不同种类的内核资源，具体列表如下：

Namespace	Since	Constant	Isolates
Cgroup	Linux 2.6.24 → Linux 4.5	CLONE_NEWCGROUP	Cgroup root directory（Cgroup 的根目录）
IPC	Linux 2.6.19	CLONE_NEWIPC	System V IPC, POSIX message queues（信号量、消息队列和共享内存）
Network	Linux 2.6.24 → Linux 2.6.29	CLONE_NEWNET	Network devices, stacks, ports, etc.（网络设备、栈和端口等）
Mount	Linux 2.4.19	CLONE_NEWNS	Mount points（文件系统挂载点）
PID	Linux 2.6.24	CLONE_NEWPID	Process IDs（进程 ID）
User	Linux 2.6.23 → Linux 3.8	CLONE_NEWUSER	User and group IDs（用户和组 ID）
UTS	Linux 2.6.19	CLONE_NEWUTS	Hostname and NIS domain name（主机名和 NIS 域名）

重要的 6 种 Namespace 在 2010 年就已经出现并多数编码完成，Linux 的容器支持愈加完善，Docker 的出现正逢其时。

Docker

我们前面讲到 Docker，始于 2010 年 dotCloud 开发的基于Linux 容器的虚拟化技术，即 Docker 技术。这项技术于 2013 年 3 月在 Github 上开源并发布 v0.1 版本，吸引大量人气，甚至 Google、Redhat、IBM 和Amazon 等大公司也表示全力支持。到2014年6月9日，Docker v1.0 正式发布。如前述虚拟机软件，整理 Docker 基本信息如下：

软件	初次发布时间	早期主导的公司	操作系统	编写语言
Docker	2013.3	dotCloud（Docker Inc.）	Linux, Windows, MacOS	Go

初步认识 Docker，只需要了解其中的 3 个概念：

镜像（Image），这里的镜像不是我们平常所熟知的 ISO 压缩文件，而是一种使用 Union FS 分层存储技术存储的 root 文件系统，包含容器运行时所需的程序、库、资源和配置等文件。
容器（Container），Docker 语义下的容器是镜像运行时的实体，其实质就是一个 Docker 进程。可以对容器执行创建、启动、停止、删除和暂停操作。容器的存储方式也是分层存储，以镜像为基础层，在其上创建一个当前容器的存储层，称之为容器存储层。（注：容器存储层的生命周期与容器同步，故写入文件时应使用数据卷或绑定宿主目录）
登记处（Registry），一个登记处可以登记多个仓库，每个仓库可以包含多个标签，每个标签对应一个镜像。登记处便利了镜像的分发和管理。

Kubernetes

随着 Docker 技术的流行，人们对统一部署、扩展和运行容器集群的需求日益强烈。于是，Kubernetes 应运而生。

Kubernetes （源自古希腊语，意为领航员、舵手，简称 K8S，8 代表中间的 8 个字母）由 Google 公司于 2014 年推出，并于 2015 年 7 月 21 日发布 v1.0 。Kubernetes 系统深受 Google 内部另一个大型集群管理系统 Borg 的影响，其 logo 上的七个轮辐就是在向电影《星际迷航》中的 Borg 人 Seven 致意。

架构

Kubernetes 采用主从式架构，一个集群控制节点（Master）和多个工作节点（Node）。包含以下核心组件：

图：Kubernetes 核心组件

图：Kubernetes 架构（官方）

图：Kubernetes 架构（AWS）

图：Kubernetes 架构（Slide from [this](https://schd.ws/hosted_files/kccnceu18/00/What does "production ready" really mean for a Kubernetes cluster.pdf) presentation from Lucas Käldström (@kubernetesonarm)）

图：Kubernetes 架构

Kubernetes 对象

Kubernetes 采用声明式设计，通过 API 对象声明期望的状态（desired state），然后系统会通过控制面（control plane）最终达到期望。

图：Kubernetes 对象

基础设施抽象

图：基础设施抽象