《Kubernetes权威指南》——入门

1 Hello World

1.1 概述

• 搭建一个Web留言板应用，采用PHP+Redis。
• Redis由一个master提供写和两个slave提供读。
• PHP构成的前端Web层由三个实例构成集群，访问时进行负载均衡。
• 提供三个docker镜像
  • redis-master：写的redis
  • redis-slave：读的redis
  • php-fronted：PHP Web服务

1.2 创建redis-master Pod和服务

• 为redis-master创建一个RC yaml文件

apiVersion:v1
kind:ReplicationController
metadata:
    name:redis-master
    labels:
        name:redis-master
spec:
    replicas:1  //一个副本
    selector:
        name:redis-master   //该RC控制label中key=name&&value=redis-master的所有pod
    template:   //pod启动的模版
        metadata:
            labels:
                name:redis-master
        spec:
            containers:     //定义pod中的docker容器，可以有多个
            - name:master
                image:XXX/redis-master  //指定容器镜像
                ports:
                -   containerPort:6379

• 通过kubectl create -f xxx.yaml 在Master节点执行命令
• 定义一个Servicede yaml文件

apiVersion:v1
kind:Service
metadata:
    name : redis-master
    labels:
        name : redis-master
    spec:
        ports:
        -  port : 6379  //Service暴露的虚端口
            targetPort : 6379   //提供该服务的容器所暴露的端口
        selector:
            name : redis-master     //该Service拥有label中key=name&&value=redis-master的所有pod

• kubectl get rc/pods/services 可查看k8s中的rc/pod或service列表
• k8s将分配给每个service一个ip，其他pod可通过ip+port访问对应的服务
• k8s通过给新pod中增加环境变量设定服务的ip与端口实现服务名与ip地址的映射

1.3 创建redis-slavel Pod和服务

• RC文件

apiVersion:v1
kind:ReplicationController
metadata:
    name:redis-slave
    labels:
        name:redis-slave
spec:
    replicas:2  //两个副本
    selector:
        name:redis-slave
    template:   //pod启动的模版
        metadata:
            labels:
                name:redis-slave
        spec:
            containers:     //定义pod中的docker容器，可以有多个
            - name:master
                image:XXX/redis-slave  //指定容器镜像
                env :   //设定容器中的一个环境变量
                - name : GET_HOSTS_FROM
                    value : env
                ports:
                -   containerPort:6379

• Service 文件

apiVersion:v1
kind:Service
metadata:
    name : redis-slave
    labels:
        name : redis-slave
    spec:
        ports:
        -  port : 6379  //Service暴露的虚端口
        selector:
            name : redis-slave

1.4 创建frontend Pod与服务

• RC配置文件与前面类似
• PHP中获取redis的ip通过先读取$GET_HOSTS_FROM ,确定有结果为env 则从环境变量中根据服务名读取其ip与端口
• 使用Service的NodePort给k8s集群的Service映射一个外网可访问的端口，即可通过NodeIp+NodePort访问集群中的服务

apiVersion : v1
kind : Service
metadata :
    name : frontend
    labels :
        name : frontend
spec :
    type : NodePort     //指定NodePort模式暴露外网端口
    ports :
    -   port : 80   //pod暴漏的端口
        nodePort : 30001    //NodePort，用户访问的端口，默认为30000~32767
    selector :
        name : frontend

2 Kubernetes概念

2.1 Node(节点)

• Node是k8s中相对与Master而言的工作主机，可以使物理主机、VM等
• 运行Kubelet、kube-proxy和docker daemon
• kubelet用于管理和启动Pod
• Node运行状态{Pending,Running,Terminated}
• k8s创建一个Node仅表示k8s在系统内部创建了一个Node对象，而后对其进行可否连通、服务是否启动等
• Node的管理由Master中的Node Controller进行，主要功能是集群范围内的Node信息同步和单个Node的生命周期管理
• Kubelet的--register-node=true时，Kubelet将自动想apiServer注册Node
• k8s可以手动创建和修改Node对象

2.2 Pod

• Pod是k8s操作的基本单元，包含一个或多个紧密相关的容器
• Pod状态：
  • Pending：Pod正确定义，提交到了Master但所包含的镜像还未完全创建
  • Running：Pod已被分配某个Node上，且所有容器已成功运行
  • Successed：Pod中所有容器都成功结束，并且不会被重启
  • Failed：Pod中所有容器都结束，至少有一个容器是失败状态结束
• k8s为Pod设计了一套独特的网络配置，为每个Pod分配一个IP地址，使用Pod名作为容器间通信的主机名等

2.3 Label

• Label以key/value形式附加到Pos、Service、RC、Node等上面
• 每个对象可以定义多个label，以提供Label Selector来选择对象
• Label Selector有两种形式：
  • 基于等式，name=redis-slave选择k/v都相等的，env!=production选择k=env但是v!=production的
  • 基于集合，name [not] in (redis-master,redis-slave)，类似于SQL中in

2.4 Replication Controller (RC)

• RC用于定义Pod的副本的数量，在Master内通过Controller Manager进程通过RC的定义来完成Pod的创建、监控启停等操作。
• k8s能确保在任意时刻都能运行用户指定的Pod数量，多了则停止某些Pod少了则增加
• 删除RC并不会影响该RC已创建好的Pod，可以先设置RC的replicas为0，或者通过Kubelet提供的stop和delete命令

2.5 Service

• 一个Service可以看作是一组提供服务的Pod的对外访问接口
• Service通过Label Selector选择提供服务的Pod
• Pod正常启动后系统会根据Service的定义创建出与Pod对应的Endpoint对象，以建立起Service与Pod的对应关系
• 随着Pod的变化Service也会更新Endpoint对象
• Pod IP是Docker Daemon根据docker0网桥的IP地址段分配，Service的Cluster IP地址则是k8s系统中的虚拟IP，系统动态分配
• 外部访问Service
  • NodePort，定义Service时指定spec.type=NodePort并指定spec.ports.NodePort的值，k8s集群会在每个Node上打开一个主机上的真实端口
  • LoadBalancer，spec.type=LoadBalancer同时指定负载均衡器的IP
• 一个服务暴露多个端口号

spec :
    ports :[
        {
            name : http
            protocol ：tcp
            port : 80
            targetPort : 9376
        },
        {
            name : https
            protocol ：tcp
            port : 443
            targetPort : 9377
        }
    ]

2.6 Volume

• Pod中能够被多个容器访问的共享目录，其生命周期与Pod相同跟容器无关。

1. EmptyDir，Pod分配到Node时创建的，初始内容为空，Pod从Node中移除时EmptyDir数据永久删除。主要用于临时空间、CheckPoint临时保存目录等
2. hostPath，在Pod上挂载宿主机上的文件或目录，主要用于需要永久保存的

kind : ReplicationController
....
spec :
    ....
    template :
        ...
        spec :
            volumes :
            - name : "Persistent-storage"   //定义卷名
                hostPath :
                path : "/data"  //宿主机路径
            containers:
                ...
                volumeMounts :
                - name : "Persistent-storage"   //对应Pod的卷名
                    mountPath : "/data"     //容器挂载路径

1. gcePersistentDisk,使用谷歌计算引擎上永久磁盘上的文件，写入数据永久保存。
2. awsElasticBlockStore，使用Amazon提供的EBS Volume
3. nfs，使用NFS(网络文件系统)提供的共享目录
4. iscsi，使用iSCSI设备
5. glusterfs，使用开源GlusterFS网络文件系统
6. rbd，使用Linux块设备共享存储
7. gitRepo，通过挂载一个空目录，从Git库clone一个git repository给Pod使用
8. secret，一个secret volume用于为Pod提供加密的信息
9. persistentVolumeClaim，从PersistentVolume中申请所需空间

2.7 Namespace

• 系统内部对象都分配到一个Namespace，形成逻辑上的分组，默认为default
• namespace定义

apiVersion : v1
kind : Namespace
metadata :
    name : development  //定义一个新的Namespace

• 创建其他对象是在其定义的metadata.namespace指定对应namespace

2.8 Annotation

• Annotation是用户任意定义的附加信息，以便于外部工具进行查找

3 Kubernetes总体架构

3.1 总体架构

• Kubernetes集群由Master和Node两类节点组成。
• Master上运行etcd、APIServer、Controller Manager和Scheduler，负责对集群中的所有资源进行管控和调度
• Node上运行Kubelet、Proxy和Docker Daemon，负责对本节点的Pod的生命周期的管理

3.2 组件关系

1. 通过Kubelet提交一个RC，该请求通过API Server被写入到etcd
2. Controller Manager通过API Server的资源变化监听接口监听到这个RC事件，分析当前集群是否存在该Pod，如过需要创建则根据RC中的模版定义生成一个Pod对象，通过API Server写入到etcd中。
3. 上部中写入Pod对象被Scheduler发现，其根据调度流程为这个Pod选定一个Node，称为绑定(Pod Binding),同时将结果通过API Server写入etcd
4. 目标Node上的Kubelet通过API Server检测到新Pod后按照其定义启动该Pod，并管理其生命周期
5. 当通过Kubelet提交一个映射到该Pod的Service创建请求，Controller Manager通过Label Selector查询相关Pod，生成Service的Endpoint通过API Server写入etcd
6. Node中所有Proxy进程通过API Server查询并监听Service对象与其对应的Endpoints信息，建立一个软件方式的负载均衡器来实现Service访问到后端Pod的流量转发功能

3.3 组件功能

• API Server：提供资源对象的唯一操作入口，其他组件必须通过其操作资源数据
• Controller Manager：集群内部的管理控制中心，实现k8s集群的故障检测和恢复的自动化工作
• Scheduler：集群中的调度器，负责Pod在集群节点中的调度分配
• Kubelet：负责本Node节点上的Pod的创建、修改、监控、删除等，同时定时同步本Node的状态信息到API Server
• Proxy：实现Service的代理及软件模式的负载均衡器