Kubernetes 的原理

kubernetes 已經成為容器編排領域的王者，它是基于容器的集群編排引擎，具備擴展集群、滾動升級回滾、彈性伸縮、自動治愈、服務發現等多種特性能力。

本文將帶著大家快速了解 kubernetes ，了解我們談論 kubernetes 都是在談論什么。

kubernetes 架構

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從宏觀上來看 kubernetes 的整體架構，包括 Master、Node 以及 Etcd。

Master 即主節點，負責控制整個 kubernetes 集群。它包括 Api Server、Scheduler、Controller 等組成部分。它們都需要和 Etcd 進行交互以存儲數據。

  • Api Server：主要提供資源操作的統一入口，這樣就屏蔽了與 Etcd 的直接交互。功能包括安全、注冊與發現等。

  • Scheduler：負責按照一定的調度規則將 Pod 調度到 Node 上。

  • Controller：資源控制中心，確保資源處于預期的工作狀態。

Node 即工作節點，為整個集群提供計算力，是容器真正運行的地方，包括運行容器、kubelet、kube-proxy。

  • kubelet：主要工作包括管理容器的生命周期、結合 cAdvisor 進行監控、健康檢查以及定期上報節點狀態。

  • kube-proxy: 主要利用 service 提供集群內部的服務發現和負載均衡，同時監聽 service/endpoints 變化并刷新負載均衡。

從創建 deployment 開始

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deployment 是用于編排 pod 的一種控制器資源，我們會在后面做介紹。這里以 deployment 為例，來看看架構中的各組件在創建 deployment 資源的過程中都干了什么。

  1. 首先是 kubectl 發起一個創建 deployment 的請求

  2. apiserver 接收到創建 deployment 請求，將相關資源寫入 etcd；之后所有組件與 apiserver/etcd 的交互都是類似的

  3. deployment controller list/watch 資源變化并發起創建 replicaSet 請求

  4. replicaSet controller list/watch 資源變化并發起創建 pod 請求

  5. scheduler 檢測到未綁定的 pod 資源，通過一系列匹配以及過濾選擇合適的 node 進行綁定

  6. kubelet 發現自己 node 上需創建新 pod，負責 pod 的創建及后續生命周期管理

  7. kube-proxy 負責初始化 service 相關的資源，包括服務發現、負載均衡等網絡規則

至此，經過 kubenetes 各組件的分工協調，完成了從創建一個 deployment 請求開始到具體各 pod 正常運行的全過程。

Pod

在 kubernetes 眾多的 api 資源中，pod 是最重要和基礎的，是最小的部署單元。

首先我們要考慮的問題是，我們為什么需要 pod？pod 可以說是一種容器設計模式，它為那些”超親密”關系的容器而設計，我們可以想象 servelet 容器部署 war 包、日志收集等場景，這些容器之間往往需要共享網絡、共享存儲、共享配置，因此我們有了 pod 這個概念。

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對于 pod 來說，不同 container 之間通過 infra container 的方式統一識別外部網絡空間，而通過掛載同一份 volume 就自然可以共享存儲了，比如它對應宿主機上的一個目錄。

容器編排

容器編排是 kubernetes 的看家本領了，所以我們有必要了解一下。kubernetes 中有諸多編排相關的控制資源，例如編排無狀態應用的 deployment，編排有狀態應用的 statefulset，編排守護進程 daemonset 以及編排離線業務的 job/cronjob 等等。

我們還是以應用最廣泛的 deployment 為例。deployment、replicatset、pod 之間的關系是一種層層控制的關系。簡單來說，replicaset 控制 pod 的數量，而 deployment 控制 replicaset 的版本屬性。這種設計模式也為兩種最基本的編排動作實現了基礎，即數量控制的水平擴縮容、版本屬性控制的更新/回滾。

水平擴縮容

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水平擴縮容非常好理解，我們只需修改 replicaset 控制的 pod 副本數量即可，比如從 2 改到 3，那么就完成了水平擴容這個動作，反之即水平收縮。

更新/回滾

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更新/回滾則體現了 replicaset 這個對象的存在必要性。例如我們需要應用 2 個實例的版本從 v1 改到 v2，那么 v1 版本 replicaset 控制的 pod 副本數會逐漸從 2 變到 0，而 v2 版本 replicaset 控制的 pod 數會注解從 0 變到 2，當 deployment 下只存在 v2 版本的 replicaset 時變完成了更新。回滾的動作與之相反。

滾動更新

可以發現，在上述例子中，我們更新應用，pod 總是一個一個升級，并且最小有 2 個 pod 處于可用狀態，最多有 4 個 pod 提供服務。這種”滾動更新”的好處是顯而易見的，一旦新的版本有了 bug，那么剩下的 2 個 pod 仍然能夠提供服務，同時方便快速回滾。

在實際應用中我們可以通過配置 RollingUpdateStrategy 來控制滾動更新策略，maxSurge 表示 deployment 控制器還可以創建多少個新 Pod；而 maxUnavailable 指的是，deployment 控制器可以刪除多少個舊 Pod。

kubernetes 中的網絡

我們了解了容器編排是怎么完成的，那么容器間的又是怎么通信的呢？

講到網絡通信，kubernetes 首先得有”三通”基礎：

  1. node 到 pod 之間可以通

  2. node 的 pod 之間可以通

  3. 不同 node 之間的 pod 可以通

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簡單來說，不同 pod 之間通過 cni0/docker0 網橋實現了通信，node 訪問 pod 也是通過 cni0/docker0 網橋通信即可。

而不同 node 之間的 pod 通信有很多種實現方案，包括現在比較普遍的 flannel 的 vxlan/hostgw 模式等。flannel 通過 etcd 獲知其他 node 的網絡信息，并會為本 node 創建路由表，最終使得不同 node 間可以實現跨主機通信。

微服務—service

在了解接下來的內容之前，我們得先了解一個很重要的資源對象:service。

我們為什么需要 service 呢？在微服務中，pod 可以對應實例，那么 service 對應的就是一個微服務。而在服務調用過程中，service 的出現解決了兩個問題：

  1. pod 的 ip 不是固定的，利用非固定 ip 進行網絡調用不現實

  2. 服務調用需要對不同 pod 進行負載均衡

service 通過 label 選擇器選取合適的 pod，構建出一個 endpoints，即 pod 負載均衡列表。實際運用中，一般我們會為同一個微服務的 pod 實例都打上類似app=xxx的標簽，同時為該微服務創建一個標簽選擇器為app=xxx的 service。

kubernetes 中的服務發現與網絡調用

在有了上述”三通”的網絡基礎后，我們可以開始微服務架構中的網絡調用在 kubernetes 中是怎么實現的了。

這部分內容其實在說說 Kubernetes 是怎么實現服務發現的已經講得比較清楚了，比較細節的地方可以參考上述文章，這里做一個簡單的介紹。

服務間調用

首先是東西向的流量調用，即服務間調用。這部分主要包括兩種調用方式，即 clusterIp 模式以及 dns 模式。

clusterIp 是 service 的一種類型，在這種類型模式下，kube-proxy 通過 iptables/ipvs 為 service 實現了一種 VIP(虛擬 ip)的形式。只需要訪問該 VIP，即可負載均衡地訪問到 service 背后的 pod。

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上圖是 clusterIp 的一種實現方式，此外還包括 userSpace 代理模式(基本不用)，以及 ipvs 模式(性能更好)。

dns 模式很好理解，對 clusterIp 模式的 service 來說，它有一個 A 記錄是?service-name.namespace-name.svc.cluster.local，指向 clusterIp 地址。所以一般使用過程中，我們直接調用 service-name 即可。

服務外訪問

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南北向的流量，即外部請求訪問 kubernetes 集群，主要包括三種方式：nodePort、loadbalancer、ingress。

nodePort 同樣是 service 的一種類型，通過 iptables 賦予了調用宿主機上的特定 port 就能訪問到背后 service 的能力。

loadbalancer 則是另一種 service 類型，通過公有云提供的負載均衡器實現。

我們訪問 100 個服務可能需要創建 100 個 nodePort/loadbalancer。我們希望通過一個統一的外部接入層訪問內部 kubernetes 集群，這就是 ingress 的功能。ingress 提供了統一接入層，通過路由規則的不同匹配到后端不同的 service 上。ingress 可以看做是”service 的 service”。ingress 在實現上往往結合 nodePort 以及 loadbalancer 完成功能。

到現在為止，我們簡單了解了 kubernetes 的相關概念，它大致是怎么運作的，以及微服務是怎么運行在 kubernetes 中的。于是當我們聽到別人討論 kubernetes 時，我們可以知道他們在討論什么

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