一、Kubernetes简介

Kubernetes（K8s）是Google开源的容器集群管理系统。它构建在Docker技术之上，为容器化的应用提供资源调度、部署运行、服务发现、扩容缩容等一整套功能。
Kubernetes的发展历史为：

• 2014年6月：谷歌宣布Kubernetes开源。
• 2014年7月：Microsoft、Red Hat、IBM、Docker、CoreOS、Mesosphere和Saltstack加入Kubernetes。
• 2014年8月： Mesosphere宣布将Kubernetes作为框架整合到Mesosphere生态系统中，用于Docker容器集群的调度、部署和管理。 2015年1月：Google和Mirantis及伙伴将Kubernetes引入Openstack，开发者可以在Openstack上部署运行Kubernetes应用。
• 2015年7月：Kubernetes v1.0正式发布。
• 2020年2月：目前，Kubernetes最新的正式版本为V1.17.3。

二、Kubernetes的优秀特性

Kubernetes具有许多优秀特性，包括：

• 强大的容器编排能力：深度集成了Docker，天然适应容器的特点，设计出强大的容器编排能力，比如容器组合、标签选择和服务发现等，可以满足企业级需求。
• 轻量级：遵循微服务架构理论，整个系统划分出各个功能独立的组件，组件之间边界清晰，部署简单，可以轻易地运行在各种系统和环境中。同时，Kubernetes中的许多功能都实现了插件化，可以非常方便地进行扩展和替换。
• 开放开源：吸引了大批开发者和公司参与其中，协同工作共同构建生态圈。同时，Kubernetes同OpenStack、Docker等开源社区积极合作、共同发展。

三、Kubernetes架构

Kubernetes的重要操作对象、功能组件、功能特征及其关系如下图所示。

1、操作对象

Kubernetes的主要操作对象包括Pod、Service、Replication Controller，它们之间可以通过Label进行关联，如下图所示。

（1）Pod

Pod是若干相关容器的组合，Pod包含的容器运行在同一台宿主机上，这些容器使用相同的网络命名空间、IP地址和端口，还可共享同一块存储卷空间，相互之间能通过localhost来发现和通信。
在Kubernetes中创建、调度和管理的最小单位是Pod，而不是容器，Pod通过提供更高层次的抽象，提供了更加灵活的部署和管理模式。

（2）Service

Service是真实应用服务的抽象，定义了Pod的逻辑集合和访问这个Pod集合的策略。
Service将代理Pod对外表现为一个单一的访问接口，外部不需要了解后端Pod如何运行，这给扩展和维护带来很多好处，提供了一套简化的服务代理和发现机制。

（3）Replication Controller

Replication Controller用来控制管理Pod副本（Replica，或者称为实例），确保任何时候Kubernetes集群中有指定数量的Pod副本在运行。它是弹性伸缩、滚动升级的实现核心。

（4）Label

Label是用于区分Pod、Service、Replication Controller的Key/Value对，实际上，Kubernetes中的任意API对象都可以通过Label进行标识。每个API对象可以有多个Label，但是每个Label的Key只能对应一个Value。
Label是Service和Replication Controller运行的基础，它们都通过Label来关联Pod。如上图所示，有3个Pod都有Label为"app=backend"，创建Service和Replication Controller时可以指定同样的Label：“app=backend”，再通过label selector机制，就将它们与这3个Pod关联起来了。当有其他frontend pod访问该Service时，自动会转发到其中的一个backend pod。

2、功能组件

Kubernetes的主要功能组件包括Master和Node（即Slave）这两类。

（1）Kubernetes Master

Kubernetes Master为控制节点，调度管理整个系统，主要包含组件为API Server、Scheduler、Controller Manager。

• API Server：作为Kubernetes系统的入口，其封装了核心对象的增删改查操作，以REST API接口方式提供给外部客户和内部组件调用。它维护的REST对象将持久化到Etcd中。
• Scheduler：负责集群的资源调度，为新建的Pod分配机器。这部分工作分出来变成一个组件，意味着可以很方便地替换成其他的调度器。
• Controller Manager：负责执行各种控制器，比较重要的如下。
  

（2）Kubernetes Node

Kubernetes Node为运行节点，用于运行管理业务的容器，主要包含组件为Kubelet、Kubernetes Proxy。

• Kubelet：负责管控Docker容器，如启动/停止、监控运行状态等。它会定期从Etcd获取分配到本机的Pod，并根据Pod信息启动或停止相应的容器。同时，它也会接收API Server的HTTP请求，汇报Pod的运行状态。
• Kubernetes Proxy：负责为Pod提供代理。它会定期从Etcd获取所有的Service，并根据Service信息创建代理，实现Service到Pod的请求路由和转发，从而实现Kubernetes层级的虚拟转发网络。当某个客户Pod要访问其他Pod时，访问请求会经过本机Proxy做转发。

3、功能特性

Kubernetes通过各个功能组件，实现了强大的容器集群管理功能，包括：

• 资源调度：通过Scheduler组件实现；
• 部署启动：通过Kubelet组件实现；
• 运行监控：通过Kubelet组件实现；
• 服务发现：通过Proxy组件实现；
• 错误处理：通过Controller Manager组件执行Replication Controller、Node Controller等控制器实现；
• 扩容缩容：通过Controller Manager组件执行Pod Autoscaler Controller控制器实现。