Kubernetes基础概念

一、Kubernetes简介

1、由google公司开发，google有10年容器化基础架构经验，自身的borg容器在公司内部使用，对外开源的是Kubernetes，由go语言开发，基于http协议的C/S架构，是一种资源管理器

2、特点

（1）go语言为静态编译性语言，因此k8s特点之一轻量级：消耗资源小

（2）开源

（3）弹性伸缩

（4）负载均衡：ipvs

二、组件说明

1、K8S架构

2、MASTER节点

（1）scheduler：任务发起角色，选择合适的节点进行分配任务，它将任务交给api server，api server将请求写入etcd，它并不会与etcd直接交互

（2）replication controller manager：rc，副本管理器，根据设置的pod数，使整个k8s一直保持这个pod数

（3）api server：一切服务访问的入口，为避免api server过于繁忙，各服务组件在本地生成一定的缓存，同样的访问需求读取缓存

（4）etcd：键值对数据库，存储K8S的参数信息，是一种可信赖的分布式存储服务，有自己的集群化方案，扩容方便，实现了k8s整个框架的持久化方案。V2将数据写入内存，V3会将数据写入磁盘，类似于redis，K8S v1.11已经弃用V2，对于仍在使用V2版的etcd，需要注意备份操作

etcd结构图

<2>etcd基于http协议

<3>Raft：存放etcd的读写信息

<4>WAL：预写日志，当对数据产生更改，产生日志放入Entry进行存储记录，并且利用Snapshot对这些日志定时的进行完整备份

<5>Store：Raft会将数据以及日志，实时的写入本地磁盘Store，进行持久化设置

3、NODE节点

（1）container：容器，现大多数使用docker作为容器平台

（2）kubelet：会与docker进行交互，操作docker创建对应的容器，维持pod生命周期

（3）kube proxy：负责写入规则至iptables或者IPVS，实现服务映射访问

4、其他插件

（1）CoreDNS：为急群众的SVC创建一个域名-IP的对应关系解析

（2）Dashboard：给K8S集群提供一个B/S结构访问体系

（3）INGRESS CONTROLLER：官方只能实现四层代理，INGRESS可以实现七层代理

（4）FEDETATION：提供一个可以跨集群中心多K8S统一管理功能

（5）Prometheus：提供一个K8S集群的监控能力

（6）ELK：提供K8S集群日志统一分析介入平台

5、高可用集群副本数据最好是>=3奇数个

6、有状态服务和无状态服务

（1）有状态服务：需要数据存储功能的服务、或者指多线程类型的服务，队列等，每个实例都需要自己独立的持久化存储，比如说mysql数据库

（2）无状态服务：是指该服务运行的实例不会在本地存储需要持久化的数据，并且多个实例对于同一个请求响应的结果是完全一致的。多个实例可以共享相同的持久化数据，例如nginx、tomcat

三、POD

1、Pod分为两种：

自主式Pod：不被控制器管理的POD，POD挂掉后不会被重启

控制器管理的Pod

2、同一个POD中，容器之间的端口不能冲突，它们既共用同一个网络栈，又共享同一个存储卷

3、POD控制器类型

（1）ReplicationController、ReplicaSet、Deployment、HPA，前三种控制器具有一定组合性而放在一起，HPA仅适用于ReplicaSet和Deployment

<1>ReplicationController：RC，用来确保容器应用的副本数，始终保持在用户定义的副本数，如果有容器异常退出，会自动创建新的Pod来替代，如果异常多出来的容器也会自动回收，在新版本的K8S中建议使用ReplicaSet来取代该项

<2>ReplicaSet：RS，与ReplicationController没有本质不同，只是名字不一样，并且ReplicaSet支持集合式的selector，新版本中已经抛弃了RC

<3>Deployment：一般建议用Deployment自动管理ReplicaSet，这样无需担心跟其他机制的不兼容问题，比如RS不支持rolling-update滚动更新，但Deployment支持。本项不支持POD创建，但它可以定义RS

滚动更新：假设Deployment下有个RS，RS下有3个POD，需要将POD中的内容进行更新

现在开始更新，在Deployment下会生成一个新的RS

 

由于我们设置一共有3个pod，所以升级的过程是RS1去掉一个V1，在RS2处新加一个V2，保持总数不变

 

以此类推，最后所有pod升级完成

<4>HPA：Horizontal Pod Auto scal，在V1版本中仅支持根据Pod的CPU利用率扩缩容，即根据CPU使用率的多少，增加或减少容器，个数不会超过最大最小值。在valpha版本中，支持根据内存和用户自定义的阈值扩缩容。

（2）StatefulSet：是为了解决有状态服务的问题，是对应Deployment和ReplicaSets的无状态服务而设计

<1>稳定的持久化存储，即Pod重新调度后还是能访问到相同的持久化数据，基于PVC来实现

<2>稳定的网络标志，即Pod重新调度后，PodName和HostName都不变，基于Headless Service来实现

<3>有序部署，有序扩展，即Pod是有顺序的，在部署或者扩展的时候要根据定义的顺序依次进行，即从0到最后一个，在下一个Pod运行之前的所有Pod，都必须是Running和Ready状态，基于init containers来实现

<4>有序收缩，有序删除，即从倒数第一个到0

（3）DaemonSet：确保全部或者部分Node上运行一个Pod的副本。当有Node加入集群时，也会为他们新增一个Pod；当有Node从集群移除时，这些Pod也会被回收。删除DaemonSet将会删除它所创建的所有Pod。典型用在每个Node上运行日志收集daemon，比如说logstash，或者在每个Node上运行监控daemon，比如和Prometheus Node Exporter

（4）Job，CronJob

<1>Job负责批处理任务，即仅执行一次的任务，它保证批处理任务的一个或多个Pod成功结束

<2>Cron Job管理基于时间的Job，即在给定时间点只运行一次、周期性地在给定时间点运行

4、服务发现

（1）当客户端访问一组Pod时，即该组Pod提供的是同样的服务，即被同一个Deployment创建，或者拥有同一组标签，才会被这个service选到。选到以后该service拥有自己的ip和端口，此时客户端便可以通过访问这个service的ip和端口，间接地访问到这些Pod，并存在RR轮循调度算法

（2）Pod与Pod之间的访问，可以通过访问service方式，或者ingress

四、网络通讯方式

1、K8S的网络模型假定了所有Pod都在一个可以直接连通的扁平网络空间中，也就是说，所有的pod之间都可以依靠ip到达。但如果在私有云里搭建K8S集群，需要实现这个连通的网络空间，将不同节点上的docker容器之间的互相访问先打通，然后再运行K8S

2、通讯方式

（1）同一个Pod内的多个容器之间：lo

（2）各Pod之间的通讯：FlannelOverlay Network，覆盖网络

<1>在同一台主机上，由docker0网桥直接转发请求即可，不需要经过

<2>不在同一台主机上，pod的地址是与docker0在同一个网段的，但docker0网段与宿主机网卡是两个完全不同的IP网段，并且不同Node之间的统信只能通过宿主机的物理网卡进行，将Pod的IP和所在Node的IP关联起来，通过这个关联可以互相访问

（3）Pod与Service之间的通讯：各节点的iptables规则、LVS

（4）pod到外网：pod向外网发送请求，查找路由表，转发数据包到宿主机网卡，宿主机网卡完成路由选择后，iptables执行masquerade，把源IP更改为宿主机网卡的IP，然后向外网发送请求

（5）外网访问Pod：service

3、网络解决方案：K8S+Flannel，不同主机Pod之间的访问过程

（1）Flannel：让集群中的不同节点主机创建的docker容器都具有全集群唯一的虚拟ip地址，而且它还能在这些ip地址之间建立一个覆盖网络(Overlay Network)，通过这个覆盖网络，将数据包原封不懂地传递到目标容器内

 

（2）不同主机pod之间访问过程说明：

<1>图中若web app2访问web app1，可以直接走docker0网卡即可，即走了pod内的docker之间访问使用lo方式

<2>图中若web app2访问backend，首先自身ip地址10.1.15.2/24经过docker0，进入Flannel0，Flanneld中有etcd配置的路由表信息，之后对数据包进行封装：

mac

Pod源ip，Pod目标ip(图中destination有错)

利用udp协议在内部局域网更快的特性

源容器的ip和目标容器的ip

数据包实体

进入目标pod后，Flanneld会拆封数据包，将请求转发到Flannel0，Flannel0再转发到docker0，之后进入backend。

（3）etcd与flannel提供的说明

<1>存储管理Flannel可分配的IP地址段资源，避免ip冲突

<2>监控etcd中每个pod的实际地址，并在内存中建立维护Pod节点路由表

3、K8S有3层网络，分别是service网络、pod网络和节点网络

真实的物理网络为节点网络，service网络和pod网络为虚拟网络

节点网络：构造K8S需要一张物理网络就可以