Kubernetes基本概念
1. Master
集群的控制节点,负责整个集群的管理和控制,kubernetes的所有的命令基本都是发给Master,由它来负责具体的执行过程。
1.1. Master的组件
- kube-apiserver:资源增删改查的入口
- kube-controller-manager:资源对象的大总管
- kube-scheduler:负责资源调度(Pod调度)
- etcd Server:kubernetes的所有的资源对象的数据保存在etcd中。
2. Node
Node是集群的工作负载节点,默认情况kubelet会向Master注册自己,一旦Node被纳入集群管理范围,kubelet会定时向Master汇报自身的情报,包括操作系统,Docker版本,机器资源情况等。
如果Node超过指定时间不上报信息,会被Master判断为“失联”,标记为Not Ready,随后Master会触发Pod转移。
2.1. Node的组件
- kubelet:Pod的管家,与Master通信
- kube-proxy:实现kubernetes Service的通信与负载均衡机制的重要组件
- Docker:容器的创建和管理
2.2. Node相关命令
kubectl get nodes
kuebctl describe node {node_name}
2.3. describe命令的Node信息
- Node基本信息:名称、标签、创建时间等
- Node当前的状态,Node启动后会进行自检工作,磁盘是否满,内存是否不足,若都正常则切换为Ready状态。
- Node的主机地址与主机名
- Node上的资源总量:CPU,内存,最大可调度Pod数量等
- Node可分配资源量:当前Node可用于分配的资源量
- 主机系统信息:主机唯一标识符UUID,Linux kernel版本号,操作系统,kubernetes版本,kubelet与kube-proxy版本
- 当前正在运行的Pod列表及概要信息
- 已分配的资源使用概要,例如资源申请的最低、最大允许使用量占系统总量的百分比
- Node相关的Event信息。
3. Pod
Pod是Kubernetes中操作的基本单元。每个Pod中有个根容器(Pause容器),Pause容器的状态代表整个容器组的状态,其他业务容器共享Pause的IP,即Pod IP,共享Pause挂载的Volume,这样简化了同个Pod中不同容器之间的网络问题和文件共享问题。
- Kubernetes集群中,同宿主机的或不同宿主机的Pod之间要求能够TCP/IP直接通信,因此采用虚拟二层网络技术来实现,例如Flannel,Openvswitch(OVS)等,这样在同个集群中,不同的宿主机的Pod IP为不同IP段的IP,集群中的所有Pod IP都是唯一的,不同Pod之间可以直接通信。
- Pod有两种类型:普通Pod和静态Pod。静态Pod即不通过K8S调度和创建,直接在某个具体的Node机器上通过具体的文件来启动。普通Pod则是由K8S创建、调度,同时数据存放在ETCD中。
- Pod IP和具体的容器端口(ContainnerPort)组成一个具体的通信地址,即Endpoint。一个Pod中可以存在多个容器,可以有多个端口,Pod IP一样,即有多个Endpoint。
- Pod Volume是定义在Pod之上,被各个容器挂载到自己的文件系统中,可以用分布式文件系统实现后端存储功能。
- Pod中的Event事件可以用来排查问题,可以通过kubectl describe pod xxx 来查看对应的事件。
- 每个Pod可以对其能使用的服务器上的计算资源设置限额,一般为CPU和Memory。K8S中一般将千分之一个的CPU配置作为最小单位,用m表示,是一个绝对值,即100m对于一个Core的机器还是48个Core的机器都是一样的大小。Memory配额也是个绝对值,单位为内存字节数。
- 资源配额的两个参数
- Requests:该资源的最小申请量,系统必须满足要求。
- Limits:该资源最大允许使用量,当超过该量,K8S会kill并重启Pod。
4. Label
- Label是一个键值对,可以附加在任何对象上,比如Node,Pod,Service,RC等。Label和资源对象是多对多的关系,即一个Label可以被添加到多个对象上,一个对象也可以定义多个Label。
- Label的作用主要用来实现精细的、多维度的资源分组管理,以便进行资源分配,调度,配置,部署等工作。
- Label通俗理解就是“标签”,通过标签来过滤筛选指定的对象,进行具体的操作。k8s通过Label Selector(标签选择器)来筛选指定Label的资源对象,类似SQL语句中的条件查询(WHERE语句)。
- Label Selector有基于等式和基于集合的两种表达方式,可以多个条件进行组合使用。
- 基于等式:name=redis-slave(匹配name=redis-slave的资源对象);env!=product(匹配所有不具有标签env=product的资源对象)
- 基于集合:name in (redis-slave,redis-master);name not in (php-frontend)(匹配所有不具有标签name=php-frontend的资源对象)
使用场景
- kube-controller进程通过资源对象RC上定义的Label Selector来筛选要监控的Pod副本数,从而实现副本数始终保持预期数目。
- kube-proxy进程通过Service的Label Selector来选择对应Pod,自动建立每个Service到对应Pod的请求转发路由表,从而实现Service的智能负载均衡机制。
- kube-scheduler实现Pod定向调度:对Node定义特定的Label,并且在Pod定义文件中使用NodeSelector标签调度策略。
5. Replication Controller(RC)
RC是k8s系统中的核心概念,定义了一个期望的场景。
主要包括:
- Pod期望的副本数(replicas)
- 用于筛选目标Pod的Label Selector
- 用于创建Pod的模板(template)
RC特性说明:
- Pod的缩放可以通过以下命令实现:kubectl scale rc redis-slave --replicas=3
- 删除RC并不会删除该RC创建的Pod,可以将副本数设置为0,即可删除对应Pod。或者通过kubectl stop /delete命令来一次性删除RC和其创建的Pod。
- 改变RC中Pod模板的镜像版本可以实现滚动升级(Rolling Update)。具体操作见https://kubernetes.io/docs/tasks/run-application/rolling-update-replication-controller/
- Kubernetes1.2以上版本将RC升级为Replica Set,它与当前RC的唯一区别在于Replica Set支持基于集合的Label Selector(Set-based selector),而旧版本RC只支持基于等式的Label Selector(equality-based selector)。
- Kubernetes1.2以上版本通过Deployment来维护Replica Set而不是单独使用Replica Set。即控制流为:Delpoyment→Replica Set→Pod。即新版本的Deployment+Replica Set替代了RC的作用。
6. Deployment
Deployment是kubernetes 1.2引入的概念,用来解决Pod的编排问题。Deployment可以理解为RC的升级版(RC+Reolicat Set)。特点在于可以随时知道Pod的部署进度,即对Pod的创建、调度、绑定节点、启动容器完整过程的进度展示。
使用场景
- 创建一个Deployment对象来生成对应的Replica Set并完成Pod副本的创建过程。
- 检查Deployment的状态来确认部署动作是否完成(Pod副本的数量是否达到预期值)。
- 更新Deployment以创建新的Pod(例如镜像升级的场景)。
- 如果当前Deployment不稳定,回退到上一个Deployment版本。
- 挂起或恢复一个Deployment。
可以通过kubectl describe deployment来查看Deployment控制的Pod的水平拓展过程。
7. Horizontal Pod Autoscaler(HPA)
Horizontal Pod Autoscaler(HPA)即Pod横向自动扩容,与RC一样也属于k8s的资源对象。
HPA原理:通过追踪分析RC控制的所有目标Pod的负载变化情况,来确定是否针对性调整Pod的副本数。
Pod负载度量指标:
- CPUUtilizationPercentage:Pod所有副本自身的CPU利用率的平均值。即当前Pod的CPU使用量除以Pod Request的值。
- 应用自定义的度量指标,比如服务每秒内响应的请求数(TPS/QPS)。
8. Service(服务)
8.1. Service概述
Service定义了一个服务的访问入口地址,前端应用通过这个入口地址访问其背后的一组由Pod副本组成的集群实例,Service与其后端的Pod副本集群之间是通过Label Selector来实现“无缝对接”。RC保证Service的Pod副本实例数目保持预期水平。
8.2. kubernetes的服务发现机制
主要通过kube-dns这个组件来进行DNS方式的服务发现。
8.3. 外部系统访问Service的问题
IP类型 | 说明 |
---|---|
Node IP | Node节点的IP地址 |
Pod IP | Pod的IP地址 |
Cluster IP | Service的IP地址 |
8.3.1. Node IP
NodeIP是集群中每个节点的物理网卡IP地址,是真实存在的物理网络,kubernetes集群之外的节点访问kubernetes内的某个节点或TCP/IP服务的时候,需要通过NodeIP进行通信。
8.3.2. Pod IP
Pod IP是每个Pod的IP地址,是Docker Engine根据docker0网桥的IP段地址进行分配的,是一个虚拟二层网络,集群中一个Pod的容器访问另一个Pod中的容器,是通过Pod IP进行通信的,而真实的TCP/IP流量是通过Node IP所在的网卡流出的。
8.3.3. Cluster IP
- Service的Cluster IP是一个虚拟IP,只作用于Service这个对象,由kubernetes管理和分配IP地址(来源于Cluster IP地址池)。
- Cluster IP无法被ping通,因为没有一个实体网络对象来响应。
- Cluster IP结合Service Port组成的具体通信端口才具备TCP/IP通信基础,属于kubernetes集群内,集群外访问该IP和端口需要额外处理。
- k8s集群内Node IP 、Pod IP、Cluster IP之间的通信采取k8s自己的特殊的路由规则,与传统IP路由不同。
8.3.4. 外部访问Kubernetes集群
通过宿主机与容器端口映射的方式进行访问,例如:Service定位文件如下:
可以通过任意Node的IP 加端口访问该服务。也可以通过Nginx或HAProxy来设置负载均衡。
9. Volume(存储卷)
9.1. Volume的功能
- Volume是Pod中能够被多个容器访问的共享目录,可以让容器的数据写到宿主机上或者写文件到网络存储中
- 可以实现容器配置文件集中化定义与管理,通过ConfigMap资源对象来实现。
9.2. Volume的特点
k8s中的Volume与Docker的Volume相似,但不完全相同。
- k8s上Volume定义在Pod上,然后被一个Pod中的多个容器挂载到具体的文件目录下。
- k8s的Volume与Pod生命周期相关而不是容器是生命周期,即容器挂掉,数据不会丢失但是Pod挂掉,数据则会丢失。
- k8s中的Volume支持多种类型的Volume:Ceph、GlusterFS等分布式系统。
9.3. Volume的使用方式
先在Pod上声明一个Volume,然后容器引用该Volume并Mount到容器的某个目录。
9.4. Volume类型
9.4.1. emptyDir
emptyDir Volume是在Pod分配到Node时创建的,初始内容为空,无须指定宿主机上对应的目录文件,由K8S自动分配一个目录,当Pod被删除时,对应的emptyDir数据也会永久删除。
作用:
- 临时空间,例如程序的临时文件,无须永久保留
- 长时间任务的中间过程CheckPoint的临时保存目录
- 一个容器需要从另一个容器中获取数据的目录(即多容器共享目录)
说明:
目前用户无法设置emptyVolume的使用介质,如果kubelet的配置使用硬盘则emptyDir将创建在该硬盘上。
9.4.2. hostPath
hostPath是在Pod上挂载宿主机上的文件或目录。
作用:
- 容器应用日志需要持久化时,可以使用宿主机的高速文件系统进行存储
- 需要访问宿主机上Docker引擎内部数据结构的容器应用时,可以通过定义hostPath为宿主机/var/lib/docker目录,使容器内部应用可以直接访问Docker的文件系统。
注意点:
- 在不同的Node上具有相同配置的Pod可能会因为宿主机上的目录或文件不同导致对Volume上目录或文件的访问结果不一致。
- 如果使用了资源配额管理,则kubernetes无法将hostPath在宿主机上使用的资源纳入管理。
9.4.3. gcePersistentDisk
表示使用谷歌公有云提供的永久磁盘(Persistent Disk ,PD)存放Volume的数据,它与EmptyDir不同,PD上的内容会被永久保存。当Pod被删除时,PD只是被卸载时,但不会被删除。需要先创建一个永久磁盘,才能使用gcePersistentDisk。
使用gcePersistentDisk的限制条件:
- Node(运行kubelet的节点)需要是GCE虚拟机。
- 虚拟机需要与PD存在于相同的GCE项目中和Zone中。
10. Persistent Volume
Volume定义在Pod上,属于“计算资源”的一部分,而Persistent Volume和Persistent Volume Claim是网络存储,简称PV和PVC,可以理解为k8s集群中某个网络存储中对应的一块存储。
- PV是网络存储,不属于任何Node,但可以在每个Node上访问。
- PV不是定义在Pod上,而是独立于Pod之外定义。
- PV常见类型:GCE Persistent Disks、NFS、RBD等。
PV是有状态的对象,状态类型如下:
- Available:空闲状态
- Bound:已经绑定到某个PVC上
- Released:对应的PVC已经删除,但资源还没有回收
- Failed:PV自动回收失败
11. Namespace
Namespace即命名空间,主要用于多租户的资源隔离,通过将资源对象分配到不同的Namespace上,便于不同的分组在共享资源的同时可以被分别管理。
k8s集群启动后会默认创建一个“default”的Namespace。可以通过kubectl get namespaecs查看。
可以通过kubectl config use-context namespace
配置当前k8s客户端的环境,通过kubectl get pods获取当前namespace的Pod。或者通过kubectl get pods --namespace=NAMESPACE
来获取指定namespace的Pod。
Namespace yaml文件的定义
12. Annotation(注解)
Annotation与Label类似,也使用key/value的形式进行定义,Label定义元数据(Metadata),Annotation定义“附加”信息。
通常Annotation记录信息如下:
- build信息,release信息,Docker镜像信息等。
- 日志库、监控库等。
参考《Kubernetes权威指南》
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