一文读懂Kubernetes（K8s）

一、定义

1、k8s是什么

k8s，全称Kubernetes，是一个跨宿主机管理容器的系统（多个小组件组成的软件）

2021百度k8s版本是1.18
2023百度k8s版本升级1.2x

LTS版（长期稳定版）

2、为何要用k8s（云原生）

    docker是个啥？
        docker是一个容器引擎负责
        负责基于容器的三大核心技术（名称空间、cgroup、联合文件系统）来创建容器
        但是，创建出容器之后的管理工作，容器引擎做的并不完善 

        比如：
            1、监控容器的存活状态，挂掉了自动重启
            2、集群化模式下，把容器调度到最合适的节点上
            3、容器的跨宿主机网络通信

• k8s就是为了解决上述的容器管理问题而生的

        

        
补充： 

云原生：= cloud+Native
    
        cloud：云计算--》资源统一管理形成一个资源池（多个服务器累加的结果）
                    关键词：资源池、循环利用
    
                各种云平台
                      提供虚拟机的平台
                      容器云平台                    
        
        Native：
            应用设计之初就考虑到云环境，或者通过后续的改造去利用云平台的优良特性，来提升软件的质量（比如故障自愈、资源利用） 

云原生总结一句话：软件从诞生之初就是专门为了运行在云平台上的
        
        
云原生涉及到的技术：
            1、微服务
                  service（负载均衡）
            2、Devops
                      --------定制统一的目标
                Dev开发：喜欢更新
                Op运维：讨厌更新
                            
            3、CICD
                 CI--代码合并
                gitlab代码仓库-----------jenkins平台（流水线）--------》构建得到镜像------》镜像仓库harbor------》目标环境（k8s）
                
            4、容器
    
        

        
3、何时要用k8s

3.1、什么时候使用 Kubernetes

• 你们公司的应用是微服务架构的，或者应用数量较多运维成本大的时候也可以用
• 开发者需要快速部署自己的新功能到测试环境进行验证
• 降低硬件资源成本，提高资源使用率
• 容器自动化管理，故障监控与自愈，自动化部署等

3.2、什么时候不适合使用 Kubernetes

• 应用是轻量级的单体应用，没有高并发的需求
• 团队不适应变革

二、k8s架构、核心概念、组件

1、架构

k8s是一个主从架构

1.1、master节点/主节点        

• master节点负责集群的调度、整套k8s集群的维护工作，是k8s集群的总控中心（高可用集群建议部署至少3台Master）        
• master节点通过与slave节点不间断通信来维持整个集群的健康状态,若master节点不可用，则我们便无法管理k8s集群中的各种资源
• 集群中各个资源的状态信息存放于etcd分布式数据库中 
• Master上部署的组件有apiserver（大脑，唯一能与etcd进行通信）、scheduler（调度）、controller-manager（控制器管理）等管理组件，此外通常还需要部署etcd

        
1.2、slave节点/从节点/worker节点/node节点

• kubelet会把本节点的资源信息、pod的状态等信息汇报给master的apiserver组件，然后存入etcd中              
• kubelet会调用容器引擎来创建容器                
• Slave节点上部署有kubelet、kube-proxy、容器引擎等工作组件

        

2、核心概念与组件

    组件：实际存在的软件        
    资源：组件创建出的逻辑单位，例如namespace、pod、deployment、configmap、                         statefulset等

资源：        

1、namespace名称空间

        名称空间是一门技术，这门技术可以用在不同的地方        
        容器中用名称空间技术来隔离：pid、ipc、uts、mount、网络、user        
        k8s中用名称空间技术来把一系列资源隔离到一起（例如pod、deployment、configmap、statefulset）
    
k8s引入名称空间技术的好处

1. 当很多人共用一套k8s集群时，可以用namespace将彼此使用的资源隔离开，互不干扰
2. 一组资源被组织到一个namespace中后，更方便k8s进行统一性的管理配置，例如资源配额、访问控制等 
                                 
           Resource Quota限定一个名称空间总共能用多少资源                               
           Limit range现在当前名称空间内，每个pod或者容器的最大资源使用量

                
                
2、Pod
        2.1、pod是什么？

• pod是一种把相关的容器组织到一起的方式/单位，pod内可以组织一个或多个容器（准确的说一个pod内至少两个容器，一个是pause容器）
• pod是k8s的最小工作/调度单位

            
        2.2、为何要有POD？
            为何要引入POD这种概念来组织一下容器，直接管理容器不好吗？ 

       引入POD的好处
            1、封装，屏蔽底层容器的差异化（容器引擎的不同）            
            2、POD内的多个容器共享网络名称空间、共享挂载卷
                  如果应用由多个容器构成，并且想要实现本地通信，也可能有共享存储的需求

            
        
        提炼一下pod的两大特性：

            1、pod内的多个容器共享网络（网络来自于pause容器）    
            2、pod内的多个容器共享该pod的存储卷

• 先起一个基于汇编编写的精简的pause容器进行网络设置
• 然后再起相应的业务容器并与pause进行网络共享
• k8s自己对容器进行网络配置，不需要容器来操作

    
    
组件：

node节点上：

1、容器引擎：
            略

        
2、kubelet：

     1、把本节点的资源信息、pod状态上报给master节点的api server然后存入etcd中
     2、接收来自master的创建pod的请求，然后调用容器引擎以及网络插件把pod创建完成

                                     
  kubelet对接容器引擎
        1、在k8s  1.24版之前，可以非常方便的对接docker容器引擎
               kubelet –> docker shim （在 kubelet 进程中） –> dockerd –> containerd
                    
        2、在k8s  1.24版之后，默认对接的是containerd容器引擎
               kubelet –> cri plugin（在 containerd 进程中） –> containerd 

        对接container的优点：
                1、调用路径更短，效率更高
                2、k8s的kubelet版本更新迭代更便捷，直接对接cri-containerd即可                       
                3、kubelet的GC机制会负责定期清理工作节点上的镜像以及退出的容器

 
                                                            
3、kube-proxy
            强调：kube-proxy不负责pod的网络构建，负责的是pod的负载均衡（智能负载均衡、4层），网络是由网络插件实现的
            
            kube-proxy------------------》service资源（智能负载均衡）
            负责维护service状态的组件是kube-proxy
         

service的特点
1、service与pod的动态关联（挂掉pod自动剔除对其的代理，新pod自动添加对其的代理）：基于标签来选中            
2、service如何实现流量的负载均衡
          底层基于ipvs内核转发（与lvs类似）

    
            
master节点：

1、etcd分布式数据库：

• 整个k8s的状态都存在etcd中
• etcd是一个分布式key-value存储系统，采用RAFT算法
• 超过半数以上的etcd节点挂掉后，整个etcd集群才不可用    
                       

    补充：etcd集群的性能决定了集群的规模
            

            
2、apiserver：
    在k8s中，只有api server可以访问操作etcd，其他组件想操作etcd都必须请求api server，所以apiserver是 整个K8S 集群入口
            
            
        
3、kube-scheduler
            创建pod时，scheduler组件会经过两个阶段来完成物理节点的挑选
                1、预选（选出符合条件的）
                
                2、优选（选出资源最优的）

                         
            
4、kube-controller-manager组件
        
controller控制器--------控制器负责管理维护pod的状态，使其始终处于预期的状态，该过程称之为：调谐（Reconcile）

           关系如下：
                    控制器---------------管理维护-------------pod状态                
           控制器优多种：
                    deployment
                    replicaset                   
                    statefulset
                    cronjob
                            
           补充：其实不仅仅是pod资源，几乎每一种k8s的资源都有对应的控制器来负载管理维护
                      使其始终处于预期状态，完成自动化管理工作

                 
                                
kube-controller-manager组件
           内置的控制器都由该组件管理
           控制器管理器与控制器的关系如下：
                  controller-manager---->多种控制器（deployment、statefulset、cronjob等）-----> POD
                
            详解：
                  controller-manger会通过apiserver访问etcd，来获取每种控制器的状态
                  一旦控制器的状态不符合预期，就会根据该控制器的特性，来进行调谐的过程

3、List-watch核心机制   

List-watch机制：k8s中各组件间协同都采用list-watch机制进行通信    

1. 客户端首先执行一次list操作来初始化资源状态（一次性操作）
2. 然后通过watch操作来持续接收后续的更新            

     与简单的短轮询相比------->这种机制可以更有效地获取资源状态的更新，并减少了网络流量和APIserver服务器的负载。

                                                 
创建pod的完整流程

    0、controller-manager组件、scheduler组件、kubelet组件都watch监听apiserver、监听自            己关注的资源状态，只要有更新，apiserver就会上报该更新给对应的组件

    1、客户端命令kubectl提交创建pod的请求（该pod的控制器采用Replicaset）
        
    2、apiserver收到该请求，会把创建replicaset的请求写入etcd
    
    3、上报事件replicaset created
    
    4、controller-mamanger收到replicaset created事件，进入调谐阶段
          controller-mamanger发现当前该pod是0副本，预期要创建1个副本
        
    5、所以controller-mamanger发起要创建一个pod的请求给apiserver
                
    6、apiserver将创建pod的事件存入etcd中
    
    7、apiserver上报Pod created事件 
    
    8、scheduler组件收到Pod created事件（因为scheduler一直watch着该资源的变动）
          scheduler经过预选与优选来选出一台合适的物理节点来创建新pod
        
    9、scheduler把调度结果（要在某一台物理节点上创建新pod）发送给apiserver
        
    10、将事件存入etcd中
    
    11、上报该事件
    
    12、某一个物理节点上的kubelet会收到该事件，进入pod创建环节
        
    13、kubelet会调用容器引擎以及网络插件创建出pod    
        （1）kubelet会先调用容器引擎创建出一个pause容器
        （2）然后kubelet会调用网络插件来把pause容器的网络打通
        （3）kubelet会调用容器引擎来创建出业务容器，并且业务容器采用container网络模式
                 与pause容器共享网络
  

             
         补充：关于kubelet如何对接容器引擎的详细如下
            如果kubelet对接的docker引擎，对接流程如下    
            kubelet –> docker shim （在 kubelet 进程中） –> dockerd –> containerd
                                        
            如果kubelet对接的containerd引擎，对接流程如下
            kubelet –> cri plugin（在 containerd 进程中） –> containerd

                
List-watch的实现

• List：短连接（一次通信完成之后tcp链接就断开，适用于访问频率不高）    
• watch：长连接（一次通信完成之后tcp链接依然保留，适用于短时间内频繁访问）

            
    ### 组件长时间都处于watch状态，关注实时信息，有可能因为一些网络抖动故障导致watch丢失了某些事件，所以组件会定期发情list操作来获取最新的全量状态，弥补watch的不足

补充：http1.1协议的churnk分片发送（保持长连接）

       分块传输编码chunked：

• 不使用分块传输：先告知规定大小，当数据包大小到达指定值后就能知道到这里一个包的内容就结束了
• 使用分块传输：允许服务器在不知道全部响应大小的情况，(比如由数据库动态产生的数据）通过多个小"块"的形式逐步发送HTTP响应给客户端的技术。除非使用了分块编码Transfer-Encoding: chunked，否则响应头首部必须使用Content-Length首部

        

通过curl模拟watch```bash$ kubectl proxy# 进行listwatch default名称空间下的pods$ curl "127.0.0.1:8001/api/v1/namespaces/default/pods?watch=true"# list出defaullt名称空间下的pods$ curl "127.0.0.1:8001/api/v1/namespaces/default/pods"# 创建pod进行观察$ kubectl run nginx --image=nginx

特性

消息可靠性------list和watch一起保证了消息的可靠性,避免因消息丢失而造成状态不一致场景
 

消息实时性------每当apiserver的资源产生状态变更事件,都会将事件及时的推送给客户端
 

消息顺序性------并发的场景下，客户端在短时间内可能会收到同一个资源的多个事件，每 个                            资源的事件中都带一个resourceVersion的标签,这个标签是递增的数字
 

高性能------周期性频繁的轮询大大的增大了开销，增加apiserver的压力；而watch作为异步                      消息通知机制，复用一条长链接,保证实时性的同时也保证了性能

三、k8s的部署与应用

2021 百度k8s版本1.18
2023 百度k8s版本1.2x
k8s至今都没有一个长期支持版LTS

k8s有两种安装方式：
1、kubeadm工具

• 容器引擎、kubelet：使用yum安装        
• 其他k8s组件：
  都被做成了镜像，然后kubeadm会用这些镜像启动相关组件-------》容器
  kubeadm会把这些容器做成静态pod（没有控制器管理，挂掉会自动重启）               

     

总结：这些静态pod+容器引擎+kubelet===》构成了k8s环境
           所有机器都安装kubectl：只要存在文件，在任意一台机器上都能执行k8s
           基于kubeadm安装，master节点也要装kubelet的原因：
                 1、用于管理master节点上的静态pod的自愈
                 2、集群规模小的情况下，master节点也会布业务既当master节点又当node节点

    
2、二进制安装
        自己通过yum命令或者源码安装来安装所有组件
    
    
部署（略，详见部署文档）