k8s基本原理

分享的内容包括

• k8s demo部署示例
• k8s基本架构和原理
• k8s资源对象
• k8s网络模型
• 总结

k8s就像图中的货船，管理各种集装箱（容器）

装满集装箱的船

一. k8s demo部署示例

说明

• 先通过一个hello world程序直观感受一下k8s
• 程序部署在宿主机，容器和k8s三种环境，对比他们的差异
• 代码大致是这个样子@RestController public class K8sDemoController { @GetMapping("/hello") public String hello(){ return "hello k8s demo."; } } 复制代码

1. 宿主机上如何运行

1. mvn编译代码打成jar包
2. 执行java -jar k8s-demo.jar &
3. 浏览器中输入 http://10.1.69.101:8080/hello 地址访问服务

2. Docker容器上如何运行

1. mvn编译代码打成jar包
2. 将jar包打成docker镜像
3. 执行docker run --name k8s-demo -d -p 8080:8080 k8s-demo:0.0.1-SNAPSHOT
4. 浏览器中输入 http://10.1.69.101:8080/hello 地址访问服务

3. 在k8s中如何运行

这一步大致感受一下yaml的样子，不需要关心脚本的细节，后面介绍资源时会细说。只需要有个大体的印象，部署一个k8s服务的基本流程。

1. mvn编译代码打成jar包
2. 将jar包打成docker镜像
3. 构建一个运行服务的yaml文件
4. 执行kubectl apply -f k8s-demo.yaml
5. 浏览器中输入 www.k8s-demo.com/hello 地址访问服务

• yaml文件内容

# 文件名为k8s-demo.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: k8s-demo
  namespace: spring-test
spec:
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: k8s-demo
    spec:
      containers:
      - name: k8s-demo
        image: k8s-demo:0.0.1-SNAPSHOT
        ports:
          - containerPort: 8080

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: k8s-demo
  namespace: spring-test
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: k8s-demo
  ports:
   - protocol: TCP
     port: 8888
     targetPort: 8080
     nodePort: 30003

---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: k8s-demo
  namespace: spring-test
spec:
  rules:
  - host: www.k8s-demo.com
    http:
      paths:
      - path: /hello
        backend:
          serviceName: k8s-demo
          servicePort: 8888

4. 总结三种部署方式

• 三种部署方式高清图

为了减少部署复杂度，代码并没有使用redis，只是实例图增加了redis

5. 流程越来越复杂，为什么不直接部署在宿主机？

5.1 容器比宿主机优势在哪？

• 可移植性：容器提供了运行应用程序的基本包装，可以在任何支持容器的云上部署
• 高效率：启动一个容器只需一个镜像，且启动时间非常短
• 隔离性：宿主机上往往安装很多服务，且各自依赖不一样。而一个容器只跑一个服务
• 版本控制：方便追溯不同版本差异，方便快速回滚，只需替换镜像版本，无需宿主机上一套复杂的流程
• 低成本：小巧轻便，不需要像宿主机或虚拟机一样占用很多资源

5.2 k8s的出现又解决了容器的什么问题？

• 自动编排调度：大量容器剧增后，如何管理、如何调度的问题
• 分布式解决方案：节点可水平扩展，容器可方便扩缩容
• 自愈能力：故障自动发现，并进行自我修复

我们说容器实现了单个应用程序的基本包装实现可移植。上图中，宿主机部署的方式如果加上一个nginx做反向代理，就和k8s中ingress的部署方式是一样的。也就是k8s实现了整套分布式应用的可移植

二. 基本架构和原理

• k8s架构图简版

• k8s数据流转图

k8s架构图

1. Master节点的组件

apiServer

• 提供资源操作的唯一入口，提供api注册、发现、认证、访问控制等功能

etcd

• 一个key-value数据库
• 保存整个机器的状态

controller-manager

• 负责维护机器状态，比如：自动扩容、故障检查、滚动更新
• 实现集群自动化的关键组件

scheduler

• 负责资源调度
• 将未分配节点的pod调度到合适的节点上

2. Node节点的组件

kubelet

• 负责容器生命周期管理，比如：创建、删除
• 同时负责Volume，网络的管理

kube-proxy

• 负责为Service提供负载均衡、服务发现

Container Runtime

• 容器运行环境
• 默认是Docker，同时还支持其他容器引擎

三. 资源对象

概述

• k8s中大部分概念，如Node，Pod，Service都可以看做一种资源对象
• 资源的描述：yaml文件或json文件
• 资源的操作：对象可以通过kubectl（或者api）执行增、删、改、查
• 资源的存储：信息在etcd中持久化

k8s通过对比资源的“实际状态”和etcd中的“期望状态”，实现自动化控制

• 常用资源概述图

1. Pod

• Pod是k8s中最重要最基本的资源
• pod是在容器之外又封装的一层概念
• pod是容器调度的基本单元（不是docker容器）
• 每个pod包含一个特殊的根容器：Pause容器，和一个或多个业务容器
• 每个pod有唯一的ip，pod内的容器可通过localhost通讯

为什么要新增pod这个概念？

1. 一组容器作为一个单元，很难判断整体状态，以及对整体进行管控。新增业务无关的pause容器，用于管控整体
2. 简化了关联容器通信和共享的问题

2. Deployment

• 实现Pod自动编排：创建、删除、扩容、缩容
• 通过replicas控制pod数量，template控制要创建的pod的模板

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: k8s-demo
  namespace: spring-test
spec:
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: k8s-demo
    spec:
      containers:
      - name: k8s-demo
        image: k8s-demo:0.0.1-SNAPSHOT
        ports:
          - containerPort: 8080

3. Service

• pod异常时，可能会被调度到另一台机器，导致pod的ip改变，使用ip访问服务不可靠

3.1概述

• k8s里最核心的资源之一，类似微服务架构中的“微服务”
• 前端应用通过入口地址访问服务，服务通过label对接到后端的pod，即使pod的ip变了
• kube-proxy负责把service请求转发到后端，并做负载均衡
• service整个生命周期内，ClusterIp不会变，对外提供的服务地址也就不会变

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: k8s-demo
  namespace: spring-test
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: k8s-demo
  ports:
   - protocol: TCP
     port: 8888
     targetPort: 8080
     nodePort: 30003

4. Ingress

service提供了ip:port的访问方式，即工作在tcp/ip层，而http服务需要将不同的url对应到不同的后端服务，service是无法实现这一功能的。

• Ingress提供http层的负载分发功能
• Ingress可以实现不同的请求，分发到不同的后端服务
• Ingress定义后，需要结合Ingress Controller，才能形成完整的功能

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: k8s-demo
  namespace: spring-test
spec:
  rules:
  - host: www.k8s-demo.com
    http:
      paths:
      - path: /hello
        backend:
          serviceName: k8s-demo
          servicePort: 8888

4.1 Ingress Controller定义

• 可以使用公有云提供的Ingress Controller
• 也可以使用google提供的Ingress Controller，以pod形式运行，功能如下：
  • 监听apiserver，获取ingress的定义
  • 基于ingress定义，生成nginx的配置文件的内容
  • 执行nginx -s reload，重新加载配置

4.2 Ingress定义

• 创建类型为Ingress的yaml文件
• 配置spec.rules，指定hostname中url和service的对应关系

四. k8s网络模型

前面hello world程序中，对于如何访问到服务，有必要了解一下k8s的网络模型，在这之前先介绍docker的网络模型

1. Docker网络模型

docker网络模型

• docker第一次启动时，会创建虚拟网桥docker0
• 为docker0分配一个子网
• docker创建每个容器时，会创建veth设备对，一端关联到网桥上，另一端使用linux的网络命名空间技术连接到容器内，并给容器内eth0设备分配一个ip地址

2. Docker网络的局限性

• Docker网络模型没有考虑到多主机互联的网络解决方案，崇尚简单为美
• 同一机器内的容器之间可以直接通讯，但是不同机器之间的容器无法通讯
• 为了跨节点通讯，必须在主机的地址上分配端口，通过端口路由或代理到容器
• 分配和管理容器特别困难，特别是水平扩展时

3. k8s网络模型概述

3.1 k8s网络模型的原则：

• 每个pod都拥有唯一个独立的ip地址，称IP-Per-Pod模型
• 所有pod都在一个可连通的网络环境中
• 不管是否在同一个node，都可以通过ip直接通讯
• pod被看作一台独立的物理机或虚拟机

目前原生docker和kubernetes还不能打通多节点容器与容器的通讯，要支持该模型，必须依靠第三方网络插件实现，比如：flannel

3.2 设计这个原则的原因：

• 用户不需要额外考虑如何建立pod之间的连接
• 用户不需要考虑将容器端口映射到主机端口的问题
• 可以兼容过去跑在宿主机和KVM的应用

3.3 IP-Per-Pod与Docker端口映射的区别

• docker端口映射到宿主机会引入端口管理的复杂性
• docker最终被访问的ip和端口，与提供的不一致，引起配置的复杂性

4. k8s网络模型详解

k8s网络实现

4.1 容器与容器的通讯

• 同一个容器的pod直接共享同一个linux协议栈
• 就像在同一台机器上，可通过localhost访问
• 可类比一个物理机上不同应用程序的情况

4.2 pod与pod的通讯

同一Node内的pod之间通讯

• 同一Node内的pod都是通过veth连接在同一个docker0网桥上，地址段相同，所以可以直接通讯

不同Node的pod之间通讯

• docker0网段与宿主机不在同一个网段，所以不同pod之间的pod不能直接通讯
• 不同node之间通讯只能通过宿主机物理网卡
• 前面说过k8s网络模型需要不同的pod之间能通讯，所以ip不能重复，这就要求k8s部署时要规划好docker0的网段
• 同时，要记录每个pod的ip地址挂在哪个具体的node上
• 为了达到这个目的，有很多开源软件增强了docker和k8s的网络

4. 开源网络组件Flannel

4.1 实现的功能

• 协助k8s给每个Node上的docker容器分配互不冲突的ip地址
• 能在这些ip地址之间建立覆盖网络（Overlay Network），将数据传递到目标容器

4.2 底层原理

• Flannel创建名为flannel0的网桥
• flannel0网桥一端连接docker0网桥，另一端连接flanneld进程
• flanneld进程一端连接etcd，利用etcd管理分配的ip地址资源，同时监控pod地址，建立pod节点路由表
• flanneld进程一端连接docker0和物理网络，配合路由表，完成数据包投递，完成pod之间通讯

4.3 缺点

• 引入多个网络组件，带来网络时延和损耗
• 默认使用udp作为底层传输协议，具有不可靠性

五. 总结

• 本文先通过一个demo，部署在不同的环境中，直观感受了如何使用k8s。这个过程我们需要思考k8s诞生解决了什么问题？核心的提供了一个平台，主要负责容器的自动调度和编排
• 对k8s有直观感受后，介绍了下k8s的基本架构。各个组件是如何交互的，在使用k8s过程中不断回想架构图，能加深对k8s的了解
• 掌握了基本架构后，想要将服务部署到k8s中，需要对常用的资源对象有一定了解，因此接着介绍了主要的资源对象。k8s中其他的资源对象可类比学习
• 当你把一个服务部署到k8s之后，如何做验证呢，如何暴露你的服务呢？需要对k8s的网络模型有一定了解，才能真正掌握它暴露服务的方式。因此最后部分着重介绍了k8s的网络模型

参考

• 《kubernetes权威指南》