Kubernetes相关组件

Kubernetes相关组件

Administrator 839 2021-10-29

K8S相关组件

Master

Master是整个集群的控制中心，kubernetes所有的控制指令都是发给maser的，它负责具体的执行过程，一般master搭建于独立的物理机或虚拟机；

master上有下面这些关键进程：

  • Kubernetes API server（kube-apiserver），它提供了HTTP Rest接口关键服务进程，是所有资源增删改查等操作的唯一入口，也是集群控制的入口进程。
  • Kubernetes Controller Manager（kube-controler-manager），是所有资源对象的自动化控制中心，可以理解为资源对象的大总管；
  • Kubernetes Scheduler（kube-scheduler），负责资源调度（pod调度）的进程，相当于公交的调度室；
  • etcd Server，Kubernetes的所有资源对象的数据都是存储在etcd中的。

Node

除了Master，Kubernetes集群中其他机器被称为Node，早期版本叫做Minion。Node可以是物理机也可以是虚拟机，每个Node上会被分配一些工作负载（即docker容器），当Node宕机时，其上跑的应用会被转移到其他Node上。

Node上有这些关键进程：

  • kubelet：负责Pod对应容器的创建，启动等任务，同时与Master节点密切协作，实现集群管理的基本功能；

  • kube-proxy：实现Kubernetes Service的通信与负载均衡机制的重要组件；

  • Docker Engine：Docker引擎，负责本机容器的创建和管理。

#查看集群有多少个Node
kubectl get nodes 

 #查看Node详细信息
kubectl describe node <node name>

Pod

容器和pod是有对应关系的，在之前的实验中，每个pod对应两个容器，一个是Pause容器，一个是rc里定义的容器（实际上，每个pod里可以有多个应用容器），这个Pause容器叫做“根容器”，只有当Pause容器“死亡”才认为该pod“死亡”，Pause容器的IP以及其挂载的Volume资源会共享给该pod下的其他容器。

#查看pod命令
kubectl get pods

#查看容器命令
docker ps

pod定义示例：

apiVersion:  v1
kind: pod
metadata:
  name: myweb
  labels:
    name: myweb
spec:
  containers:
    - name: myweb
      image: kubeguide/tomcat-app:v1
      ports:
      - containerPort: 8080
      env:
      - name: MYSQL_SERVICE_HOST
        value: 'mysql'
      - name: MYSQL_SERVICE_PORT
        value: '3306'

每个pod都可以对其能使用的服务器上的硬件资源进行限制（CPU、内存）：

  • CPU限定最小单位是1/1000个cpu，用m表示，比如100m，就是0.1个cpu。
  • 内存限定的最小单位是字节，可以用Mi表示，如128Mi就是128M。

在kubernetes里，一个计算资源进行配额限定需要配置两个参数：

  • requests：该资源的最小申请量；
  • limits：该资源允许的最大使用量。

资源限定示例：

sepc:
  containers:
  - name: db
    image: mysql
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
       limits:
         memory: "128Mi"
         cpu: "500m"

Label

Label是一个键值对，其中键和值都是由用户自定义，Label可以附加在各种资源对象上，如Node、Pod、Service、RC等，一个资源对象可以定义多个Label，同一个Label也可以被添加到任意数量的资源对象上，Label可以在定义对象时定义，也可以在对象创建完成后动态添加或删除。

Label示例：

"release": "stable"，"environment": "dev"，"tier": "backend"

RC

RC是kubernetes中核心概念之一，简单说它定义了一个期望的场景，即声明某种pod的副本数量在任意时刻都符合某个预期值，RC定义了如下几个部分：

  • pod期待的副本数；
  • 用于筛选目标pod的Label Selector；
  • 创建pod副本的模板（templete）。

RC一旦被提交到kubernetes集群后，Master节点上的Controller Manager组件就会接收到该通知，它会定期巡检集群中存活的pod，并确保pod数量符合RC的定义值。可以说通过RC，kubernetes实现了用户应用集群的高可用性，并且大大减少了管理员在传统IT环境中不得不做的诸多手动运维工作，比如编写主机监控脚本、应用监控脚本、故障恢复处理脚本等。

RC工作流程（假设集群中有3个Node）：

  • RC定义2个pod的副本；
  • 假设系统会在2个Node上（Node1和Node2）创建pod；
  • 如果Node2上的pod（pod2）意外终止，这很有可能是因为Node2宕机；
  • 则会创建一个新的pod，假设会在Node3上创建pod3，当然也有可能在Node1上创建pod3。

RC中动态修改pod副本数量：kubectl scale rc <rc name> --replicas=<n>。

利用动态修改pod的副本数，可以实现应用的动态升级（滚动升级）：

  • 以新版本的镜像定义新的RC，但pod要和旧版本一致（Label）决定；
  • 新版本每增加1个pod，旧版本就减少一个pod，始终保持固定的值；
  • 最终旧版本pod数为0，全部为新版本。

删除RC：kubectl delete rc <rc name>，删除RC后，RC对应的pod也会被删除。

Deployment

在1.2版本引入的概念，目的是为了解决pod编排的问题，在内部使用了Replica Set，它和RC比较，相似度为90%以上，可以认为是RC的升级版。

Deployment示例：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      tier: frontend
    matchExpressions:
      - {key: tier, operator: In, values: [frontend]}
  template:
    metadata:
      labels:
        app: app-demo
        tier: frontend
    spec:
      containers:
      - name: tomcat-demo
        image: tomcat
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 8080

执行kubectl create -f tomcat-deployment.yaml创建Deployment，kubectl get deployment查看deployment状态，kubectl describe pod <pod-name>可以查看pod的详情。

HPA（Horizontail Pod Autoscaler）

在1.1版本，kubernetes官方发布了HPA，实现pod的动态扩容，缩容，它属于一种kubernetes的资源对象，它通过追踪分析RC控制的所有目标pod的负载变化情况，来决定是否需要针对性的调整目标Pod的副本数，这是HPA的实现原理。

pod负载度量指标：

  • CpuUtilizationPercentage：目标pod所有副本自身的cpu利用率平均值，一个pod自身的cpu利用率=该pod当前cpu的使用量/pod Request值，如果某一时刻，CPUUtilizationPercentage的值超过了80%，则判定当前的pod已经不够支撑业务，需要增加pod。
  • 应用程序自定义的度量指标，比如服务每秒的请求数（TPS或QPS）。

HPA示例：

apiVersion: autoscaling/v1
kind: HorizontailPodAutoscaler
metadata:
  name: php-apache
  namespace: default
spec:
  maxReplicas: 10
  minReplicas: 1
  scaleTargetRef:
    kind: Deployment
    name: php-apache
  targetCPUUtilizationPercentage: 90

上面的示例中，HPA控制的目标对象是叫php-apache的Deployment里的pod副本，当cpu平均利用率超过90%时就会扩容pod副本数控制范围是1-10。

使用命令行的方式也可以定义HPA：kubectl autoscale deployment php-apche --cpu-percent=90 --min=1 --max=10

Service

Service是kubernetes中最核心的资源对象之一，Service可以理解为微服务架构中的一个“微服务”，pod、RC、Deployment都是为Service提供支持的。

一个service本质上是一组pod组成的集群，前面说service和pod之间是通过Label串起来的，相同Service的pod的Label是一样的，同一个service下的所有pod是通过kube-proxy实现负载均衡的，而每个service都会分配一个全局唯一的虚拟ip，也叫做cluster ip，在该service整个生命周期内，cluster ip是不会改变的，而在kubernetes中还有一个dns服务，它把service的name和cluster ip映射起来。

service示例（tomcat-service.yaml):

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: tomcat-service
spec:
  ports:
  - port: 8080
  selector:
    tier: frontend

service操作有下面几个命令：

  • kubectl create -f tomcat-service.yaml创建service；
  • kubectl get endpoints查看pod的IP地址及端口，这个ip就是容器的IP。
  • kubectl get svc tomcat-service -o yaml查看service分配的cluster ip。

多端口的service示例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: tomcat-service
spec:
  ports:
  - port: 8080
    name: service-port
  - port: 8005
    name: shutdown-port
  selector:
    tier: frontend

对于cluster ip有以下限制：

  1. cluster ip 无法被ping通，因为没有实体网络来响应；
  2. cluster ip和Service port组成了一个具体的通信端口，单独的cluster ip不具备TCP/IP通信基础，它们属于一个封闭的空间；
  3. 在kubernetes集群中，Node ip、pod ip、cluster ip之间的通信，采用的是kubernetes自己设计的一套变成方式的特殊路由规划。

要想直接和service通信，需要一个Nodeport，在service的yaml文件中定义，并且使用大于30000的端口号，实质上就是将cluster ip的port映射到了node ip的nodeport上：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: tomcat-service
sepc:
  ports:
  - port: 8080
    nodeport: 31002
  selector:
    tier: frontend

Volume（存储卷）

Volume是pod中能够被多个容器访问的共享目录，kubernetes中的volume和docker中的volume不同，主要差异如下：

  • kubernetes中的volume定义在pod上，然后被一个pod里的多个容器挂在到具体的目录下；
  • kubernetes的volume与pod生命周期相同，但与容器的生命周期无关，当容器终止或重启时，volume中的数据并不会丢失；
  • kubernetes支持多种类型的volume，如glusterfs，ceph等先进的分布式文件系统。

定义volume只需要在定义pod的yaml文件中指定volume相关配置即可：

template:
  metadata:
    labels:
      app: app-demo
      tier: frontend
    spec:
      volume:
      - name: datavol
        emptyDir: {}
      containers:
      - name: tomcat-demo
        image: tomcat
        volumeMounts:
          - mountPath: /mydata-data
            name: datavol
        imagePullPolicy: IfNotPresent

上面的示例中volume名字是datavol，类型是emptyDir，将volume挂载到容器的/mydata-data目录下。

volume的类型有以下几种：

  1. emptyDir

    是在pod分配到node时创建的，初始内容为空，不需要关心它会在宿主机（node）的哪个目录下，因为这是kubernetes自动分配的一个目录，当pod从node上移除，emptyDir上的数据也会消失，所以这种类型的volume不适合存储永久数据，适合存放临时文件；

  2. hostPath

    hostPath指定宿主机（node）上的目录路径，然后pod里的容器挂载该共享目录，这样有一个问题，如果是多个node，虽然目录一样，但数据不能做到一致，所以这个类型适合一个node的情况。

    配置示例：

    volumes:
  - name: "persistent-storage"
    hostPath:
      path: "/data"

  3. gcePersistentDisk

    使用Google公有云GCE提供的永久磁盘（PD）存储volume数据，毫无疑问，使用gcePersistentDisk的前提是kubernetes的node是基于GCE的。

    配置示例：

    volumes:
  - name: test-volume
    gcePersistentDisk:
      pdName: my-data-disk
      fsType: ext4

  4. awsElasticBlockSotre

    与GCE类似，该类型使用亚马逊云提供的EBS volume存储数据，使用它的前提是Node必须是aws EC2。

  5. NFS

    使用NFS作为volume载体

    volumes:
  - name: "NFS"
    NFS:
      server: <nfs-ip>
      path: "/"

  6. 其他类型：iscsi，flocker，glusterfs，rbd，gitRepo（从git仓库clone一个git项目，以供pod使用），secret(用于为pod提供加密的信息)。

Persistent Volume(PV)

PV可以理解为kubernetes集群中某个网络存储中对应的一块存储，它与volume类似，但有以下区别：

  • PV只能是网络存储，不属于任何Node，但可以在每个Node上访问到；
  • PV并不是定义在pod上，而是独立于pod之外定义；
  • PV目前只有几种类别：GCE Persistent Disk、NFS、RBD、ISCSCI、AWS EBS、GlusterFS。

下面是NFS类型的PV定义：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0003
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  nfs:
    path: /somepath
    server: <nfs ip>

其中accessModes是一个重要的属性，目前有以下类型：

  • ReadWriteOnce：读写权限，并且只能被单个Node挂载；
  • ReadWriteMany：读写权限，允许被多个Node挂载；
  • ReadOnlyMany：只读权限，允许被多个Node挂载。

如果某个pod想申请某种条件的PV，首先需要定义一个PersistentVolumeClaim(PVC)对象：

kind: persistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: myclaim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 8Gi

然后在pod的volume定义中引用上面的PVC:

volumes:
  - name: mypd
    persistentVolumeClaim:
      ClaimName: myclaim

Namespace(命名空间)

当kubernetes集群中存在多租户的情况下，就需要一种机制实现每个租户的资源隔离，而namespace的目的就是为了实现资源隔离。

kubectl get namespace：查看集群所有的namespace

定义namespace:

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: dev

使用kubectl create -f dev-namespace.yaml创建dev-namespace，然后再定义pod，指定namespace：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - image: busybox
    command:
      - sleep
      - "500"
    name: busybox

查看某个namespace下的pod：

  • kubectl get pod --namespace=dev 或kubectl get pod -n dev

查看所有的namespace下的pod：

  • kubectl get pod --all-namespace
k8s