kubernetes 简介:kubernetes 架构介绍

什么是 kubernetes?

kubernetes (经常被缩写成 k8s)是 google 开源的一套自动化容器管理平台,前身是 Borg,用于容器的部署、自动化调度和集群管理。目前 kubernetes 有以下的特性:

  • 容器的自动化部署
  • 自动化扩展或者缩容
  • 自动化应用/服务升级
  • 容器成组,对外提供服务,支持负载均衡
  • 服务的健康检查,自动重启

因为容器本身就是可移植的,所以 kubernetes 容器集群也能跑在私有云、公有云或者混合云上面。

kubernetes 让应用的集群管理变得简单,只要通过一行命令,就能快速搭建包含了前后端的完整系统集群。

kubectl create -f config-file.yml

安装 kubernetes

kubernetes 的概念

Pods

kubernetes 中,最基本的管理单位是 pod 而不是 container。pod 由一个或者多个容器组成,一般运行着相同的应用。一个 pod 中的所有容器都必须运行在同一台机器上,共享网络空间(network namespace)和存储 (volume)。

pod 可以近似类比传统模式下的主机:一些相关的应用组合起来,实现一个逻辑上的功能。

记住:pod 不是持久的,也就是说在使用过程中会被删除和创建,只要保证 service (下文会介绍到)保持稳定就行。而持久化的功能可以通过共享的 volume 来实现,这样即使 pod 被不断删除创建也能保证数据的完整。

Replication Controllers

RC 保证在任意时刻都有指定数量的 pod 副本在运行。比如如果我们创建了一个 rc,指定某个 pod 运行 3 份:

  • 刚开始的时候,rc 发现集群中没有这个 pod,它会创建 3 个 pod
  • 当某个 pod 不响应或者被删除了,它会检测到这个变化,然后新建一个正常的 pod(替换错误状态的 pod),保证系统有 3 个 pod 在运行
  • 当错误的 pod 回复正常,或者用户又手动添加了几个 pod,rc 也会检测到,它会通过删除 pod 来保证只有 3 份副本在运行

创建 replication controller 的时候,需要几个参数:

  • pod 的模板:用来创建应用的 pod 模板,在需要的时候根据这个模板创建 pod
  • replicas 副本数:要达到的目标状态,pod 需要运行几份
  • label:需要监控的 pod 的标签,通过比较 replicas 变量的值和标签实际发现的 pod 数量确定是否在目标状态

Services

service,也就是服务,是实际环境中对外提供服务的业务抽象。一个服务后端可能有多个容器提供支持,但是对外通过服务这一层只有一个接口,通过转发用户的请求到后端的应用上来实现。这样做的好处是:对外隐藏了后端的细节,使得扩展和维护变得更容易。

在 kubernetes 中,service 后面对应的是 pod,这种对应关系是通过 label 来匹配的。每个 service 会配置 label selector 对后端的 pod 进行选择,因此这种关系是动态的,pod 的添加和删除都会自动被关联进来。

service 是单独存在的,不必和 pod 或者 replication controller 绑定。即使后端没有 pod,service 的存在也是合法的,当对应的 pod 出现时,会动态的绑定到 service 上。

Labels

labels 就是标签的意思,主要用于过滤 pod、service 或者 replication controller,尤其是当集群的规模比较大的时候。

一个 label 就是一个键值对,用来表示用户自己定义的属性。给 pod 添加添加合理的标签会做到事半功倍的效果,增加可读性(通过 label 就能大致了解 pod 的功能)的同时也能方便查找对应的服务(service 和 replication controller 就是通过 label 来绑定后端 pod 的)。

利用 label 能够把 service 和 pod 做到松耦合:两者都可以单独存在,并且这种绑定关系是动态的。

kubernetes 组件

kubernetes 整体上的框架是下面这样的,由多个不同的部分组成,下面将逐个讲解这些部分的功能。

kubectl

这是 kubernetes 提供的客户端程序,也是目前常用的和集群交互的方式。创建、查看、管理、删除、更新 pod、service、replication controller 都行,还有更多其他命令,可以查看帮助文档。

etcd 集群

etcd 是 kubernetes 存放集群状态和配置的地方,这是集群状态同步的关键,所有节点都是从 etcd 中获取集群中其他机器状态的;集群中所有容器的状态也是放在这里的。

kubernetes 在 etcd 中存储的数据在 /registry 路径下,结构类似下面这样:

  /registry/minions
  /registry/namespaces
  /registry/pods
  /registry/ranges
  /registry/serviceaccounts
  /registry/services
  /registry/controllers
  /registry/events

Master 组件

kubernetes 是典型的 master-slave 模式,master 是整个集群的大脑,负责控制集群的方方面面。

API server

对外提供 kubernetes API,也就是 kubernetes 对外的统一入口。封装了 kubernetes 所有的逻辑,通过 RESTful 的方式供客户端使用,kubectl 就是最常用到的客户端程序。

Scheduler

调度器:实现容器调度的组件,调度算法可以由用户自己实现。Scheduler 会收集并分析当前系统中所有 slave 节点的负载情况,在调度的时候作为决策的重要依据。

调度器监听 etcd 中 pods 目录的变化,当发现新的 pod 时,会利用调度算法把 pod 放到某个节点进行部署。可能的 scheduler 包括:

  • random:随机调度算法
  • round robin:轮询调度

Controller Manager Server

集群中其他功能都是在 controller manager 中实现的,每个部分负责一个独立功能的管理。例如:

  • endpoints controller
  • node controller
  • replication controller
  • service controller
  • ……

slave 组件

kubelet

kubelet 是 slave 上核心的工作进程,负责容器和 pod 的实际管理工作(创建、删除等)以及和 master 通信,内容包括:

  • 负责容器的创建、停止、删除等具体工作,也包括镜像下载、 volume 管理
  • 从 etcd 中获取分配给自己的信息,根据其中的信息来控制容器以达到对应的目标状态
  • 接受来自 master 的请求,汇报本节点的信息

kube-proxy

正如名字提示的一样,kube-proxy 为 pod 提供代理服务,用来实现 kubernetes 的 service 机制。每个 service 都会被分配一个虚拟 ip,当应用访问到 service ip 和端口的时候,会先发送到 kube-proxy,然后才转发到机器上的容器服务。

参考资料

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