Kubernetes架构介绍

1. Kubernetes简介

1.1. 应用部署演进

1. 传统部署：

早期，应用程序是在物理服务器上运行。 由于无法限制在物理服务器中运行的应用程序资源使用，因此会导致资源分配问题。 例如，如果在物理服务器上运行多个应用程序， 则可能会出现一个应用程序占用大部分资源的情况，而导致其他应用程序的性能下降。 一种解决方案是将每个应用程序都运行在不同的物理服务器上， 但是当某个应用程式资源利用率不高时，剩余资源无法被分配给其他应用程序使用， 造成资源浪费。

2. 虚拟化部署：

为了解决上述问题，虚拟化技术被引入了。虚拟化技术允许你在单个物理服务器上运行多台虚拟机（VM）。 虚拟化能使应用程序在不同 VM 之间被彼此隔离，且能提供一定程度的安全性， 因为一个应用程序的信息不能被另一应用程序随意访问。

虚拟化技术能够更好地利用物理服务器的资源，并且因为可轻松地添加或更新应用程序， 而因此可以具有更高的可伸缩性，以及降低硬件成本等等的好处。

每个 VM 是一台完整的计算机，在虚拟化硬件之上运行所有组件，包括其自己的操作系统。

3.容器部署：

容器类似于 VM，但是更宽松的隔离特性，使容器之间可以共享操作系统。 因此，容器比起 VM 被认为是更轻量级的。且与 VM 类似，每个容器都具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。 由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和 OS 发行版本进行移植。

容器因具有许多优势而变得流行起来。下面列出的是容器的一些好处：

• 敏捷应用程序的开发和部署：与使用 VM 镜像相比，提高了容器镜像创建的简便性和效率。
• 持续开发、集成和部署：通过快速简单的回滚（由于镜像不可变性）， 提供可靠且频繁的容器镜像构建和部署。
• 关注开发与运维的分离：在构建、发布时创建应用程序容器镜像，而不是在部署时， 从而将应用程序与基础架构分离。
• 可观察性：不仅可以显示 OS 级别的信息和指标，还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
• 跨开发、测试和生产的环境一致性：在笔记本计算机上也可以和在云中运行一样的应用程序。
• 跨云和操作系统发行版本的可移植性：可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地和其他任何地方运行。
• 以应用程序为中心的管理：提高抽象级别，从在虚拟硬件上运行 OS 到使用逻辑资源在 OS 上运行应用程序。
• 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务：应用程序被分解成较小的独立部分， 并且可以动态部署和管理 - 而不是在一台大型单机上整体运行。
• 资源隔离：可预测的应用程序性能。
• 资源利用：高效率和高密度。

1.2. 什么是Kubernetes

Kubernetes，也被称为k8s（k和s之间有8个字母，所以称为k8s 😂）或kube，是谷歌推出的业界最受欢迎的开源容器集群和编排平台，用于管理容器化的工作负载和服务。

Kubernetes能做什么

由于容器的轻量化和较好的移植性，使容器非常契合敏捷场景，越来越多的用户选择容器化部署。但在生产环境中， 你需要管理运行着应用程序的容器，并确保服务不会下线，单容器引擎实现较为困难，而这就是 Kubernetes 要做的事情，Kubernetes 提供了一个可弹性运行分布式系统的框架，满足扩展要求、故障转移、部署模式等。

Kubernetes 提供具体能力如下：

• 服务发现和负载均衡

  Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址来曝露容器。 如果进入容器的流量很大， Kubernetes 可以负载均衡并分配网络流量，从而使部署稳定。

• 存储编排

  Kubernetes 允许你自动挂载你选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等。

• 自动部署和回滚

  你可以使用 Kubernetes 描述已部署容器的所需状态， 它可以以受控的速率将实际状态更改为期望状态。 例如，你可以自动化 Kubernetes 来为你的部署创建新容器， 删除现有容器并将它们的所有资源用于新容器。

• 资源分配

  Kubernetes 允许你指定每个容器所需 CPU 和内存。 当容器指定了资源请求时，Kubernetes 可以做出更好的决策来为容器分配资源。

• 自我修复

  Kubernetes 将重新启动失败的容器、替换容器、杀死不响应用户定义的运行状况检查的容器， 并且在准备好服务之前不将其通告给客户端。

• 密钥与配置管理

  Kubernetes 允许你存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 ssh 密钥。 你可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应用程序配置，也无需在堆栈配置中暴露密钥。

1.3. Kubernetes构建双模IT之敏态模式

企业的IT部门需要支持甚至引领企业的数字化转型。但CIO们却发现传统的IT模式无法应对数字化转型这一新的挑战，他们需要有一种全新的工作模式。为此，Gartner在2014年提出了双模IT的理念，用于帮助CIO们一边保证企业的正常运营，一边支持和引领企业的数字化转型。

什么是双模IT？

双模IT是指两种不同的IT工作模式：

• 稳态IT（传统IT模式）：强调稳定性，以满足企业业务稳态发展的需求

• 敏态IT（敏捷模式）：强调敏捷性，以达到企业业务快速响应市场需求。（企业能否赢得数字化的成功转型，关键在于敏态IT模式。）

2. Kubernetes 集群及组件

2.1. Kubernetes架构图

2.2. Kubernetes集群架构说明

1. 在主机级别：一个 Kubernetes 集群由很多节点（主机）组成，这些节点被分成以下两种类型 ：

   • 主节点（Master）：运行控制平面组件和Node组件，承载着 Kubernetes 控制和管理整个集群系统的控制面板，可以通过多个Master节点实现高可用
   • 工作节点（Worke）：主要运行Node组件，承载着用户实际部署的应用

2. 在组件级别：一个 Kubernetes 集群由控制平面组件（Control Plane Components）和Node 组件组成：

   • 控制平面组件：可以在集群中的任何节点上运行， 但为了管理方便，生产环境通常会在同一个节点上启动所有控制平面组件（即Master节点）， 并且不会在此节点上运行用户容器。
   • Node组件：会在每个节点（所有Master和Worke）上运行，负责维护运行的 Pod 并提供 Kubernetes 运行环境。

• 说明：组件和节点类型没有强制绑定（比如单机部署时所有组件在同一台主机），只是根据最佳实践，Master节点主要运行控制平面，Worke节点只运行Node组件。

2.3. Kubernetes组件说明

1）控制平面组件:

控制平面组件会为集群做出全局决策，比如资源的调度。

• kube-apiserver

  API 服务器是 Kubernetes 控制平面的组件， 该组件负责公开了 Kubernetes API，负责处理接受请求的工作。 API 服务器是 Kubernetes 控制平面的前端。

  kube-apiserver 设计上考虑了水平扩缩，也就是说，它可通过部署多个实例来进行扩缩。 你可以运行 kube-apiserver 的多个实例，并在这些实例之间平衡流量。

• etcd

  etcd是兼顾一致性与高可用性的键值数据库，可以作为保存 Kubernetes 所有集群数据的后台数据库。Kubernetes 集群的 etcd数据库通常需要有个备份计划。

• kube-scheduler

  kube-scheduler是控制平面的组件， 负责监视新创建的、未指定运行节点的 Pods， 并选择节点来让 Pod 在上面运行。

  调度决策考虑的因素包括单个 Pod 及 Pods 集合的资源需求、软硬件及策略约束、 亲和性及反亲和性规范、数据位置、工作负载间的干扰及最后时限。

• kube-controller-manager

  kube-controller-manager是控制平面的组件，负责运行控制器进程。

  从逻辑上讲， 每个控制器都是一个单独的进程， 但是为了降低复杂性，它们都被编译到同一个可执行文件，并在同一个进程中运行。这些控制器包括：

  • 节点控制器（Node Controller）：负责在节点出现故障时进行通知和响应

  • 任务控制器（Job Controller）：监测代表一次性任务的 Job 对象，然后创建 Pods 来运行这些任务直至完成

  • 端点控制器（Endpoints Controller）：填充端点对象（即加入 Service 与 Pod）

  • 服务帐户和令牌控制器（Service Account & Token Controllers）：为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌

2）Node 组件

• kubelet

  kubelet 会在集群中每个节点上运行。 它保证容器都运行在 Pod中。

  kubelet 接收一组通过各类机制提供给它的 PodSpecs， 确保这些 PodSpecs 中描述的容器处于运行状态且健康。 kubelet 不会管理不是由 Kubernetes 创建的容器。

• kube-proxy

  kube-proxy是集群中每个节点上运行的网络代理， 实现 Kubernetes 服务概念的一部分。

  kube-proxy 维护节点上的一些网络规则， 这些网络规则会允许从集群内部或外部的网络会话与 Pod 进行网络通信。

  如果操作系统提供了可用的数据包过滤层，则 kube-proxy 会通过它来实现网络规则。 否则，kube-proxy 仅做流量转发。

• 容器运行时（Container Runtime）

  负责运行容器的软件。Kubernetes 支持多个容器运行时，例如 Docker、 containerd、 CRI-O以及 Kubernetes CRI (容器运行环境接口)的其他任何实现。