有关Kubernetes的详细介绍

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Kubernetes: 历史

Kubernetes，也被称为k8s（k... 8个字母...和s）或kube，是希腊语中的单词，意为州长、舵手或船长。拿真正的航海的情景来理解，大型船舶装载着大量现实生活的容器，而船长或舵手则是负责船舶的人。因此，在信息技术的语境下，Kubernetes就是Docker容器的船长、编排者。

Kubernetes最初是谷歌公司在内部使用的，基于谷歌运行容器15年的经验，Kubernetes于2014年开始作为Google的开源项目提供给社区。四年过去，Kubernetes飞速发展，下载及使用量惊人，被大量的中小型企业用户用于开发或生产环境，并已成为业界公认的容器编排管理的标准框架。

Kubernetes的发展势头

Kubernetes的增长态势惊人，在GitHub上拥有超过40,000颗星，在2018年拥有超过60,000个commit，并且比GitHub上的任何其他项目都有更多的pull request和issue。其增长背后的部分原因是其不凡的可扩展性和强大的设计模式，这些我们将在后文中进一步解读。您可以在此链接了解一些大型软件公司的Kubernetes应用案例：

https://kubernetes.io/case-studies/

Kubernetes提供的服务

让我们来看看是什么功能及特性让Kubernetes吸引到业界的如此关注。

Kubernetes的核心是以容器为中心的管理环境。它代表用户的工作负载来编排计算、网络和存储基础架构。这提供了平台即服务（PaaS）的简单性和基础架构即服务（IaaS）的灵活性，并实现了跨基础架构提供商的可移植性。Kubernetes不仅仅是一个编排系统。实际上，它让用户不再需要“编排”。“编排”的技术定义是“执行定义的工作流程”：首先执行A，然后运行B，然后运行C。而有了Kubernetes之后，Kubernetes由一组独立的、可组合的控制流程组成，这些流程可将当前状态持续推向所需状态。而你是如何从A进行到C的，在此无关紧要。而且，用户也不再需要集中控制，整个系统也变得更易于使用、功能更强大、可扩展性更佳。

Kubernetes的基本概念

要使用Kubernetes，您可以使用Kubernetes API对象来描述集群的所需状态：您想要运行的应用程序或服务，它们使用的容器镜像、副本数量，您希望提供的网络和磁盘资源等等。您可以通过使用Kubernetes API——kubectl（通常通过命令行界面）创建对象来设置所需的状态。您还可以直接使用Kubernetes API与集群交互，并设置或修改所需的状态。

设置完所需状态后，Kubernetes控制面板会让集群的当前状态与所需状态相匹配。为此，Kubernetes会自动执行各种任务，例如启动或重新启动容器、扩展给定应用程序的副本数量等等。

基本的Kubernetes对象包括： - 节点 - Pod - 服务 - 卷 - 命名空间

此外，Kubernetes包含许多称为controller的高级抽象。controller基于基本对象构建，并提供其他功能和便利的特性。它们包括：

• ReplicaSet

• Deployment

• StatefulSet

• DaemonSet

• Job

下文中我们会逐个介绍这些概念，然后再尝试一些动手练习。

节 点

节点（ Node）是Kubernetes中的worker machine，以前称为minion。节点可以是虚拟机（VM）或物理机（具体取决于集群）。每个节点都包含运行pod所需的服务，并由主组件管理。你可以这样理解节点：节点对于pod就像是Hypervisor对于虚拟机。

Pod

Pod是Kubernetes的基本构建块，它是您创建或部署的Kubernetes对象模型中最小和最简单的单元。一个Pod代表着一个部署单元：Kubernetes中的单个应用程序实例，可能包含单个容器或少量紧密组合并共享资源的容器。

Docker是Kubernetes Pod中最常用的容器运行时，但Pods也支持其他容器运行时。

Kubernetes集群中的Pod主要以两种方式使用：第一种是运行单个容器的Pod 。“one-container-per-Pod”模式是最常见的Kubernetes用例; 在这种情况下，您可以将Pod视为单个容器的打包，由Kubernetes而非容器来管理 Pods。第二种是运行多个需要协同工作的容器的Pod。一个Pod可能包含了一个应用程序，这个应用程序是由多个紧密耦合并且需要共享资源的容器组成的。这些共存的容器可能形成一个单一的内聚服务单元——一个容器负责从共享卷将文件公开，而另一个单独的“sidecar”容器负责刷新或更新这些文件。该Pod 将这些容器和存储资源一起封装为一个可管理的实体。

Pod为其组成容器提供两种共享资源：网络和存储。

网络：每个Pod都分配了一个唯一的IP地址。一个Pod中的所有容器都共享网络命名空间，包括IP地址和网络端口。Pod内的容器可以使用localhost相互通信。当Pod内的容器与Pod外的实体通信时，它们必须协调如何使用共享网络资源（例如端口）。

存储：Pod可以指定一组共享存储卷。Pod中的所有容器都可以访问共享卷，允许这些容器共享数据。如果需要重新启动其中一个容器，卷还可以让Pod中的持久数据一直保存着。

服 务

Kubernetes Pods不是不变的，它们被创建又被杀死后并不会重生。即使每个Pod都有自己的IP地址，你也不能完全指望它会随着时间推移却永不改变。这会产生一个问题，如果一组Pods（比如说后端）为Kubernetes集群中的另一组Pods（比如说前端）提供了功能，那些前端pod如何能够与后端pod保持可靠的通信？

这就是服务发挥作用的地方。

Kubernetes服务定义了一个逻辑集Pods和访问它们的策略（有时称为微服务），通常由Label Selector确定。

例如，如果你有一个带有3个Pod的后端应用程序，那些pod是可替代的，前端并不关心它们使用哪个后端。虽然Pods组成后端集的实际情况可能会发生变化，但前端客户端不应该知道这一点，也不需要跟踪后端列表本身。该Service抽象可实现这种分离。

对那些处于同样的Kubernetes集群中的应用，Kubernetes提供了一个简单的Endpoints API，每当服务中的一套Pods改变时，API就会相应地更新。对于集群外的应用程序，Kubernetes提供基于虚拟IP的桥接器，Services可将其重定向到后端Pods。

卷

容器中的磁盘文件是不是永久的，这会给运行在容器中的应用程序带来一些问题。首先，当容器崩溃时，它将由Kubernetes重新启动，但文件会丢失，因为容器总是以干净状态启动的。其次，当在一个pod中运行多个容器时，通常需要在这些容器之间共享文件。Kubernetes Volume就是来解决这两个问题的。

从本质上讲，卷只是一个目录，可能包含一些数据，在Pod中，它可以访问容器。该目录是如何形成的、支持它的介质是什么以及它的内容，是由所使用的特定卷类型决定的。

Kubernetes卷具有明确的生命周期，与创建它的Pod的生命周期相同。总而言之，一个卷超过了在Pod中运行的任何容器，并且在容器重启时保留了数据。通常，当一个Pod不再存在时，卷也将不复存在。Kubernetes支持多种类型的卷，并且Pod可以同时使用任意数量的卷。

命名空间

Kubernetes支持由同一物理集群支持的多个虚拟集群。这些虚拟集群称为命名空间。

命名空间提供了名称范围。在一个命名空间内，每个资源名称都需要是唯一的，不过跨命名空间时就没有这种要求了。

没有必要只是为了分离略有不同的资源而使用多个命名空间，比如说同一软件的不同版本：可以用标签来区分同一命名空间内的不同资源。

ReplicaSet

ReplicaSet确保一次运行指定数量的pod副本。换句话说，ReplicaSet确保pod或同类pod组始终可用。但是，Deployment是一个更高级别的概念，它可以管理ReplicaSets，并为Pods提供声明性更新以及许多其他有用的功能。因此，除非您需要自定义更新编排或根本不需要更新，否则我建议您使用Deployments而不是直接使用ReplicaSets。

这实际上意味着您可能永远不需要直接操纵ReplicaSet对象，而是可以使用Deployment作为替代。

Deployment

Deployment controller为Pods和ReplicaSets提供声明性更新。

您在Deployment对象中描述了所需状态，Deployment controller就将以受控速率将现阶段实际状态更改为所需状态。您可以定义Deployments来创建新的ReplicaSets，或删除现有的Deployments并使用新的Deployments来使用所有资源。

StatefulSets

StatefulSet用于管理有状态应用程序，它管理一组Pods的部署和扩展，并提供有关这些Pod 的排序和唯一性的保证。

StatefulSet的运行模式和controller相同。您可以在StatefulSet对象中定义所需的状态，StatefulSet controller就会进行各种必要的更新以从当前状态到达更新为所需状态。和Deployment类似，StatefulSet管理那些基于相同容器规范的Pods。与Deployment不同的是，StatefulSet为每个Pods保留一个粘性身份。这些Pods是根据相同的规范创建的，但不可互换：每个都有一个永久的标识符，不论如何重新调度，这个标识都保持不变。

DaemonSet

DaemonSet确保所有（或某些）节点运行Pod的副本。随着节点添加到群集中，Pod会随之添加。当将节点从集群中删除后，Pods就成为了垃圾。此时，删除一个DaemonSet就将清理它所创建的Pods。

DaemonSet的一些典型用途有：

• 在每个节点上运行集群存储daemon，例如glusterd、ceph。

• 在每个节点上运行日志收集daemon，例如fluentd或logstash。

• 在每个节点上运行节点监控daemon，例如Prometheus Node Exporter或collectd。

Job

job创建一个或多个pod，并确保在需要的时候成功终止指定数量的pod。Pods成功完成后，job会追踪顺利完成的情况。当达到指定数量时，job本身的任务就完成了。删除Job将清除它所创建的Pods。

一个简单的例子是创建一个Job对象，以便可靠地运行一个对象Pod。如果第一个Pod失败或被删除（例如由于节点硬件故障或节点重启），那么该Job对象将启动一个新Pod。

实际操作中的挑战

现在您已经了解了Kubernetes中的关键对象及概念了，很明显，想要玩转Kubernetes需要了解大量的信息。当你尝试使用Kubernetes时，可能会遇到如下挑战：

• 如何在不同的基础架构中一致地部署？

• 如何跨多个集群（和名称空间）实现和管理访问控制？

• 如何与中央身份验证系统集成？

• 如何分区集群以更有效地使用资源？

• 如何管理多租户、多个专用和共享集群？

• 如何创建高可用集群？

• 如何跨集群/命名空间实施安全策略？

• 如何良好地进行监控，以确保有足够的可见性来检测和解决问题？

• 如何跟上Kubernetes快速发展的步伐？

这就是Rancher可以帮助您的地方。Rancher是一个100%开源的容器管理平台，用于在生产中运行Kubernetes。通过Rancher，你可以：

• 拥有易于使用的kubernetes配置和部署界面;

• 跨多个集群和云的基础架构管理;

• 自动部署最新的kubernetes版本;

• 工作负载、RBAC、政策和项目管理;

• 24x7企业级支持。

Rancher可以成为一个单一控制点，而您可以在多种、多个基础架构上运行多个Kubernetes集群：

上手Rancher和Kubernetes

现在让我们看看如何在Rancher的帮助下轻松使用前文描述的Kubernetes对象。首先，您需要一个Rancher实例。按照本指南，在几分钟之内即可启动一个Rancher实例并使用它创建一个Kubernetes集群：

https://rancher.com/docs/rancher/v2.x/en/quick-start-guide/deployment/quickstart-manual-setup/

启动集群后，您应该在Rancher中看到Kubernetes集群的资源：

要从第一个Kubernetes对象——节点开始，请单击顶部菜单上的Nodes。你应该可以组成了你的Kubernetes集群的Nodes的整体情况：

在那里，您还可以看到已从Kubernetes集群部署到每个节点的pod的数量。这些pod由Kubernetes和Rancher内部系统使用。通常情况下你不需要处理那些。

下面让我们继续Pod的例子。要做到这一点，转到Kubernetes集群的Default项目，然后进入Workloads选项卡。下面让我们部署一个工作负载。点击Deploy并将Name和Docker image设置为nginx，剩下的一切都使用默认值，然后点击Launch。

创建后，Workloads选项卡会显示nginx工作负载。

如果单击nginx工作负载，您将会看到Rancher实际创建了一个Deployment，就像Kubernetes推荐的那样用来管理ReplicaSet，您还将看到该ReplicaSet创建的Pod：

现在你有一个Deployment，它将确保我们所需的状态在集群中正确显示。现在，点击Scale附近+号，将此Workload扩容到3。一旦你这样做，你应该能立即看到另外2个Pods被创建出来，另外还多了2个ReplicaSet来缩放事件。使用Pod右侧菜单，尝试删除其中一个pod，并注意ReplicaSet是如何重新创建它以匹配所需状态的。

现在，您的应用程序已启动并运行，并且已经扩展到3个实例。下一个问题是，您如何访问它？在这里，我们将尝试使用下一个Kubernetes对象——服务。为了暴露我们的nginx工作负载，我们需要先编辑它，从Workload右侧菜单中选择Edit。您将看到Deploy Workload页面，且已填好了您的nginx工作负载的详细信息：

请注意，现在您有3个pod在Scalable Deployment旁边，但是当您启动时，默认值为1。这是因为你的扩展工作刚完成不久。

现在单击Add Port，并按如下所示填充值：

将Publish the container port值设置为80;

Protocol仍为TCP;

将As a值设置为Layer-4 Load Balancer;

将On listening port值设置为80。

然后自信地点击Upgrade吧！这将在您的云提供商中创建一个外部负载均衡器，并将流量引至您的Kubernetes集群内的nginx Pods中。要对此进行测试，请再次访问nginx工作负载概述页面，现在您应该看到Endpoints旁的80/tcp链接：

如果点击80/tcp，它会导向您刚刚创建的负载均衡器的外部IP，并且向您展示一个默认的nginx页面，确认一切都按预期正常工作。

至此，你已经搞定了上半篇文章中介绍的大多数Kubernetes对象。你可以在Rancher中好好玩玩卷和命名空间，相信您一定能很快掌握如何通过Rancher更简单快捷地使用它们。至于StatefulSet、DaemonSet和Job，它们和Deployments非常类似，你同样可以在Workloads选项卡中通过选择Workload type来创建它们。

结 语

让我们回顾一下你在上面的动手练习中所做的一切。你已经创建了我们描述的大多数Kubernetes对象：

1、最开始，你在Rancher中创建了kubernetes集群；

2、然后你浏览了集群的Nodes；

3、你创造了一个Workload；

4、你已经看到了一个Workload实际上创建了3个独立的Kubernetes对象：一个Deployment管理着 ReplicaSet，同时按需保持着所需数量的Pods正常运行；

5、在那之后你扩展了你的Deployment数量，并观察它是如何改变了ReplicaSet并相应地扩展Pods的数量的；

6、最后你创建了一个Load Balancer类型的Service类型，用于平衡Pods之间的客户端请求。

到此，关于“有关Kubernetes的详细介绍”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注创新互联网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！

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