1. Kubernetes 集群架构

Kuberetes 本身是由一系列组件组成的容器编排系统，每个组件各司其职从而实现容器的调度、部署以及自动伸缩等功能。

下面是包含各个组件的 Kubernetes 整体架构图

集群架构消息队列分析 集群架构图_DNS

首先是 Kubernetes 的节点，也就是组成 Kubernetes 的一台台服务器，K8s 的节点有两类：

  • 控制节点（ControlPlane Node），也叫 master 节点。
  • 工作节点 (Work Node)

1.1 Kubernnetes 节点

1.1.1 Master 节点

Master 节点是集群中的控制节点，为单数数量，负责运行集群中的控制逻辑的相关组件。也就是 Kubernetes 本身的几个组件。

默认 master 节点会被打上 node-rule.kubernetes.io/master:NoSchedule 的 taint，用来告知调度模块不要将用户的 Pod 调度部署到这些节点，以便维持集群控制逻辑运行的所需资源稳定，从而保证 Kubernetes 正常运作。。Master 节点上主要运行的组件有 4 个：

  • etcd
  • api-server
  • controller manager
  • scheduler

1.2 Worker节点

实际运行用户应用，部署业务的 Pod 的节点。

1.2 Kubernnetes 组件

1.2.1 Etcd

Etcd 是一个采用 RAFT协议的强一致性，高可用，开源的 key-value 数据库，Kubernetes 用它来保存数据。Kuberntes 的所有资源对象数据都会存储在 Etcd 中。

Etcd 采用乐观锁机制控制对所有存储资源的访问，其保存的所有资源都有一个版本号，每次编辑时都会更新。如果资源版与保存的修订版不同，kube-apiserver 会利用它来拒绝冲突的编辑请求。

1.2.2 api-server

api-server 是外部和其他组件访问 Kubernetes 的 API 网关，采用 RESTful 协议，支持无状态水平伸缩。api-server 是唯一可以与 etcd 通信的组件，其提供了一系列的 CRUD 接口供外部访问以操作数据，它会校验请求中 object 的数据的合法性，还会进行身份认证、鉴权、准入控制等操作。

1.2.3 controller-manager

运行一系列的控制器进程，来监听我们创建的各种控制器资源对象，然后进行状态拟合管理对应的 Pod 资源，保证我们部署在 K8s 上的应用正常运行。

一些常见的控制器对象：

  • Deployment
  • ReplicaSet
  • DaemonSet
  • Job/CronJob

1.2.4 scheduler

调度器，负责监听集群中还未分配到所属节点的 Pod，其根据一系列调度规则，将 Pod 调度到合适的节点运行。

以上四个是 Kubernetes 运行所需的最主要组件，默认都会运行在 master 节点上。

1.2.5 其他组件

Kubelet

Kubelet 是一个运行在每个节点上的 agent，向上与 api-server 交互同步 Pod 相关的信息；向下与容器运行时通信，根据 Pod 信息来创建或销毁容器，并收集容器的状态、指标。

container-runtime

容器运行时负责容器具体的创建、销毁等操作。Kubernetes 最开始是耦合于 Docker 的，在 1.5 版本引入了 CRI（容器运行时）接口，从而实现了 Kubernetes 与具体容器工具的解耦，只要实现了 CRI 接口，就可以与 Kubelet 交互从而被 Kubernetes 编排，这也符合 IOC 和 “面向接口编程”的原则。

常见的容器运行时有 Docker，containerd，CRI-O 等，可以在部署 K8s 时运行特定的运行时软件，kubelet 会通过 grpc 协议与容器运行时通信。下面这个图可以清楚看到相关的关系。

集群架构消息队列分析 集群架构图_kubernetes_02

kube-proxy
‘
kube-proxy 也是运行在每个节点上，它的角色是一个网络代理，管理在节点上的网络规则，用来允许集群中的 Pod 进行集群内外的网络通讯。一般情况 kube-proxy 会直接使用操作系统提供的网络包过滤层的能力（比如iptable，ipvs），否则它需要自己实际负责流量的分发。

CNI plugin

网络插件，和 CRI 接口一样，Kubernetes 针对网络也定义了一系列的接口，具体的实现则由各种网络插件来实现，给集群中的 Pod 设置 IP 并实现集群内的内外通信。

DNS 组件

Kubernetes 内部的 DNS 服务组件，用来对 Service、Pod 做 DNS 解析实现集群内部的服务发现，目前默认是 CoreDNS。

Ingress Controller

该组件基于 Ingress 对外部请求做路由，将 K8s 中的服务暴露给外界访问，最常用的一般是
NGINX Ingress Controlle。 简单来说，在我们的传统 IT 环境中，通常会用 Nginx 做请求代理和路由、负载均衡。哪怕将应用部署到了 Kubernetes 中事情并没有发生变化，只不过是由 Ingress Controller 来做。

2. Kubernetes 资源对象

Kubernetes 将一切视为资源，Kubernetes 资源对象是持久化的实体，其本质是对分布式系统所需要的各种功能的抽象，其表现形式就是 yaml 文件。我们使用 Kubernetes 时基本就是通过 kubectl 命令来操作各种通过 yaml 文件定义资源对象，下面是一个 yaml 文件示例：

apiVersion: apps/v1 # for versions before 1.9.0 use apps/v1beta2
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 2 # tells deployment to run 2 pods matching the template
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.14.2
        ports:
        - containerPort: 80

一个完整的资源对象的 yaml 文件由四部分组成：

  • apiVersion & kind：创建该对象所使用的 Kubernetes API 的版本和对象的类别。
  • metadata：元信息，帮助唯一性标识对象的一些数据，包括一个 name 字符串、UID 和可选的 namespace。
  • spec：对象规格，不同的对象有不同的 spec，用于定义其相关属性，创建对象时设置其内容，描述我们希望对象所具有的特征，也就是 「期望状态」。
  • status: 对象的「当前状态」，由 Kubernetes 系统组件设置并更新，在创建对象时我们只需要定义上述三部分内容即可。在任何时刻，Kubernetes Control Pannel 都一直积极地管理着对象的实际状态，以使之与期望状态相匹配。

使用 kubectl get [objectType] [objectName] -o yaml 可以在命令行上查看资源对象完整的 yaml。比如：

$ kubectl get pod nginx -o yaml

下图是常用的一些 Kubernetes 对象，所有的对象类型可以用下面命令查看：

$ kubectl api-resources

集群架构消息队列分析 集群架构图_Pod_03

基于上面是对 K8s 整体的概述，我们可以知道对于 Kubernetes 本身的学习大致可以归为两方面：

  • 熟悉 Kubernetes 各个组件的作用与设计原理，比如 etcd 的工作原理，调度器的工作原理、网络插件的实现原理等。
  • 熟悉 Kubernetes 各个资源对象的使用与原理，比如 Pod、Service 以及各种控制器对象、存储对象、RBAC 对象的使用等。