@kubernetes（k8s）基础理论知识

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kubernetes基础理论

k8s全称kubernetes，k8s是为容器服务而生的一个可移植容器的编排管理工具
​​​【kubernetes官网】​​

一、kunernetes发展史

#kunernetes发展史
Kubernetes项目来源于Borg，可以说是集结了Borg设计思想的精华，并且吸收了Borg系统中的经验和教训。

Kubernetes作为容器集群管理工具，于2015年7月22日迭代到 v 1.0并正式对外公布，这意味着这个开源容器编排系统可以正式在生产环境使用

Kubernetes总体而言可以认为是Borg的一个开源的版本，但是Kubernetes和Borg有一些不一样
   




#Kubernetes与Borg的不同:

二、kunernetes概述

1>Kubernetes 是 Google 在 2014 年开源的一个容器集群管理系统，使用 Go 开发，简称为 K8s，用于容器化应用程序的部署，扩展和管理

2>Kubernetes 的目标是让部署容器化的应用简单并且高效（powerful）,Kubernetes提供了应用部署，规划，更新，维护的一种机制

3>Kubernetes  提供了容器编排（yml），资源调度，弹性伸缩，部署管理，服务发现等一系列功能，目标是让部署容器化应用简单高效

4>Kubernetes 兼容多种容器类型，市场占用率最高

三、kubernetes的特性（优点）

自我修复
弹性伸缩扩容
服务发现与调度
负载均衡
横向扩容
存储卷挂载

1）#自我修复： 
   在节点故障时替换和重新部署，保证预期的副本数量；杀死健康检查失败的容器（探针），并且在未准备好之前不会处理客户端请求，确保线上服务不中断

2）#弹性伸缩：  
   使用命令（字符界面）或 UI（图形化界面），基于 CPU 使用情况自动快速扩容和缩容应用程序实例，保证应用业务高峰并发时的高可用性；业务低峰时回收资源，以最小成本运行服务

3）#自动部署和回滚： 
   K8s 采用滚动更新策略更新应用，一次更新一个 Pod，而不是同时删除所有 Pod，如果更新过程中出现问题，将回滚更改，确保升级不受影响业务

4）#服务发现和负载均衡： 
   K8s 为多个容器提供一个统访问入口（内部 IP 地址和一个 DNS 名称)，并且负载均衡关联的所有容器，使得用户无需考虑容器 IP 问题

5）#机密和配置管理： 
   管理机密数据和应用程序配置，而不需要把敏感数据暴露在镜像里，提高敏感数据安全性；并可以将一些常用的配置存储在 K8s 中，方便应用程序使用（身份验证：命名空间，逻辑划分权限管理）

6）#存储编排： 
   挂载外部存储系统，无论是来自本地存储，公有云（如 AWS），还是网络存储（如NFS、GlusterFS、Ceph）都作为集群资源的一部分使用， 极大提高存储使用灵活性

7）#批处理：

四、kubnetes使用扩展（业务升级）

1》#灰度发布（金丝雀）：
    指在黑与白之间，能够平滑过渡的一种发布方式，灰度发布可以有效保证整体系统的稳定，降低产品升级所影响的用户范围，从小面到大面使用，分别测试
    
    例如：让一部分用户继续使用产品特性A，一部分用户开始用产品特性B，如果用户对B没有什么反对意见，那么逐渐扩大范围，把所有用户都迁移到B上面来




2》#蓝绿发布：
   例如：项目逻辑上分为A/B组，首先把A组从负载均衡中摘除，进行新版本部署，B组继续提供服务，当A组升级完毕，负载均衡重新接入A组，再将B组从负载列表中摘除进行新版本部署，A组重新提供服务
   
   最终，B组完成升级，负载均衡重新接入B组，至此，A/B组皆升级完毕，对外提供服务，达到用户无感知、平滑过渡的效果



3》#滚动发布：

五、kubernetes的集群架构及组件

kubernetes集群由Master节点+Node（Worker）节点组成
集群架构图

【Master节点】

Master节点指的是集群控制节点，管理和控制整个集群，基本上k8s的所有控制命令都发给它，它负责具体的执行过程

master节点的主要有：
🎁​​​Kube-apiserver​​​：
🎁​​​Kube-controller-manager​​​：
🎁​​​kube-scheduler​​​：
🎁​​​etcd​​​：
🎁cloud-controller-manager

1》#Kube-apiserver：（提供Kubernetes API 服务的组件）
   Kubernetes API，集群的统一入口， 各组件协调者
   以 RESTful API提供接口服务（支持网站标准协议）
   所有对象资源的增删改查和监听操作都交给 APIServer 处理后再提交给 Etcd 存储数据




2》#Kube-controller-manager：  (处理集群中常规后台任务)
   一个资源对应一个控制器，比如容器资源（pod）挂了，若控制器还存活，则会重新创建该资源，所以修复能力依赖于控制完成
   controllerManager 负责管理这些控制器，控制器包括：
       1> 节点控制器（Node Controller）: 负责在节点出现故障时进行通知和响应。
       2>副本控制器（Replication Controller）: 负责为系统中的每个副本控制器对象维护正确数量的 Pod。
       3>端点控制器（Endpoints Controller）: 填充端点(Endpoints)对象(即加入 Service 与 Pod)。
       4>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.





3》#kube-scheduler：
   根据调度算法为新创建的 Pod 选择一个 Node 节点，可以任意部署可以部署在同一个节点上，也可以部署在不同的节点上
   所有资源的创建不一定都要经过调度器




4》#etcd：
   分布式键值存储系统
   用于保存集群状态数据
   比如 :Pod、Service 等对象信息




5》#cloud-controller-manager（云控制器管理器）
    cloud-controller-manager 运行与基础云提供商交互的控制器，cloud-controller-manager 二进制文件是 Kubernetes 1.6 版本中引入的 alpha 功能
    cloud-controller-manager 仅运行云提供商特定的控制器循环
    cloud-controller-manager 允许云供应商的代码和 Kubernetes 代码彼此独立地发展
    控制器具有云提供商依赖性，如下：
       1>节点控制器（Node Controller）: 用于检查云提供商以确定节点是否在云中停止响应后被删除
       2>路由控制器（Route Controller）: 用于在底层云基础架构中设置路由
       3>服务控制器（Service Controller）: 用于创建、更新和删除云提供商负载均衡器
       4>数据卷控制器（Volume Controller）: 用于创建、附加和装载卷、并与云提供商进行交互以编排卷

【node节点】

node节点指定是集群中的Worker，除了master以外的节点被称为Node或者Worker节点，可以在master中使用命令 kubectl get nodes查看集群中的node节点。
每个Node都会被Master分配一些工作负载（Docker容器），当某个Node宕机时，该节点上的工作负载就会被Master自动转移到其它节点上

node节点的主要有：
🎁kubelet：
🎁kube-proxy
🎁docker 或 rocket（容器类型）

1》#kubelet：
   kubelet 是 Master 在 Node 节点上的 Agent（代理），管理本机运行容器的生命周期，比如创建容器、Pod 挂载数据卷、下载 secret、获取容器和节点状态等工作，kubelet 将每个 Pod 转换成一组容器
   kubelet是Node节点上最重要的核心组件，负责Kubernetes集群具体的计算任务，具体功能包括：
     1>监听Scheduler组件的任务分配
     2>挂载POD所需Volume
     3>下载POD所需Secrets
     4>通过与docker daemon的交互运行docker容器
     5>定期执行容器健康检查
     6>监控、报告POD状态到kube-controller-manager组件
     7>监控、报告Node状态到kube-controller-manager组件





2》#kube-proxy：
   在 Node 节点上实现 Pod 网络代理
   维护节点上的网络规则和四层负载均衡工作,这些网络规则允许从集群内部或外部的网络会话与 Pod 进行网络通信





3》Addons（插件）
   插件使用 Kubernetes 资源 (DaemonSet, Deployment等) 实现集群功能。因为这些提供集群级别的功能，所以插件的命名空间资源属于 kube-system 命名空间
     




4》#docker 或 rocket（容器类型）：

六、kubernetes核心概念

【名词解释】

【api server】： 所有服务访问统一入口，各组件协调者，以RESTful API提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给APIServer处理后再提交给Etcd存储。

【controller manager】：  维持副本期望数目，处理集群中常规后台任务，一个资源对应一个控制器，而ControllerManager就是负责管理这些控制器的。

【schedule】：  负责介绍任务，选择合适的节点进行分配任务。根据调度算法为新创建的Pod选择一个Node节点，可以任意部署,可以部署在同一个节点上,也可以部署在不同的节点上

【ectd】：      google公司使用go语言开发的键值对数据库，存储k8s集群所有重要信息(需要持久化的)，比如Pod、Service等对象信息

【kubelet】：   直接跟容器引擎（如docker）交互，实现容器的生命周期管理。是Master在Node节点上的Agent，管理本机运行容器的生命周期，比如创建容器、Pod挂载数据卷、下载secret、获取容器和节点状态等工作。kubelet将每个Pod转换成一组容器

【kube-proxy】：在Node节点上实现Pod网络代理，维护网络规则和四层负载均衡工作。写入规则至iptables、IPVS实现服务映射访问。kube-proxy支持三种模式，在v1.8之前我们使用的是iptables 以及userspace两种模式，在kubernetes 1.8之后引入了ipvs模式

【CoreDNS】:    可以为集群中的SVC（service简写）创建一个域名IP的对应关系解析

【Dashboard】:  给k8s集群提供一个B/S结构的访问体系

【Ingress Controller】：  官方ks8集群只能实现四层代理，它可以实现七层管理（根据域名进行负责均衡）

【Federation】： 提供一个跨集群中心多k8s的统一管理功能

【Prometheus】： 提供k8s集群的监控能力

【ELK】：        提供k8s集群日志统一分析平台

【RC(ReplicationController)】:   确保容器应运的副本数始终保持在用户定义的副本数

【RS(ReplicaSet)】:    新版本k8s建议使用RS取代RC，RC与RS没多少本质区别，它支持集合式的selector，在大型项目管理中RS比RC更简单方便

【Deployment】：        有状态应用部署，用来自动管理ReplicaSet，虽然RS可以独立使用，但使用Deployment就不用担心与其它机器的兼容性问题（如RS不支持rolling-update，但Deloyment支持）

【Pod】：        它只是容器所运行的一个环境，自身不会运行。Kubernetes通过控制器（Deployment、StatefuleSet、DaemonSet）能够创建和管理多个Pod，并在集群范围内处理副本、部署和提供自愈能力。在Pod中，所有容器都被统一安排和调度，并运行在共享的上下文中。

【HPA（Horizontal Pod Autoscaling）】：    仅适用与Deployment和ReplicaSet，在V1版本中仅支持根据Pod的CPU利用率进行扩容

【DaemonSet 】   确保全部（或者一些）Node上运行一个Pod的副本。当有Node加入集群时，也会为它们新增一个pod，当有node从集群中移除时，这些pod也会被回收。删除DaemonSet将会删除它创建的所有Pod

【Job】 ：       负责处理批处理任务，保证批处理任务的Pod成功结束（即不是正常退出会重新执行）一次性任务

【Cron Job】：   管理基于时间的Job（指定时间点运行一次，或周期性的在给定时间点运行）

【StatefulSet】：解决有状态服务问题（对应Deloyment和ReplicaSets是为无状态服务而设计，docker、apache、lvs都是无状态服务，无状态指的是没有必要的存储需要，要实时保留，有状态服务如mysql、mongodb等都需要实时存储，特点：抽离出集群之后再放回来由于数据不完整就没法继续工作了）

【harbor】：     Docker容器应用的开发和运行离不开可靠的镜像管理，虽然Docker官方也提供了公共的镜像仓库，但是从安全和效率等方面考虑，部署私有环境内的Registry也是非常必要的。Harbor是由VMware公司开源的企业级的Docker Registry管理项目，是构建企业级私有docker镜像的仓库的开源解决方案，它包括权限管理(RBAC)、LDAP、日志审核、管理界面、自我注册、镜像复制和中文支持等功能，它还整合了K8s的插件(Add-ons)仓库，即Helm通过chart方式下载，管理，安装K8s插件。

【Squid cache（简称为Squid）】：  是一个流行的自由软件（GNU通用公共许可证）的代理服务器和Web缓存服务器。Squid有广泛的用途，从作为网页服务器的前置cache服务器缓存相关请求来提高Web服务器的速度，到为一组人共享网络资源而缓存万维网，域名系统和其他网络搜索，到通过过滤流量帮助网络安全，到局域网通过代理上网。Squid主要设计用于在Unix一类系统运行。

【koolshare】：  软路由，可以利用虚拟机搭建一个软路由 来模拟一个路由器，然后在需要连接的机器上把网关设置成软路由的ip就行了。软路由选择Windows操作系统，因为我们需要在PE环境（windows下制作出来的一个临时紧急系统）中进行软路由的写入，固件类型选择BIOS，网络类型选择使用仅主机模式网络，虚拟磁盘类型选择IDE【一定要选择IDE模式】，SCSI会报错

【kubectl 】     是一个用于操作kubernetes集群的命令行接口,通过利用kubectl的各种命令可以实现各种功能,是在使用kubernetes中非常常用的工具.如对镜像进行创建和删除。

【IPVS】：      IPVS (IP Virtual Server，IP虚拟服务器)是基于Netfilter的、作为linux内核的一部分实现传输层负载均衡的技术，通常称为第4层LAN交换。IPVS集成在LVS(Linux Virtual Server)中，它在主机中运行，并在真实服务器集群前充当负载均衡器。IPVS可以将对TCP/UDP服务的请求转发给后端的真实服务器，并使真实服务器的服务在单个IP地址上显示为虚拟服务。因此IPVS天然支持Kubernetes Service。

【kube-proxy】  是为service构建路由规则的模块，之前依赖iptables来实现主要service类型的支持，比如(ClusterIP和NodePort)。但是iptables很难支持上万级的service，因为iptables纯粹是为防火墙而设计的，并且底层数据结构是内核规则的列表。

【Namespaces】： 命名空间，将对象逻辑上隔离，用于角色管理和控制

【Annotations】： 注释，方便阅读

【Cronjob】：周期性计划定时任务

【Service】： 对外提供服务，防止 Pod 失联，定义一组 Pod 的访问策略，方便访问

【Label】： 标签，附加到某个资源上，用于关联对象、查询和筛选

【ReplicaSet】：创建资源，确保预期的 Pod 副本数量

【StatefulSet】：有状态应用部署

【DaemonSet】：确保所有 Node 运行同一个 Pod，即管理进程资源






# IPVS 与 IPTABLES区别
IPVS模式在Kubernetes v1.8中引入，并在v1.9中进入了beta。 1.11中实现了GA(General Availability)。IPTABLES模式在v1.1中添加，并成为自v1.2以来的默认操作模式。 IPVS和IPTABLES都基于netfilter。 

#IPVS模式和IPTABLES模式之间的差异如下：

【kubernetes组件关系】

七、服务发现

服务发现在微服务架构里，服务之间经常进行通信，服务发现就是解决不同服务之间通信的问题。比如一个nginx的pod，要访问一个mysql服务，就需要知道mysql服务的ip和port，获取ip和port的过程就是服务发现

服务端想去想问一组pod，如果pod不相关是不能通过service进行代理的，那么pod必须具有相关性

如同一个RS\RC创建的，或拥有同一组标签（service通过标签去选择pod）

service有自己的ip、端口，客户端通过访问service的IP和端口通过算法（如RR轮询）来间接访问pod

【pod的组件关系】

【pod】：
K8s 中最小的部署单元，是一组容器的集合
一个 Pod 中的容器共享网络命名空间，像一个小型局域网一样，所以其中容器之间可以彼此通讯
Pod 是短暂的，因为其一旦故障，会重新创建新的
K8s 管理的基本都是业务，而业务都是跑在 Pod 上

Pod不同情况下的网络通讯模式，如下：

1》#同一个pod内部通讯：
   同一个pod共享同一个网络命名空间，共享同一个协议栈，同一个Pod内的多个容器通过io互相访问





2》#各pod节点通信，分2种情况：
    1>各Pod不在同一台主机： 由于pod的地址与docker0在同一个网段，但docker0网段与宿主机网卡处于不同的IP网段，而不同node之间的通讯只能通过宿主机的物理网卡进行，可将Pod的IP与Node的IP关联起来互相访问
    2>在同一台主机：        Docker0网桥直接转发至另一个pod，看不需要经过Flannel




3》#Pod与Service之间通讯：
    通过各节点的iptables规则转发通讯（新版本支持lvs转发，性能更高）





4》#Pod到外网：

【kubernetes 支持的两种服务发现模式】

1》#环境变量：
 Pod创建的时候，服务的ip和port会以环境变量的形式注入到pod里
 比如：pod创建时有一个redis-master服务，服务ip地址是10.0.0.11，port是6379，则会把下面一系列环境变量注入到pod里，通过这些环境变量访问redis-master服务
 REDIS_MASTER_SERVICE_HOST=10.0.0.11REDIS_MASTER_SERVICE_PORT=6379REDIS_MASTER_PORT=tcp://10.0.0.11:6379





2》#dns：
 K8s集群会内置一个dns服务器，service创建成功后，会在dns服务器里导入一些记录，想要访问某个服务，通过dns服务器解析出对应的ip和port，从而实现服务访问
 service 是微服务架构中的微服务
 service

八、网络通讯方式（flannel）

1》kubernetes的网络模型假定了所有pod都在一个可以直接连通的扁平的网络空间，由于这在GCE(Google Computer Engine)里面是现成的，所以k8s假定这个网络已经存在了。

2》而在私有云搭建k8s集群，由于这个扁平的网络不存在，需要自己实现网络架设，打通不同节点上的docker容器互联，然后运行k8s。

3》可以通过诸如网络通讯方案Flannel来实现扁平的网络空间。

4》Flannel是CoreOS团队针对k8s设计的网络规划服务，功能是让集群中不同节点的主机创建的Docker容器都具有全集群唯一的虚拟IP地址，并在这些IP之间建立一个网络覆盖（Overlay Network）来将数据包原封不动的传递到目标容器

【模拟flannel传送数据过程】

#模拟使用Flannel网络
（宿主机A上的docker容器(10.1.15.10)发送数据到宿主机B上的docker容器(10.1.20.20)的流程)
    1>首先，docker容器10.1.15.10要发送数据到宿主机B上，进行匹配相关的路由，根据源容器和目的容器的IP匹配路由规则，同时匹配两个IP的路由规则是10.1.0.0/16，如果是同一个宿主机上的容器访问，匹配的是10.1.15.0或者10.1.20.0
    2>数据从docker0网桥出来以后投递到flannel0网卡
    3>监听flannel0网卡的Flanneld服务收到数据后封装成数据包发送到宿主机B
    4宿主机B上的Flanneld服务接收到数据包后解包还原成原始数据
    5>Flanneld服务发送数据到flannel0网卡，根据目的容器地址匹配到路由规则10.1.20.0/24（docker0）
    6>投递数据到docker0网桥，进而进入到目标容器10.1.20.20

九、kubernetes的三种部署方式

方式一：minikube（小规模部署）​​【部署地址】​​

1》是一个工具，可以在本地快速运行一个单点的Kubernetes，仅用于尝试Kubernetes或日常开发的用户使用

方式二：kubeadm（集群部署）​​【部署地址】​​

1》kubeadm是一个k8s部署工具，提供kubeadm init和kubeadm join，用于快速部署Kubernetes集群

2》kubeadm降低部署门槛，屏蔽了很多细节，遇到问题很难排查

方式三：二进制包部署（推荐使用）​​【下载地址】​​

1》二进制部署，从官方下载发行版的二进制包，手动部署每个组件，组成Kubernetes集群

2》二进制包部署k8s，虽然手动部署麻烦，单期间可以学习很多工作原理，也利于后期维护

【kubernetes部署状态流程】

1》创建一个 Kubernetes 集群

2》应用程序部署

3》应用程序探索

4》应用外部可见

5》应用可扩展

6》应用更新

7》发布应用

十、kubectl的使用及资源清单

​​【kubectl的使用及资源清单详解】​​