【云原生 • Kubernetes】认识 k8s、k8s架构、核心概念点介绍、部署实战

Kubernetes基础概念

1. 是什么

我们急需一个大规模容器编排系统**，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序**。

Kubernetes 为你提供了一个可弹性运行分布式系统的框架。 Kubernetes 会满足你的扩展要求、故障转移、部署模式等。

官方文档：https://kubernetes.io/zh-cn/docs/concepts/overview/

kubernetes具有以下特性：
● 服务发现和负载均衡
Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址公开容器，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。
● 自动完成装箱计算
Kubernetes 允许你指定每个容器所需 CPU 和内存（RAM）。 当容器指定了资源请求时，Kubernetes 可以做出更好的决策来管理容器的资源。
● 自我修复
Kubernetes 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。

2. 架构

2.1 工作方式

Kubernetes Cluster = N Master Node + N Worker Node：N主节点+N工作节点； N>=1

2.2 组件架构

1、控制平面组件（Control Plane Components）
控制平面的组件对集群做出全局决策(比如调度)，以及检测和响应集群事件（例如，当不满足部署的 replicas 字段时，启动新的 pod）。控制平面组件可以在集群中的任何节点上运行。然而，为了简单起见，设置脚本通常会在同一个计算机上启动所有控制平面组件， 并且不会在此计算机上运行用户容器。 请参阅使用 kubeadm 构建高可用性集群 中关于多 VM 控制平面设置的示例。

• kube-apiserver
  API 服务器是 Kubernetes 控制面的组件， 该组件公开了 Kubernetes API。 API 服务器是 Kubernetes 控制面的前端。Kubernetes API 服务器的主要实现是 kube-apiserver。kube-apiserver设计上考虑了水平伸缩，也就是说，它可通过部署多个实例进行伸缩。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 是兼具一致性和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。您的 Kubernetes 集群的 etcd 数据库通常需要有个备份计划。要了解 etcd 更深层次的信息，请参考 etcd 文档。

• kube-scheduler
  控制平面组件，负责监视新创建的、未指定运行节点（node）的 Pods，选择节点让 Pod 在上面运行。调度决策考虑的因素包括单个 Pod 和 Pod 集合的资源需求、硬件/软件/策略约束、亲和性和反亲和性规范、数据位置、工作负载间的干扰和最后时限。

• kube-controller-manager
  在主节点上运行 控制器的组件。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(Endpoints)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

• cloud-controller-manager
  云控制器管理器是指嵌入特定云的控制逻辑的 控制平面组件。 云控制器管理器允许您链接集群到云提供商的应用编程接口中， 并把和该云平台交互的组件与只和您的集群交互的组件分离开。

2、Node 组件
节点组件在每个节点上运行，维护运行的 Pod 并提供 Kubernetes 运行环境。

• kubelet
  一个在集群中每个节点（node）上运行的代理。 它保证容器（containers）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（Service） 概念的一部分。kube-proxy 维护节点上的网络规则。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。如果操作系统提供了数据包过滤层并可用的话，kube-proxy 会通过它来实现网络规则。否则， kube-proxy 仅转发流量本身。

3. k8s组件创建集群

步骤一 基础环境

# 各个机器设置自己的域名，设置不同hostname
hostnamectl set-hostname master

# 将 SELinux 设置为 permissive 模式（相当于将其禁用）
sudo setenforce 0
sudo sed -i 's/^SELINUX=enforcing$/SELINUX=permissive/' /etc/selinux/config

# 关闭内存swap，为了保证 kubelet 正常工作
swapoff -a  
sed -ri 's/.*swap.*/#&/' /etc/fstab

# 允许 iptables 检查桥接流量
cat <<EOF | sudo tee /etc/modules-load.d/k8s.conf
br_netfilter
EOF

cat <<EOF | sudo tee /etc/sysctl.d/k8s.conf
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
EOF

sudo sysctl --system

步骤二 安装kubelet、kubeadm、kubectl

cat << EOF | sudo tee /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=0
repo_gpgcheck=0
gpgkey=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg
   http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg
exclude=kubelet kubeadm kubectl
EOF

sudo yum install -y kubelet-1.20.9 kubeadm-1.20.9 kubectl-1.20.9 --disableexcludes=kubernetes

sudo systemctl enable --now kubelet

步骤三 主节点使用kubeadm引导集群

1、下载各个机器需要的镜像
sudo tee ./images.sh <<-'EOF'
#!/bin/bash
images=(
kube-apiserver:v1.20.9
kube-proxy:v1.20.9
kube-controller-manager:v1.20.9
kube-scheduler:v1.20.9
coredns:1.7.0
etcd:3.4.13-0
pause:3.2
)
for imageName in ${images[@]} ; do
docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/lfy_k8s_images/$imageName
done
EOF
   
chmod +x ./images.sh && ./images.sh

2、初始化主节点
# 所有机器添加master域名映射，以下需要修改为自己的
echo "172.31.0.4  cluster-endpoint" >> /etc/hosts

# 主节点初始化
kubeadm init \
--apiserver-advertise-address=172.31.0.4 \
--control-plane-endpoint=cluster-endpoint \
--image-repository registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/lfy_k8s_images \
--kubernetes-version v1.20.9 \
--service-cidr=10.96.0.0/16 \
--pod-network-cidr=192.168.0.0/16

3、根据提示继续
    1、设置.kube/config
    2、安装网络组件
        curl https://docs.projectcalico.org/v3.20/manifests/calico.yaml -O
        kubectl apply -f calico.yaml

步骤四 副节点加入主节点

kubeadm join cluster-endpoint:6443 --token x5g4uy.wpjjdbgra92s25pp \
--discovery-token-ca-cert-hash sha256:6255797916eaee52bf9dda9429db616fcd828436708345a308f4b917d3457a22

验证集群节点状态 kubectl get nodes

步骤五 部署dashboard

# kubernetes官方提供的可视化界面
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/dashboard/v2.3.1/aio/deploy/recommended.yaml

# 设置访问端口
kubectl edit svc kubernetes-dashboard -n kubernetes-dashboard

# 创建访问账号
# 创建访问账号，准备一个yaml文件； vi dash.yaml
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: admin-user
  namespace: kubernetes-dashboard
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: admin-user
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: cluster-admin
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: admin-user
  namespace: kubernetes-dashboard
  
kubectl apply -f dash.yaml

# 获取访问令牌
kubectl -n kubernetes-dashboard get secret $(kubectl -n kubernetes-dashboard get sa/admin-user -o jsonpath="{.secrets[0].name}") -o go-template="{{.data.token | base64decode}}"

Kubernetes核心实战

1. 资源创建方式

命令行		kubectl create
YAML文件	 kubectl apply -f xxxx.yaml [创建资源]
		  kubectl delete -f xxxx.yaml [删除资源]

2. Namespace

名称空间用来隔离资源，包括pod、deployment、service等资源

# 命令行创建名称空间
kubectl create ns hello
kubectl delete ns hello

# YAML文件创建名称空间
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: hello

3. Pod

运行中的一组容器，Pod是kubernetes中应用的最小单位，pod封装了一个或多个容器

# 命令行启动一个pod，包含一个容器nginx
kubectl run mynginx --image=nginx
# 查看default名称空间的Pod
kubectl get pod 
# 查看pod描述
kubectl describe pod Pod名字
# 删除pod
kubectl delete pod Pod名字
# 查看Pod运行日志
kubectl logs Pod名字
# 查看每个Pod IP地址: k8s都会分配一个ip
kubectl get pod -owide
# 使用Pod的ip+pod里面运行容器的端口
curl 192.168.169.136:80

# yaml启动pod
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    run: myapp
  name: myapp
spec:
  containers:
  - image: nginx
    name: nginx
  - image: tomcat:8.5.68
    name: tomcat

4. Deployment

控制Pod，使Pod拥有多副本，自愈，扩缩容等能力

# 清除所有Pod
# 普通方式启动一个pod
kubectl run mynginx --image=nginx
# Deployment方式启动一个pod
kubectl create deployment mytomcat --image=tomcat:8.5.68

4.1 自愈能力

此时Deployment方式启动的pod具有自愈能力，当手动删除该pod，会自动再次生成一个pod，如果想要删除pod，必须删除对应的Deployment

4.2 多副本

可以手动指定启动的pod副本数量

kubectl create deployment my-dep --image=nginx --replicas=3

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: my-dep
  name: my-dep
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-dep
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-dep
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        name: nginx

4.3 扩缩容

当某个服务挂了之后，可动态让其下线，新增副本，可在不停机的情况下，进行pod扩容

kubectl scale --replicas=5 deployment/my-dep
kubectl edit deployment my-dep
# 修改 replicas

4.4 滚动更新

kubectl set image deployment/my-dep nginx=nginx:1.16.1 --record
kubectl rollout status deployment/my-dep
# 修改 kubectl edit deployment/my-dep

4.5 版本回退

类似于git的版本管理

#历史记录
kubectl rollout history deployment/my-dep
# 查看某个历史详情
kubectl rollout history deployment/my-dep --revision=2
# 回滚(回到上次)
kubectl rollout undo deployment/my-dep
# 回滚(回到指定版本)
kubectl rollout undo deployment/my-dep --to-revision=2

5. Service

将一组 Pods 公开为网络服务的抽象方法。

PS：如果想要访问pod，则需要通过pod分配的ip:port的方式来访问，不同副本的pod分配到的ip不同，这样访问起来比较麻烦，因此多个副本pod需要统一对外访问ip，甚至是指定域名进行访问，service就是提供这一功能。

# 暴露Deploy
kubectl expose deployment my-dep --port=8000 --target-port=80
kubectl expose deployment my-dep --port=8000 --target-port=80 --type=ClusterIP  # 与上等价，默认是ClusterIP
kubectl expose deployment my-dep --port=8000 --target-port=80 --type=NodePort   # NodePort方式，NodePort的ip范围在 30000-32767 之间

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: my-dep
  name: my-dep
spec:
  ports:
  - port: 8000
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    app: my-dep
  type: ClusterIP # NodePort

6. Ingress

在service的基础上，对访问URL再进行一层封装，功能类似于nginx

6.1 安装

# 下载
wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/controller-v0.47.0/deploy/static/provider/baremetal/deploy.yaml
# 修改镜像
vi deploy.yaml
# 将image的值改为如下值：
registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/lfy_k8s_images/ingress-nginx-controller:v0.46.0
# 检查安装的结果
kubectl get pod,svc -n ingress-nginx
# 最后别忘记把svc暴露的端口要放行

6.2 使用教程

官网地址：https://kubernetes.github.io/ingress-nginx/

底层就是nginx做的