Learn the Kubernetes Key Concepts in 10 Minutes

什么是Kubernetes？

Kubernetes（k8s）是自动化容器操作的开源平台，这些操作包括部署，调度和节点集群间扩展。如果你曾经用过Docker容器技术部署容器，那么可以将Docker看成Kubernetes内部使用的低级别组件。Kubernetes不仅仅支持Docker，还支持Rocket，这是另一种容器技术。

使用Kubernetes可以：

• 自动化容器的部署和复制
• 随时扩展或收缩容器规模
• 将容器组织成组，并且提供容器间的负载均衡
• 很容易地升级应用程序容器的新版本
• 提供容器弹性，如果容器失效就替换它，等等...

实际上，使用Kubernetes只需一个部署文件，使用一条命令就可以部署多层容器（前端，后台等）的完整集群：

$ kubectl apply -f single-config-file.yaml

kubectl是和Kubernetes API交互的命令行程序。现在介绍一些核心概念。

 

 

集群

集群是一组节点，这些节点可以是物理服务器或者虚拟机，之上安装了Kubernetes平台。下图展示这样的集群。注意该图为了强调核心概念有所简化。这里可以看到一个典型的Kubernetes架构图。

 

上图可以看到如下组件，使用特别的图标表示Service和Label：

• Pod
• Container（容器）
• Label()（标签）
• Replication Controller（复制控制器）
• Service（）（服务）
• Node（节点）
• Kubernetes Master（Kubernetes主节点）

 

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笔记

Kubernetes Master 运行的组件有：

• API Server

  API Server的核心功能是提供了Kubernetes各类资源对象的增、删、改、查及Watch等HTTP Rest接口，成为集群内各个功能模块之间数据交互和通信的中心枢纽，是整个系统的数据总线和数据中心。除此之外，它还有以下一些功能特性：

1. 是集群管理的API入口。
2. 是资源配额控制的入口。
3. 提供了完备的集群安全机制。

• Controller Manager

  Controller Manager作为集群内部的管理控制中心，负责集群内的Node、Pod副本、服务端点（Endpoint）、命名空间（Namespace）、服务账号（ServiceAccount）、资源定额（ResourceQuota）的管理，当某个Node意外宕机时，Controller Manager会及时发现此故障并执行自动化修复流程，确保集群始终处于预期的工作状态。Controller Manager内部包含多种Controller，每种Controller都负责一种具体的控制流程，而Controller Manager正是这些Controller的核心，每个Controller通过API Server提供的接口实时监控整个集群的每个资源对象的当前状态，当发生各种故障导致系统状态发生变化时，会尝试着将系统状态从 "现有状态" 修正到 "期望状态"，常见的Controller有：

1. Replication Controller
2. Node Controller
3. ResourceQuota Controller
4. Namespace Controller
5. ServiceAccount Controller
6. Token Controller
7. Service Controller
8. Endpoint Controller

• Scheduler

  Scheduler在整个系统中承担了 "承上启下" 的重要功能。承上，是指它负责接收Controller Manager创建的新Pod，为其安排目标Node。启下，是指安置工作完成后，目标Node上的kubelet服务进程接管后继工作，负责Pod生命周期中的 "下半生" 。具体来说，k8s Scheduler的作用是将待调度的Pod（API新创建的Pod、Controller Manager为补足副本而创建的Pod等）按照特定的调度算法和调度策略绑定到集群中的某个合适的Node上，并将绑定信息写入etcd中。

• etcd

  etcd是一个分布式key-value存储库，k8s集群中所有数据的存储以及操作记录都在etcd中进行存储。

而 Node 节点运行的组件有：

• Kube-proxy

  Kube-proxy作用主要是负责service的实现，实现了内部从pod到service和外部node port向service的访问。

• Kubelet

  Kubelet运行在每个Node节点上，负责接收并执行Kubernetes Master发来的指令，管理pod及pod中的容器，每个Kubele进程会在API Server上注册节点自身信息，并定期向Kubernetes Master 汇报节点资源使用情况。

• Docker

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Pod

Pod（上图绿色方框）安排在节点上，包含一组容器和卷。同一个Pod里的容器共享同一个网络命名空间，可以使用localhost互相通信。Pod是短暂的，不是持续性实体。你可能会有这些问题：

• 如果Pod是短暂的，那么我怎么才能持久化容器数据使其能够跨重启而存在呢？ 是的，Kubernetes支持卷的概念，因此可以使用持久化的卷类型。
• 是否手动创建Pod，如果想要创建同一个容器的多份拷贝，需要一个个分别创建出来么？可以手动创建单个Pod，但是也可以使用Replication Controller使用Pod模板创建出多份拷贝，下文会详细介绍。
• 如果Pod是短暂的，那么重启时IP地址可能会改变，那么怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢？这时可以使用Service，下文会详细介绍。

 

 

Lable

正如图所示，一些Pod有Label（）。一个Label是attach到Pod的一对键/值对，用来传递用户定义的属性。比如，你可能创建了一个"tier"和“app”标签，通过Label（tier=frontend, app=myapp）来标记前端Pod容器，使用Label（tier=backend, app=myapp）标记后台Pod。然后可以使用Selectors选择带有特定Label的Pod，并且将Service或者Replication Controller应用到上面。

 

 

Replication Controller

是否手动创建Pod，如果想要创建同一个容器的多份拷贝，需要一个个分别创建出来么，能否将Pods划到逻辑组里？

Replication Controller确保任意时间都有指定数量的Pod“副本”在运行。如果为某个Pod创建了Replication Controller并且指定3个副本，它会创建3个Pod，并且持续监控它们。如果某个Pod不响应，那么Replication Controller会替换它，保持总数为3。如下面的动画所示：

 

 

如果之前不响应的Pod恢复了，现在就有4个Pod了，那么Replication Controller会将其中一个终止保持总数为3。如果在运行中将副本总数改为5，Replication Controller会立刻启动2个新Pod，保证总数为5。还可以按照这样的方式缩小Pod，这个特性在执行滚动升级时很有用。

当创建Replication Controller时，需要指定两个东西：

1. Pod模板：用来创建Pod副本的模板
2. Label：Replication Controller需要监控的Pod的标签。

现在已经创建了Pod的一些副本，那么在这些副本上如何均衡负载呢？我们需要的是Service。

 

 

Service

如果Pods是短暂的，那么重启时IP地址可能会改变，怎么才能从前端容器正确可靠地指向后台容器呢？

Service是定义一系列Pod以及访问这些Pod的策略的一层抽象。Service通过Label找到Pod组。因为Service是抽象的，所以在图表里通常看不到它们的存在，这也就让这一概念更难以理解。

现在，假定有2个后台Pod，并且定义后台Service的名称为‘backend-service’，lable选择器为（tier=backend, app=myapp）。backend-service 的Service会完成如下两件重要的事情：

• 会为Service创建一个本地集群的DNS入口，因此前端Pod只需要DNS查找主机名为 ‘backend-service’，就能够解析出前端应用程序可用的IP地址。
• 现在前端已经得到了后台服务的IP地址，但是它应该访问2个后台Pod的哪一个呢？Service在这2个后台Pod之间提供透明的负载均衡，会将请求分发给其中的任意一个（如下面的动画所示）。通过每个Node上运行的代理（kube-proxy）完成。

下述动画展示了Service的功能。注意该图作了很多简化。如果不进入网络配置，那么达到透明的负载均衡目标所涉及的底层网络和路由相对先进。

 

 

有一个特别类型的Kubernetes Service，称为'LoadBalancer'，作为外部负载均衡器使用，在一定数量的Pod之间均衡流量。比如，对于负载均衡Web流量很有用。

 

Node

节点（上图橘色方框）是物理或者虚拟机器，作为Kubernetes worker，通常称为Minion。每个节点都运行如下Kubernetes关键组件：

• Kubelet：是主节点代理。
• Kube-proxy：Service使用其将链接路由到Pod，如上文所述。
• Docker或Rocket：Kubernetes使用的容器技术来创建容器。

 

Kubernetes Master

集群拥有一个Kubernetes Master（紫色方框）。Kubernetes Master提供集群的独特视角，并且拥有一系列组件，比如Kubernetes API Server。API Server提供可以用来和集群交互的REST端点。master节点包括用来创建和复制Pod的Replication Controller。

 

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原文链接：Learn the Kubernetes Key Concepts in 10 Minutes（翻译：崔婧雯） 
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译者介绍
崔婧雯，现就职于IBM，高级软件工程师，负责IBM WebSphere业务流程管理软件的系统测试工作。曾就职于VMware从事桌面虚拟化产品的质量保证工作。对虚拟化，中间件技术，业务流程管理有浓厚的兴趣。