背景

這是在HWL負(fù)責(zé)網(wǎng)校云業(yè)務(wù)線測試時，給同事分享的基礎(chǔ)概念文檔。

目錄：

一. Docker核心概念

二. Kubernetes是什么及架構(gòu)

三. Kubernetes核心概念

四. Deployment部署Pod操作

一、Docker核心概念

 

1、為什么是Docker

虛擬機(jī)：

基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）。服務(wù)器，或者是云主機(jī)。

主操作系統(tǒng)（Host Operating System）。服務(wù)器上運(yùn)行的操作系統(tǒng)

虛擬機(jī)管理系統(tǒng)（Hypervisor）。利用Hypervisor，可以在主操作系統(tǒng)之上運(yùn)行多個不同的從操作系統(tǒng)。

從操作系統(tǒng)（Guest Operating System）。假設(shè)你需要運(yùn)行3個相互隔離的應(yīng)用，則需要使用Hypervisor啟動3個從操作系統(tǒng)，也就是3個虛擬機(jī)。這些虛擬機(jī)都非常大，也許有700MB，這就意味著它們將占用2.1GB的磁盤空間。更糟糕的是，它們還會消耗很多CPU和內(nèi)存。

各種依賴。每一個從操作系統(tǒng)都需要安裝許多依賴。

應(yīng)用。安裝依賴之后，就可以在各個從操作系統(tǒng)分別運(yùn)行應(yīng)用了，這樣各個應(yīng)用就是相互隔離的。

Docker：

Docker守護(hù)進(jìn)程（Docker Daemon）。Docker守護(hù)進(jìn)程取代了Hypervisor，它是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的后臺進(jìn)程，負(fù)責(zé)管理Docker容器。

各種依賴。對于Docker，應(yīng)用的所有依賴都打包在Docker鏡像中，Docker容器是基于Docker鏡像創(chuàng)建的。

應(yīng)用。應(yīng)用的源代碼與它的依賴都打包在Docker鏡像中，不同的應(yīng)用需要不同的Docker鏡像。不同的應(yīng)用運(yùn)行在不同的Docker容器中，它們是相互隔離的。

對比虛擬機(jī)與Docker

Docker守護(hù)進(jìn)程可以直接與主操作系統(tǒng)進(jìn)行通信，為各個Docker容器分配資源；它還可以將容器與主操作系統(tǒng)隔離，并將各個容器互相隔離。虛擬機(jī)啟動需要數(shù)分鐘，而Docker容器可以在數(shù)毫秒內(nèi)啟動。由于沒有臃腫的從操作系統(tǒng)，Docker可以節(jié)省大量的磁盤空間以及其他系統(tǒng)資源。

2、Docker 架構(gòu)

 

Docker使用客戶端 - 服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，使用遠(yuǎn)程API管理和創(chuàng)建Docker 容器。Docker 客戶端與Docker 守護(hù)進(jìn)程通信，后者負(fù)責(zé)構(gòu)建、運(yùn)行和分發(fā)Docker容器。

Docker客戶端和守護(hù)進(jìn)程可以在同一系統(tǒng)上運(yùn)行，也可以將Docker客戶端連接到遠(yuǎn)程Docker守護(hù)進(jìn)程。Docker客戶端和守護(hù)進(jìn)程使用REST API，通過UNIX套接字或網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信。

Client
客戶端通過命令行或其他工具與守護(hù)進(jìn)程通信，客戶端會將這些命令發(fā)送給守護(hù)進(jìn)程，然后執(zhí)行這些命令。命令使用Docker API，Docker客戶端可以與多個守護(hù)進(jìn)程通信。

Docker daemon
Docker守護(hù)進(jìn)程（docker daemon）監(jiān)聽Docker API請求并管理Docker對象，如鏡像，容器，網(wǎng)絡(luò)和卷。守護(hù)程序還可以與其他守護(hù)程序通信以管理Docker服務(wù)。

Docker Host
Docker Host是物理機(jī)或虛擬機(jī)，用于執(zhí)行Docker守護(hù)進(jìn)程的倉庫。

Docker Registry
Docker倉庫用于存儲Docker鏡像，可以是Docker Hub這種公共倉庫，也可以是個人搭建的私有倉庫。使用docker pull或docker run命令時，將從配置的倉庫中提取所需的鏡像。使用docker push命令時，鏡像將被推送到配置的倉庫。

Docker Image
Docker 鏡像可以看作是一個特殊的文件系統(tǒng)，除了提供容器運(yùn)行時所需的程序、庫、資源、配置等文件外，還包含了一些為運(yùn)行時準(zhǔn)備的一些配置參數(shù)（如匿名卷、環(huán)境變量、用戶等）。

鏡像可以用來創(chuàng)建 Docker 容器，一個鏡像可以創(chuàng)建很多容器。Docker 提供了一個很簡單的機(jī)制來創(chuàng)建鏡像或者更新現(xiàn)有的鏡像，用戶甚至可以直接從其他人那里下載一個已經(jīng)做好的鏡像來直接使用。

Docker Container
Docker 利用容器來運(yùn)行應(yīng)用。容器是從鏡像創(chuàng)建的運(yùn)行實例。它可以被啟動、開始、停止、刪除。每個容器都是相互隔離的、保證安全的平臺。

可以把容器看做是一個簡易版的 Linux 環(huán)境（包括root用戶權(quán)限、進(jìn)程空間、用戶空間和網(wǎng)絡(luò)空間等）和運(yùn)行在其中的應(yīng)用程序。

3、Docker CLI

 

4、Dockerfile

5、Docker Compose

Compose 是用于定義和運(yùn)行多容器 Docker 應(yīng)用程序的工具。通過 Compose，您可以使用 YML 文件來配置應(yīng)用程序需要的所有服務(wù)。然后，使用一個命令，就可以從 YML 文件配置中創(chuàng)建并啟動所有服務(wù)。

 

6、Docker Swarm 集群管理

Swarm是Docker 引擎內(nèi)置（原生）的集群管理和編排工具，它將 Docker 主機(jī)池轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€虛擬 Docker 主機(jī)。

 

Docker Swarm 適用于簡單和快速開發(fā)至關(guān)重要的環(huán)境，而 Kubernetes 適合大中型集群運(yùn)行復(fù)雜應(yīng)用程序的環(huán)境。

兩者不是競爭對手，各有利弊，因需選擇。

 

二、Kubernetes是什么及架構(gòu)

1、k8s是什么

先來一張Kubernetes官網(wǎng)的截圖，可以看到，官方對Kubernetes的定義：Kubernetes（k8s）是一個自動化部署、擴(kuò)展和管理容器化應(yīng)用程序的開源系統(tǒng)。

Kubernetes 這個單詞是希臘語，它的中文翻譯是“舵手”或者“飛行員”。在一些常見的資料中也會看到“ks”這個詞，也就是“k8s”，它是通過將8個字母“ubernete ”替換為“8”而導(dǎo)致的一個縮寫。 Kubernetes 為什么要用“舵手”來命名呢？

這是一艘載著一堆集裝箱的輪船，輪船在大海上運(yùn)著集裝箱奔波，把集裝箱送到它們該去的地方。Container 這個英文單詞也有另外的一個意思就是“集裝箱”。Kubernetes 也就借著這個寓意，希望成為運(yùn)送集裝箱的一個輪船，來幫助我們管理這些集裝箱，也就是管理這些容器。

這個就是為什么會選用 Kubernetes 這個詞來代表這個項目的原因。更具體一點地來說：Kubernetes 是一個自動化的容器編排平臺，它負(fù)責(zé)應(yīng)用的部署、應(yīng)用的彈性以及應(yīng)用的管理。

2、k8s能做什么

• 服務(wù)的發(fā)現(xiàn)與負(fù)載的均衡 
• 容器的自動裝箱，也會把它叫做 scheduling，就是“調(diào)度”，把一個容器放到一個集群的某一個機(jī)器上，Kubernetes會幫助我們?nèi)プ龃鎯Φ木幣牛尨鎯Φ穆暶髦芷谂c容器的生命周期建立連接
• 容器的自動化恢復(fù)。在一個集群中，經(jīng)常會出現(xiàn)宿主機(jī)的問題，導(dǎo)致容器本身的不可用，Kubernetes會自動地對這些不可用的容器進(jìn)行恢復(fù)
• 應(yīng)用的自動發(fā)布與應(yīng)用的回滾，以及與應(yīng)用相關(guān)的配置密文的管理
• 對于 job 類型任務(wù)，Kubernetes可以去做批量的執(zhí)行
• 為了讓這個集群、這個應(yīng)用更富有彈性，Kubernetes支持容器的水平伸縮

2.1調(diào)度

Kubernetes 可以把用戶提交的容器放到 Kubernetes 管理的集群的某一臺節(jié)點上去。Kubernetes 的調(diào)度器是執(zhí)行這項能力的組件，它會觀察正在被調(diào)度的這個容器的大小、規(guī)格。 

比如，容器所需要的CPU以及它所需要的內(nèi)存，然后在集群中找一臺相對比較空閑的機(jī)器來進(jìn)行一次放置的操作。

2.2 自動修復(fù)

Kubernetes 有節(jié)點健康檢查的功能，它會監(jiān)測這個集群中所有的宿主機(jī)，當(dāng)宿主機(jī)本身出現(xiàn)故障，或者軟件出現(xiàn)故障的時候，這個節(jié)點健康檢查會自動對它進(jìn)行發(fā)現(xiàn)。

接下來 Kubernetes 會把運(yùn)行在這些失敗節(jié)點上的容器進(jìn)行自動遷移，遷移到一個正在健康運(yùn)行的宿主機(jī)上，來完成集群內(nèi)容器的自動恢復(fù)。

2.3 水平伸縮

Kubernetes有業(yè)務(wù)負(fù)載檢查的能力，它會監(jiān)測業(yè)務(wù)上所承擔(dān)的負(fù)載，如果這個業(yè)務(wù)本身的CPU利用率或內(nèi)存占用過高，或者響應(yīng)時間過長，它可以對這個業(yè)務(wù)進(jìn)行一次擴(kuò)容。

比如，下面的例子中，黃顏色的過度忙碌，Kubernetes就可以把黃顏色負(fù)載從一份變?yōu)槿荨＝酉聛恚涂梢酝ㄟ^負(fù)載均衡把原來打到第一個黃顏色上的負(fù)載平均分到三個黃顏色的負(fù)載上去，以此來提高響應(yīng)速度。

3、k8s的架構(gòu)

Kubernetes 架構(gòu)是一個比較典型的二層架構(gòu)和server-client架構(gòu)。Master作為中央管控節(jié)點，與Node建立連接。

所有 UI 的、clients、user側(cè)的組件，只會和Master進(jìn)行連接，把希望的狀態(tài)或者想執(zhí)行的命令下發(fā)給 Master，Master會把這些命令或者狀態(tài)下發(fā)給相應(yīng)的節(jié)點，進(jìn)行最終的執(zhí)行。

• Master

Kubernetes 的Master包含四個主要的組件：API Server、Controller、Scheduler以及etcd。

API Server：提供了資源操作的唯一入口，并提供認(rèn)證、授權(quán)、訪問控制、API注冊和發(fā)現(xiàn)等機(jī)制。

Kubernetes 中所有的組件都會和API Server進(jìn)行連接，組件與組件之間一般不進(jìn)行獨立的連接，都依賴于API Server進(jìn)行消息的傳送；

Controller：控制器，它負(fù)責(zé)維護(hù)集群的狀態(tài)，比如故障檢測、自動擴(kuò)展、滾動更新等。上面的2個例子，第1個自動對容器進(jìn)行修復(fù)、第2個自動水平擴(kuò)張，都是由Controller 完成的；

Scheduler：是調(diào)度器，負(fù)責(zé)資源的調(diào)度，按照預(yù)定的調(diào)度策略將Pod調(diào)度到相應(yīng)的機(jī)器上。例如上面的例子，把用戶提交的pod，依據(jù)它對CPU、memory請求的大小，找一臺合適的節(jié)點，進(jìn)行放置；

etcd：是一個分布式的存儲系統(tǒng)，保存了整個集群的狀態(tài)，比如Pod、Service等對象信息。API Server 中所需要的原信息都被放置在etcd中，etcd本身是一個高可用系統(tǒng)，通過etcd保證整個Kubernetes的Master組件的高可用性。

• Node

Kubernetes 的 Node 是真正運(yùn)行業(yè)務(wù)負(fù)載的，每個業(yè)務(wù)負(fù)載會以 Pod 的形式運(yùn)行。一個 Pod 中運(yùn)行的一個或者多個容器。

kubelet：Master在Node節(jié)點上的Agent，是真正去運(yùn)行 Pod 的組件，也是Node上最關(guān)鍵的組件，負(fù)責(zé)本Node節(jié)點上Pod的創(chuàng)建、修改、監(jiān)控、刪除等生命周期管理，同時Kubelet定時“上報”本Node的狀態(tài)信息到API Server。

它通過 API Server 接收到所需要 Pod 運(yùn)行的狀態(tài)。然后提交到 Container Runtime 組件中。

Container Runtime：容器運(yùn)行時。負(fù)責(zé)鏡像管理以及Pod和容器的真正運(yùn)行（CRI），可以理解為類似JVM

Storage Plugin 或者 Network Plugin：對存儲跟網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理

在 OS 上去創(chuàng)建容器所需要運(yùn)行的環(huán)境，最終把容器或者 Pod 運(yùn)行起來，也需要對存儲跟網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。Kubernetes 并不會直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)存儲的操作，他們會靠 Storage Plugin 或者Network Plugin 來進(jìn)行操作。用戶自己或者云廠商都會去寫相應(yīng)的 Storage Plugin 或者 Network Plugin，去完成存儲操作或網(wǎng)絡(luò)操作。

Kube-proxy：負(fù)責(zé)為Service提供cluster內(nèi)部的服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負(fù)載均衡，完成 service 組網(wǎng)

在 Kubernetes 自己的環(huán)境中，也會有 Kubernetes 的 Network，它是為了提供 Service network 來進(jìn)行搭網(wǎng)組網(wǎng)的。真正完成 service 組網(wǎng)的組件是 Kube-proxy，它是利用了 iptable 的能力來進(jìn)行組建 Kubernetes 的 Network，就是 cluster network。

組件間的通信 

步驟說明：

1. 通過 UI 或者 CLI 提交1個 Pod 給 Kubernetes 進(jìn)行部署，這個 Pod 請求首先會提交給API Server，下一步 API Server 會把這個信息寫入到存儲系統(tǒng) etcd，之后 Scheduler 會通過 API Server 的 watch機(jī)制得到這個信息：有1個Pod 需要被調(diào)度。

2. Scheduler會根據(jù)node集群的內(nèi)存狀態(tài)進(jìn)行1次調(diào)度決策，在完成這次調(diào)度之后，它會向 API Server 報告：“OK！這個 Pod 需要被調(diào)度到XX節(jié)點上。”

API Server 接收后，會把這次的操作結(jié)果再次寫到 etcd 中。

3. API Server 通知相應(yīng)的節(jié)點進(jìn)行這個Pod真正的執(zhí)行啟動。相應(yīng)節(jié)點的 kubelet 會得到通知，然后kubelet 會去調(diào) Container runtime 來真正去啟動配置這個容器和這個容器的運(yùn)行環(huán)境，去調(diào)度 Storage Plugin 來去配置存儲，network Plugin 去配置網(wǎng)絡(luò)。

 

三、Kubernetes核心概念

第一個概念：Pod

Pod 是 Kubernetes 的最小調(diào)度以及資源單元。可以通過 Kubernetes 的 Pod API 生產(chǎn)一個 Pod，讓 Kubernetes 對這個 Pod 進(jìn)行調(diào)度，也就是把它放在某一個 Kubernetes 管理的節(jié)點上運(yùn)行起來。一個 Pod 簡單來說是對一組容器的抽象，它里面會包含一個或多個容器。

比如下圖，它包含了兩個容器，每個容器可以指定它所需要資源大小

當(dāng)然，在這個 Pod 中也可以包含一些其他所需要的資源：比如說我們所看到的 Volume 卷這個存儲資源。

第二個概念：Volume

管理 Kubernetes 存儲，用來聲明在 Pod 中的容器可以訪問的文件目錄，一個卷可以被掛載在 Pod 中一個或者多個容器的指定路徑下面。

而 Volume 本身是一個抽象的概念，一個 Volume 可以去支持多種的后端的存儲。Kubernetes 的 Volume 支持很多存儲插件，可以支持本地的存儲和分布式的存儲，比如像 ceph，GlusterFS；也可以支持云存儲，比如阿里云上的云盤、AWS 上的云盤、Google 上的云盤等等。

第三個概念：Deployment

Deployment 是在Pod上更為上層的一個抽象，它可以定義一組Pod 的副本數(shù)目、以及Pod的版本。一般用Deployment來做應(yīng)用的真正的管理，而Pod是組成Deployment最小的單元。

Kubernetes通過 Controller（控制器）維護(hù)Deployment中Pod 的數(shù)目，Controller也會去幫助Deployment自動恢復(fù)失敗的Pod。

比如，可以定義一個Deployment，這個Deployment里面需要2個Pod，當(dāng)1個Pod失敗的時候，控制器就會監(jiān)測到，再去新生成1個Pod，把Deployment中的Pod數(shù)目從1個恢復(fù)到2個。通過控制器，也可以完成發(fā)布策略，比如進(jìn)行滾動升級、重新生成的升級或者進(jìn)行版本回滾。

第四個概念：Service

Service：提供1個或者多個 Pod 實例的穩(wěn)定訪問地址

比如，一個 Deployment 可能有2個甚至更多個完全相同的 Pod。對于外部的用戶來講，訪問哪個 Pod 都是一樣的，所以希望做一次負(fù)載均衡，在做負(fù)載均衡的同時，只需要訪問某一個固定的 VIP，也就是 Virtual IP 地址，而不需要得知每一個具體的 Pod 的 IP 地址。

如果1個 Pod 失敗了，可能會換成另外一個新的。提供了多個具體的 Pod 地址，對外部用戶來說，要不停地去更新 Pod 地址。當(dāng)這個 Pod 再失敗重啟之后，如果有一個抽象，把所有 Pod 的訪問能力抽象成1個第三方的 IP 地址，實現(xiàn)這個的 Kubernetes 的抽象就叫 Service。

實現(xiàn) Service 有多種入口方式： 

• ClusterIP：Service 在集群內(nèi)的唯一 ip 地址，我們可以通過這個 ip，均衡的訪問到后端的 Pod，而無須關(guān)心具體的 Pod。
• NodePort：Service 會在集群的每個 Node 上都啟動一個端口，我們可以通過任意Node 的這個端口來訪問到 Pod。
• LoadBalancer：在 NodePort 的基礎(chǔ)上，借助公有云環(huán)境創(chuàng)建一個外部的負(fù)載均衡器，并將請求轉(zhuǎn)發(fā)到 NodeIP:NodePort。
• ExternalName：將服務(wù)通過 DNS CNAME 記錄方式轉(zhuǎn)發(fā)到指定的域名（通過 spec.externlName 設(shè)定）。

第五個概念：Namespace

Namespace：用來做一個集群內(nèi)部的邏輯隔離，包括鑒權(quán)、資源管理等。Kubernetes 的每個資源，比如Pod、Deployment、Service 都屬于一個 Namespace，同一個 Namespace 中的資源需要命名的唯一性，不同的 Namespace 中的資源可以重名。

K8S的API

Kubernetes API 是由 HTTP+JSON 組成的：用戶訪問的方式是HTTP，訪問API 中 content 的內(nèi)容是JSON格式的。

用Kubectl 命令、Kubernetes UI或者Curl，直接與Kubernetes交互都是使用 HTTP + JSON 的形式。

如下圖，對于這個Pod類型的資源，它的HTTP訪問的路徑就是 API，apiVesion: V1, 之后是相應(yīng)的Namespaces，以及Pods資源，最終是 Podname，也就是Pod的名字。

當(dāng)提交一個 Pod，或者 get 一個 Pod 的時候，它的 content 內(nèi)容都是用JSON 或者是YAML表達(dá)的。上圖中YAML的例子，在這個YAML文件中，對Pod資源的描述分為幾個部分。

第一個部分，一般是 API 的 version。比如在這個例子中是 V1，它也會描述我在操作哪個資源； kind 如果是 pod，在 Metadata 中，就寫上這個 Pod 的名字；比如nginx。也會給pod打一些 label，在 Metadata 中，有時候也會去寫 annotation，也就是對資源的額外的一些用戶層次的描述。

比較重要的一個部分叫 Spec，Spec 也就是希望 Pod 達(dá)到的一個預(yù)期的狀態(tài)。比如pod內(nèi)部需要有哪些 container 被運(yùn)行；這里是一個name為nginx 的 container，它的 image 是什么？它暴露的 port 是什么？

當(dāng)從 Kubernetes API 中去獲取這個資源的時候，一般在 Spec 下面會有一個status字段 ，它表達(dá)了這個資源當(dāng)前的狀態(tài)；比如一個 Pod 的狀態(tài)可能是正在被調(diào)度、或者是已經(jīng) running、或者是已經(jīng)被 terminates（被執(zhí)行完畢）。

Label是一個比較有意思的 metadata，可以是一組KeyValue的集合。

如下圖，第一個 pod 中，label 就可能是一個 color 等于 red，即它的顏色是紅顏色。當(dāng)然也可以加其他 label，比如說 size: big 就是大小，定義為大的，它可以是一組label。

這些 label 是可以被 selector（選擇器）所查詢的。就好比sql 類型的 select 語句。

通過label，kubernetes 的API層就可以對這些資源進(jìn)行篩選。

例如，Deployment可能代表一組Pod，是一組Pod 的抽象，一組Pod就是通過label selector來表達(dá)的。當(dāng)然Service對應(yīng)的一組Pod來對它們進(jìn)行統(tǒng)一的訪問，這個描述也是通過label selector來選取的一組Pod。

四、Depolyment部署pod操作

屏幕。。。

轉(zhuǎn)自https://www.cnblogs.com/ailiailan/p/18522478