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[k8s]Kubernetes简介

alwaysrun 2024-07-01 11:59:31
简介[k8s]Kubernetes简介

文章目录

容器管理工具可以完成容器的基础管理，但是容器的应用并不是只能进行简单应用部署的，可以使用容器完成企业中更加复杂的应用部署，当需要对多应用的系统进行部署时，就需要更加复杂的工具来完成对容器运行应用的编排，这就是容器编排部署工具。

Kubernetes介绍

k8s是一个轻便的和可扩展的开源平台，用于管理多个主机上的容器化的应用，让部署容器化的应用简单并且高效，提供了应用部署、规划、更新、维护的一种机制，能进行应用的自动化部署及扩缩容。
在这里插入图片描述

k8s集群是Master和Worker的模式：

  • Master节点上有kube-apiserver、kube-controller-mansger、kube-scheduler以及etcd进程，分别用于接收客户端请求并控制集群、资源对象的控制中心并监控容器健康、资源调度、资源对象数据存储等功能
  • Worker节点上有kubelet、kube-proxy、docker，分别用于管理Pod及Pod容器并定时向Master汇报节点资源信息、实现Service的透明代理及负载均衡、运行容器。

术语

k8s中概念与术语大多围绕资源对象（Resource Object），其一般包括几个通用属性：版本、类别（Kind）、名称、标签和注解。

  • 对象的名称要唯一；
  • 对象的标签很重要（如表明对象的特征、类别）；
  • 注解通常用于对象属性的自定义扩展；

Label

Label（标签）是一个key=value的键值对，可以附加到任何资源上。例如Node，Pod，Service，RC等，一个资源对象可以定义多个Label，一个Label可以被添加到多个资源上，通常在资源定义时确定，也可在在对象创建后动态添加或删除。

给资源对象定义个Label，就相当于给他打了一个标签；随后，可通过Label Selector（标签选择器）查询或筛选拥有某些Label的资源对象。标签匹配：

  • {key}={value}：匹配所有拥有{key}={value}标签的资源；
  • {key}！={value}：匹配所有不具有{key}={value}标签的资源；
  • {key} in ({v1}, {v2}：匹配任意指定的标签；
  • {key} not in ({v1}, {v2}：匹配不具有指定的标签；
  • AND操作：通过逗号组合多个选择条件，如name=redis, env!=test

label定义在metadata中：

metadata:
  name: redis
  labels:
    name: redis
    app: red-example

StatefulSet

StatefulSet用于有状态的中间件集群（每个节点有固定身份ID，规模固定，每个节点有状态且持久化数据到永久存储中）：

  • StatefulSet里的每个Pod都有稳定、唯一的网络标识，可以用来 发现集群内的其他成员。假设StatefulSet的名称为kafka，那么第1个Pod 叫kafka-0，第2个叫kafka-1，以此类推。
  • StatefulSet控制的Pod副本的启停顺序是受控的，操作第n个Pod 时，前n-1个Pod已经是运行且准备好的状态。
  • StatefulSet里的Pod采用稳定的持久化存储卷，通过PV或PVC来 实现，删除Pod时默认不会删除与StatefulSet相关的存储卷（为了保证数 据的安全）。

STS模式下的POD中，可通过{pod-name}.{service}来访问节点。

存储类

存储类对象包括Volume、PersistentVolume、PVC和StorageClass

Volume

Volume是Pod中能够被多个容器访问的共享目录，k8s的Volume定义在Pod上，然后被Pod的多个容器挂载到具体的文件目录下；与Pod的生命周期相同，与容器的生命周期无关，当容器终止或重启时，Volume中的数据也不会丢失。

先在Pod上声明一个Volume，然后在容器中引用该Volume并Mount到容器中的某个目录上

spec:
  volumes:
  - name: datavol
    emptyDir: {}
  containers:
  - name: test-volume
    image: tomcat
    volumeMounts:
    - mountPath: /mydata-data
      name: datavol

k8s提供了丰富的volume类型：

  • emptyDir：在Pod分配到Node时创建的，初始内容为空，无需指定宿主机上对应的目录文件，K8S自动分配，当Pod从Node上移除时，emptyDir中的数据也会被永久删除。可用于：
    • 临时空间
    • 长时间任务的中间过程CheckPoint的临时保存目录
    • 一个容器需要从另一个容器中获取数据的目录（多容器共享目录）
    • 使用的是节点的存储介质，可通过设定emptyDir.medium为Memory以使用内存（会被记入容器的内存消耗，受到资源限制和配额机制的管理）
  • hostPath：在Pod上挂载宿主机上的文件或目录。可用于：
    volumes:
- name: hostpath
  hostpath:
    path: "/path"
    • 容器生成的日志需要永久保存时
    • 需要访问宿主机上的Docker引擎内部数据结构的容器应用时，可以通过定义hostPath为宿主机/var/lib/docker目录，使容器内部应用可以直接访问Docker的文件系统。
  • NFS：使用NFS网络文件系统提供的共享目录存储数据时，需在系统中部署一个NFS Server。
    volumes:
- name: nfs
nfs:
    server: {nfs-server address}
    path: "/"

Persistent Volume

Persistent Volume(PV)和与之关联的Persistent Volume Claim（PVC）是一块网络存储，挂接到虚机上的‘网盘’。PV是K8s集群中某个网络存储中对应的的一块存储，与Volume相似，但有以下区别：

  • PV只能是网络存储，不属于任何Node，但可以在任何Node上访问。
  • PV并不是定义在Pod上的，而是独立于Pod之外定义的。
  • PV目前只有几种类型：GCE Persistent Disks、NFS、RBD、iSCSCI、AWS ElasticBlockStore、GlusterFS
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pvtest
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  nfs:
    server: {nfs-server address}
    path: /path

PV的accessModes属性，目前有以下几种类型：

  • ReadWriteOnce：读写权限，并且只能被单个Node挂载
  • ReadOnlyMany：只读权限，允许被多个Node挂载
  • ReadWriteMany：读写权限，允许被多个Node挂载

某个Pod想申请某种条件的PV，则首先需要定义一个Persistent Volume Claim（PVC）对象

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: myclaim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 8Gi

然后，在Pod的Volume定义中引用上述PVC即可

volumes:
- name: pvtest
  persistentVolumeClaim:
    claimName: myclaim

PV有以下几种状态：

  • Available：空闲状态
  • Bound：已经绑定到某个PVC上
  • Released：对应的PVC已经删除，但资源还没有被集群回收
  • Failed：PV自动回收失败。

IP地址

k8s中有三种网络（每种代表不同的寻址空间）：

  • Node IP：Node节点IP地址，包含内部（集群节点间访问）和外部IP地址；
  • Pod IP：访问Pod（仅限集群内部访问），Pod挂掉重启后会改变；
  • Cluster IP：是访问Service的IP地址（仅能从内部访问）；该服务提供通过标签管理Pod的功能（Pod重启后，IP地址改变，但标签不变）；
  • External IP：提供从外部访问Service访问的功能；

Node IP

Node IP是k8s集群中每个节点物理网卡的IP地址（真实存在的），查询Node IP：

kubectl get nodes # 获取节点名称
kubectl describe node {node-name} # 显示node详情，其中Address下的InternalIP字段即为Node IP 

# 或直接查询
kubectl get nodes -o wide

Pod IP

是Docker Engine根据网桥的IP地址段分配的（通常为虚拟的二层网络）

kubectl get pods [-n admin] # 获取所有（admin空间下）的pod
kubectl describe pod [-n admin] {pod-name} # 获取pod的详情，IP字段即为分配的IP地址

# 或直接查询
kubectl get pod [-n admin] -o wide

Service Cluster IP

Service是Kubernetes最核心的概念，通过创建Service，可以为一组具有相同功能的容器用用提供一个统一的入口地址，并且将请求进行负载分发到后端的各个容器应用上。

kubectl get svc [-n admin]  # 查询cluster IP

Service的Cluster IP（集群IP，是一个虚拟的IP）：

  • 仅仅作用于kubernetes Service这个对象，并由Kubernetes管理和分配IP地址；
  • 无法被ping；
  • 只能结合Service Port组成一个具体的通信端口，单独的Cluster IP不具备TCP/IP通信的基础；

External IP

xternal IP是为了解决如何从外部访问service服务的，外部访问Service的方式有两种：

  • 通过设置nodePort映射到物理机，同时设置Service的类型为NodePort；
  • 通过设置LoadBalancer映射到云服务上提供的LoadBalancer地址（仅适用公用云）。

Pod

Kubernetes使用Pod来管理容器。每个Pod都有个一个特殊的Pause容器（称为‘根容器’），其对应的镜像属于Kubernetes平台一部分；除此之外，Pod还包含一个或多个用户业务容器。

  • Pod是调度（以及复制管理）的基本单位，让多个应用进程一起有效地调度和伸缩。
  • Pod中容器，共享PID、IPC、Network 和UTS namespace。

K8S对长时间运行容器的要求是：其主程序要一直在前台运行。

Pod定义

定义包含一个容器的Pod：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata: # 定义Pod元数据
  nam: nginx-test
  labels:
    app: nginx-test
spec: # 容器详细定义
  containers:
  - name: nginx-test
    image: nginx:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - containerPort: 80

containers是Pod中的容器列表：

spec:
  containers:  #容器列表
  - name: string  #容器名称
    image: string  #所用镜像
    imagePullPolicy: [Always|Never|IfNotPresent]  #镜像拉取策略
    command: [string]  #容器的启动命令列表
    args: [string]  #启动命令参数列表
    workingDir: string  #工作目录
    volumeMounts:  #挂载在容器内部的存储卷配置
    - name: string  #共享存储卷名称
      mountPath: string  #存储卷绝对路径
      readOnly: boolean  #是否只读
    ports:  #容器需要暴露的端口号列表
    - name: string  #端口名称
      containerPort: int  #容器监听端口
      hostPort: int  #映射宿主机端口
      protocol: string  #端口协议
    env:  #环境变量
    - name: string
      value: string
    - name: INJECT_POD_IP
      valueFrom:
        fieldRef:
          fieldPath: status.podIP
    - name: INJECT_SERVICE_ACCOUNT
      valueFrom:
        fieldRef:
          fieldPath: spec.serviceAccountName
    resources:  #资源限制
      limits:
        cpu: string  #单位是core
        memory: string  #单位是MiB、GiB
    livenessProbe:  #探针，对Pod各容器健康检查的设置，如几次无回应，则会自动重启
      exec:
        command: [string]
      httpGet:
        path: string
        port: number
        host: string
        scheme: string
        httpHeaders:
        - name: string
          value: string
      tcpSocket:
        port: number
      initialDelaySeconds: 0  #启动后多久进行检测
      timeoutSeconds: 0  #超时时间
      periodSeconds: 0  #间隔时间
      successThreshold: 0  #
      failureThreshold: 0
    securityContext: #权限设置
      privileged: false  #是否允许创建特权模式的Pod
  volumes:
  - name: podinfo
    downwardAPI:
      items:
      - path: "labels"
        fieldRef:
          fieldPath: metadata.labels
      - path: "annotations"
        fieldRef:
          fieldPath: metadata.annotations

环境变量注入：

  • 通过valueFrom，可把Pod或container信息注入到容器运行环境，方便获取；
  • 通过downwardAPI，可把Pod或container信息挂载为文件（如上，会挂载后会在目录下生成labels和annotations两个文件）；

Pod生命周期与重启策略

系统为Pod定义了各种生命周期状态：

状态值说明
PendingPod已创建，但Pod内的容器（一个或多个）镜像还没创建（包括在下载过程中）
RunningPod内的所有容器以创建，且至少一个容器处于运行状态、启动状态或正在重启
SucceededPod内所有容器均成功执行后退出（且不会再重启）
FailedPod内所有容器均已退出（且至少一个退出状态为失败）
Unknown由于某些原因无法获取该Pod的状态（如网络通讯问题等）

Pod的重启策略（RestartPolicy）应用于Pod内的所有容器，包括：

  • 重启间隔为sync-frequency*2n（n为1、2、4、8…，最长为5分钟)；成功重启10分钟后重置改间隔。
策略说明
Always容器失效时，kubelet自动重启改容器
OnFailure容器终止且退出码不为0时，重启
Never不会重启

NodeSelector（定向调度）

K8S的Scheduler服务负责Pod的调度（通常无法知道Pod最终会被调度到哪个节点上，但实际可通过标签来指定调度到的Node）：

  • 给Node打标签：kubectl label nodes {node-name} {lbl-key}={lal-value}；
  • 在Pod定义中添加nodeSelector设置：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: redis-deploy
  labels:
    app: redis-app
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: redis-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: redis-app
    spec:
      containers:
      - name: redis-pod
        image: kubeguide/redis-master
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
          - containerPort: 6379
      # 选择有SSD硬盘的Node
      nodeSelector:
        disk-type: ssd

指定选择标签后，若未找到指定标签的Node，即使有其他空余Node，也无法正常调度。K8S还给Node预定义了一些标签：

  • kubernetes.io/hostname
  • kubernetes.io/os
  • kubernetes.io/arch

NodeAffinity（亲和性调度）

NodeAffinity为亲和性调度策略（用于替换NodeSelector）：

  • RequiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：必须满足指定规则（与NodeSelector类似，为硬限制）；
  • PreferredDuringSchedulingIgnoreDuringExecution：优先满足，尝试调度指定Node（为软限制）；
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-node-affinity
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:
          - key: disk-type
            operator: In
            values:
            - ssd
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: google/pause

NodeAffinity语法支持操作符有：In, NotIn, Exists, DoesNotExit, Gt, Lt；有多个matchExpressions时，需满足所有才匹配。

PodAffinity（Pod亲和性）

Affinity标识多个Pod在同一拓扑域中共存；而Anti Affinity标识多个Pod在同一拓扑域中互斥。K8S内置了一下常用拓扑域：

  • topology.kubernetes.io/region
  • topology.kubernetes.io/zone

要求新Pod与security=s1的Pod在同一Zone；但不与app=nginx的Pod在同一个Node；

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: anti-affinity
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: security
            operator: In
            values:
            - s1
        topologyKey: topology.kubernetes.io/zone
    podAntiAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app
            operator: In
            values:
            - nginx
        topologyKey: kubernetes.io/hostname

  containers:
  - name: anti-affinity
    image: k8s.gcr.io/pause:3.1

ConfigMap

ConfigMap是k8s的一个配置管理组件，可以将配置以key-value的形式传递（通常用来保存不需要加密的配置信息，加密信息则需用到Secret）主要用来应对以下场景：

  • 将配置信息和docker镜像解耦；
  • 多个服务共用配置的情况；

有三种常见创建方式：

  • 通过yaml/json文件创建（推荐）： kubectl create -f configmap.yaml
    apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata: 
  name: test-conf
  namespace: test
data: # 两个键key1、conf
  key1：value1
  conf: |+
    SESSION_LIFETIME: 3600
    URL: "http://test-server:8080"
  • 通过–from-file创建：kubectl create configmap {cm-name} --from-file=app.properties （文件名作为key，整个内容作为键）
    key.1 = value-1
key.2 = value-2
  • 通过key-value字符串创建：kubectl create configmap {cm-name} --from-literal=key1=value1 --from-literal=key2=value2

通过create方式创建若已存在，则报错；可通过以下方式更新（不存在时自动创建）：

kubectl create configmap nginx-config --from-file first.yaml --from-file second.yaml -o yaml --dry-run=client | kubectl apply -f -

用户配置文件：

  • 将配置文件内容保存到ConfigMap中：key为文件名，value为文件内容；
  • 在Pod配置文件中，将ConfigMap定义为特殊的Volume进行挂载。当Pod创建时，ConfigMap中配置文件会自动还原到Node本地目录，并映射到Pod里；
  • 当ConfigMap内容修改后，K8s会自动重新获取，并更新节点上对应的文件。
风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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