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【云原生|探索 Kubernetes 系列 7】探究 Pod 有什么用，为什么需要它

秋意零 2024-07-15 06:01:02
简介【云原生|探索 Kubernetes 系列 7】探究 Pod 有什么用，为什么需要它

前言

大家好，我是秋意零。

前一篇，我们介绍了如何从 0 到 1 搭建 Kubernetes 集群。现在我们可以正式了解，Kubernetes 核心特征了。

今天我们来探究 Pod，为什么需要 Pod？

? 简介

  • ? 个人主页： 秋意零
  • ? 个人介绍：在校期间参与众多云计算相关比赛，如：? “省赛”、“国赛”，并斩获多项奖项荣誉证书
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系列文章目录

【云原生|探索 Kubernetes-1】容器的本质是进程
【云原生|探索 Kubernetes-2】容器 Linux Cgroups 限制
【云原生|探索 Kubernetes 系列 3】深入理解容器进程的文件系统
【云原生|探索 Kubernetes 系列 4】现代云原生时代的引擎
【云原生|探索 Kubernetes 系列 5】简化 Kubernetes 的部署，深入解析其工作流程


正文开始：

  • 快速上船，马上开始掌舵了（Kubernetes），距离开船还有 3s，2s，1s…

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一、最小管理单元介绍

在 Kubernetes 中所有特征性服务，如：Pod、Service、Deployment、DaemonSet 等。像这些都是 Kubernetes 中的 API 对象，都提供了一个 API 接口，并可以通过这些对象接口实现调用，也就是我们常说的： “API 接口调用”。如果后期有需求的话，本专栏也会包含这部分的内容哦！！

Pod 是 Kubernetes 中最小的 API 对象，或者说是最小的部署和管理单元。

下面我们看看，ChatGPT 详解介绍的 Pod：

  • 在这里插入图片描述

二、为什么 Kubernetes 需要 Pod ？

回答这个问题之前，我们回忆一下我们在读本专栏第 1 篇文章时讲过的，容器的本质是进程。

容器是进程，容器镜像就相当于 windows 系统中的 “.exe” 安装包，而 Kubernetes 就是操作系统。

来感受一下

我们在 Linux 机器上，安装 pstree 命令，需要执行以下指令：

# 1.查找 pstree 命令的依赖包
$ yum provides pstree
...
psmisc-22.20-17.el7.x86_64 : Utilities for managing processes on your system
...

$ yum install -y psmisc-22.20-17.el7.x86_64

pstree 命令，以树状图形式显示进程信息：

我们发现操作系统中的进程，并不是单个独自运行的，而是以进程组的方式，相互协作组织在一起。

  • 图中，我们可以看到，框出的地方：master 进程 id 是 1134，而它还包含了两个进程 pickup 和 qmgr 进程 id 也是 1134。它们同属于 1134 进程组，这些进程相互协作，共同完成 master 程序的职责。（好笑的是：我并不知道，master 这个进程的作用）

在这里插入图片描述

注意：上诉中，提到的 pickup 和 qmgr “进程” 其实是 Linxu 系统中的 “线程”。这些线程，可以共享文件、信号、数据内存、甚至部分代码，从而紧密协作共同完成一个程序的职责。

这样一来我们就能理解 Pod 了吧，Kubernetes 项目所做的，其实就是将 “进程组” 的概念映射到了容器技术中：

  • Pod 里面包含了容器，Pod 里面的容器看作是 Pod 的线程，而 Pod 看作是一个进程组，运行在操作系统中，也就是我们这里的 Kubernetes 中。从而 Pod 成为 Kubernetes 操作系统中的 “一等公民”。

这么做的原因

在 Borg 项目的开发和实践过程中，工程师发现，他们部署的应用，一般都存在类似 “进程和进程组” 的关系，应用之间有着密切的协作关系，使得它们必须部署在同一台机器上。所以我们上图中的 master 进程和其 pickup 和 qmgr “子进程”，必须在同一台机器上，否则它们之间的 Socket 通信和文件交换，都会出现问题。

1.容器的 “单进程模型”:

  • 单进程模型，这句话是说：不是只能运行一个进程，而是不具备管理多个进程的能力。因为容器的 PID=1 的进程就是自己应用本身，其他的进程都是这个 PID=1 进程的子进程。所以 PID=1 的进程应用，一般是不会具有像操作系统里面的 init （初始化）进程或者systemd 进程管理 的功能。
  • 举个例子，比如：现在容器中有个 PID=1 的 Web 应用，然后你进入容器在里面安装启动了一个 Nginx 进程 PID=3。当 Nginx进程异常退出的时候，你是不知道的，退出后它的内存垃圾回收等工作，PID=1 的 Web 应用是不会理睬的，这种情况下 PID=1 的进程是被宿主机管理的，而其他进程就没有谁来管理了。

总结：容器不提倡单进程不是因为不能运行多个进程，而是因为没有 systemd 这种功能的 1 号进程来管理程序。

2.举个例子：

而由于，容器的 “单进程模型”，master 进程组必须被部署在不同的三个容器中，假设这三个容器，设置的内存配额都至少需要 1 GB。如果，我们的 Kubernetes 集群上有两个节点：node-1 上有 3 GB 可用内存，node-2 有 2.5 GB 可用内存。

  • 这时，假设我要用 Docker Swarm 来运行这个 master 程序。为了能够让这三个容器都运行在同一台机器上，我就必须在另外两个容器（pickup 和 qmgr）上设置一个 affinity=master （与 master 容器有亲和性）的约束，即：pickup 和 qmgr 它们俩必须和 master 容器运行在同一台机器上。

    • 亲和性：指和谁比较熟悉或者喜欢谁，它们俩就会靠近在一起。比如：小明和小红，小明喜欢小红，而开始它们被分配到了不同班级，这时候由于喜欢（亲和性）小红，小明就要求老师给他转到和小红一个班去。

  • 然后，我们 docker run master 、docker run pickup 、 docker run qmgr 启动这三个容器。

  • 这三个容器进入 Swarm 的调度队列，然后，master 和 pickup 容器都先后被调度到 node-2 上（这种情况是完全有可能的）。当 qmgr 容器被开始调度时，Swarm 都懵逼了：node-2 上本来 2.5 GB 的可用内存，运行了 master 和 pickup 容器现在就剩下 0.5 GB 了，不足以运行 qmgr 容器，可是，根据 affinity=master 的约束，qmgr 容器又只能运行在 node-2 上。

这就是成组调度没有被处理成功的例子。而 Kubernetes 就把这个问题完美解决了：因为 Pod 是 Kubernetes 中最小的调度单元，这就说明 Kubernetes 是按照 Pod 而不是容器资源需求来调度计算的。

所以，像上面的 master 、pickup 、 qmgr 这三个容器。在 Kubernetes 中，我们会将他们组成一个 Pod。这个 Pod 要求的内存资源是 3 GB，在调度的时候 Kubernetes 就直接会将它调度到 node-1 节点（3 GB）上，而不会考虑 node-2 节点（2.5GB）上。

这样它们之间就能进行文件交换、使用 localhost 或者 Socket 文件进行本地通信、会发生非常频繁的远程调用、需要共享某些 Linux Namespace（比如，一个容器要加入另一个容器的 Network Namespace）等等。像这样容器间的紧密协作，我们可以称为 “超亲密关系”。

也意味着，不是所有容器都应该属于一个 Pod。比如：Wordpres 系统，一个 Web 前端和 Mysql 后端，它们之间有访问关系，但是没有必要做成一个 Pod ，适合做两个 Pod。

三、容器设计模式

如果只是处理 “超亲密关系” 调度问题，那么就可以不使用 Pod 啊？为什么 Kubernetes 中最小的单元还是 Pod 呢？

那就是 Pod 还有一个更重要的意义：容器设计模式。

为了理解这一层含义，我就必须先给你介绍一下 Pod 的实现原理。

Pod 实现原理

Pod 是一个逻辑概念，我们看不见摸不着。Kubernetes 真是处理的，还是宿主机中的 Namespace 和 Cgroups，所以隔离环境不是什么 Pod。

Pod 又是怎么定义和创建的呢？：

  • Pod 其实是一组共享了网络（Network Namespace）和卷（Volume）的容器组成的。

    • 这样的话就是，包含有 A、B 两个容器的 Pod，就等于一个容器（A）共享另一个容器（B）的网络和卷的操作。
$ docker run --net=B --volumes-from=B --name=A image-A

这样的话，容器 A 就依赖于容器 B，所以对应在 Pod 中它们的关系就是拓扑关系，而不是对等关系了。

为了打破这种， 容器 A 依赖于容器 B 的拓扑关系，Pod 中最开始就创建了一个中间容器，叫 Infra 容器。这个 Infra 容器，在 Pod 生命周期中是第一个创建的容器，这样像 A 和 B 或者其它容器只需要加入这个 Infra 容器提供网络（Network Namespace）和卷，就可以与之关联起来了，也就组成了我们的 Pod，所以 Pod 中的容器使用的是同一个 Linxu Namespace 。如下图所示：

  • Infra 容器一定要占用极少的资源，所以它使用的是一个非常特殊的镜像，k8s.gcr.io/pause。这个镜像是一个用汇编语言编写的、永远处于 “暂停” 状态的容器，解压后的大小也只有 100~200 KB 左右。

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共享网络

由于，Pod 中的容器 A 和容器 B 是加入的在 Infra 容器中的，所以：

  1. 他们之间可以直接使用 localhost 进行通信；
  2. 一个 Pod 只有一个 IP 地址，也就是这个 Pod 的 Network Namespace 对应的 IP 地址，所以 Pod IP 和 容器 IP 是一样的。
  3. 当然，其他的所有网络资源，都是一个 Pod 一份，并且被该 Pod 中的所有容器共享；
  4. Pod 的生命周期只跟 Infra 容器一致，而与容器 A 和 B 无关。

而对于同一个 Pod 里面的所有用户容器来说，它们的进出流量，也可以认为都是通过 Infra 容器完成的。如果你要为 Kubernetes 开发一个网络插件时，应该重点考虑的是如何配置这个 Pod 的 Network Namespace，而不是每一个用户容器如何使用你的网络配置，这是没有意义的。

所以 Pod IP 和 容器 IP 是一样的，验证过程：

  • 1.首先创建一个 Pod，当中包含一个 busybox 和一个 centos 容器
# 以 yaml 格式打印输出出来，一般用于生成模板
[root@master01 ~]# kubectl run qyl-centos --image=centos -oyaml --dry-run
W0530 18:08:54.937948   30966 helpers.go:663] --dry-run is deprecated and can be replaced with --dry-run=client.
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  creationTimestamp: null
  labels:
    run: qyl-centos
  name: qyl-centos
spec:
  containers:
  - image: centos
    name: qyl-centos
    resources: {}
  dnsPolicy: ClusterFirst
  restartPolicy: Always
status: {}

[root@master01 ~]# cat busybox-pod.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    run: centos-busybox
  name: centos-busybox
spec:
  containers:
  - image: busybox
    name: busybox
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command: [ "/bin/sh", "-c", "sleep 3600" ]
  - image: centos
    name: qyl-centos-buxybox
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command: [ "/bin/bash", "-c", "--" ]
    args: [ "while true; do sleep 30; done;" ]

[root@master01 ~]# kubectl apply -f busybox-pod.yaml
pod/qyl-centos created
  • 2.查看 Pod 和里面容器的 IP 地址一致。
kubectl get pod -o wide | grep centos-busybox
kubectl exec -it pod/centos-busybox -c busybox -- ip a
kubectl exec -it pod/centos-busybox -c qyl-centos-buxybox -- ip a

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共享卷

Kubernetes 项目只要把所有 Volume 的定义都在 Pod 层级即可（和 Pod 是兄弟）。一个 Volume 对应的宿主机目录对于 Pod 来说就只有一个，Pod 里的容器只要声明挂载这个 Volume，就一定可以共享这个 Volume 对应的宿主机目录。

比如下面这个例子：

  • debian-container 和 nginx-container 都声明挂载了 shared-data 这个 Volume。而 shared-data 是 hostPath 类型。所以，它对应在宿主机上的目录就是：/data。而这个目录，其实就被同时绑定挂载进了上述两个容器当中。
  • 这也是为什么，nginx-container 可以从它的 /usr/share/nginx/html 目录中，读取到 debian-container 生成的 index.html 文件的原因。
cat > nginx.yaml << EOF
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: two-containers
spec:
  volumes:
  - name: shared-data
    hostPath:
      path: /data
  containers:
  - name: nginx-container
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - containerPort: 80
    volumeMounts:
    - name: shared-data
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  - name: centos-container
    image: couchbase/centos7-systemd
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    volumeMounts:
    - name: shared-data
      mountPath: /pod-data
    command: ["/bin/sh"]
    args: ["-c", echo "Hello this is centos container" > /pod-data/index.html;sleep 3600]
EOF

[root@master01 ~]# kubectl get -f nginx.yaml -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
two-containers   2/2     Running   0          10s   10.244.241.72   master01   <none>           <none>
[root@master01 ~]# curl 10.244.241.72
Hello this is centos container

容器设计模式

Pod 这种 “超亲密关系” 思想，希望，当用户想在一个容器里跑多个功能并不相关的应用时，应该优先考虑它们是不是更应该部署在一个 Pod 中。

为了能够掌握这种思考方式，你就应该尽量尝试使用它来描述一些用单个容器难以解决的问题。

WAR 包与 Web 服务器

现在有一个 Java Web 应用 WAR 包，这个 WAR 一般是放在 Tomcat 的 webapps Web解析目录下，使其运行起来。

使用 Docker 有两种方式实现这个关系。

  • 把 WAR 包直接放在 Tomcat 镜像的 webapps 目录下，做成一个镜像运行起来。但是，如果你要更新 WAR 包的内容，或者要升级 Tomcat 镜像，就要重新制作一个新的发布镜像，非常麻烦。
  • 你压根儿不管 WAR 包，永远只发布一个 Tomcat 容器。不过，这个容器的 webapps 目录，就必须声明一个 Volume，不管是什么类型（分布式、本地存储都可以），只要将 Tomcat 容器的 webapps 目录挂载出去，之后只需要在外对这个 WAR 进行更新操作（就像上面的 Nginx 例子一样）而无需重新更新镜像那么麻烦。

注意：这里使用了 initContainers ，它是为了完成一些初始化工作（完成就退出，不完成就不会退出），比如这里是将 sample.war 拷贝在 Pod 卷里的 /app 目录下，这样 tomcat 只要使用这个共享卷就能看见这个 sample.war 包，并使用。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: javaweb-2
spec:
  initContainers:
  - image: geektime/sample:v2
    name: war
    command: ["cp", "/sample.war", "/app"]
    volumeMounts:
    - mountPath: /app
      name: app-volume
  containers:
  - image: geektime/tomcat:7.0
    name: tomcat
    command: ["sh","-c","/root/apache-tomcat-7.0.42-v2/bin/start.sh"]
    volumeMounts:
    - mountPath: /root/apache-tomcat-7.0.42-v2/webapps
      name: app-volume
    ports:
    - containerPort: 8080
      hostPort: 8001 
  volumes:
  - name: app-volume
    emptyDir: {}

这样，我们就用这种 “组合” 方式，解决了 WAR 包与 Tomcat 容器之间耦合关系的问题。

这种 “组合” 操作，是容器设计模式最常用的一种模式，叫做：sidecar。

sidecar（边车） 模式：我们可以在一个 Pod 中，启动一个辅助容器，来完成一些独立于主进程（主容器）之外的工作。比如，这里的 initContainers 容器（不仅仅是使用 initContainers 也是可以是 containers 类型，如上面的 Nginx 例子 ）。

容器的日志收集

现在有一个 Web 容器应用，需要不断地把日志文件输出到它的 /var/log 目录中。

  • 这时，我们就可以将 Pod 声明的 Volume 挂载到该容器的 /var/log 目录上。
  • 同时启动一个 sidecar 容器，因为共享卷的缘故，只要我挂载后，就能看到 Web 容器应用日志在 /var/log 目录上生成的日志。
  • 接下来 sidecar 容器，将 /var/log 日志信息，转发到 Elasticsearch 或者数据库中存储起来，这样就完成了日志收集工作。

Pod 的另一个重要特性是，它的所有容器都共享同一个 Network Namespace。这就使得很多与 Pod 网络相关的配置和管理，也都可以交给 sidecar 完成，而完全无须干涉用户容器。这里最典型的例子莫过于 Istio 这个微服务治理项目了。

容器设计模式 小论文

总结

重点说明了，Pod 的工作原理。

我们从最开始进程组来展开了 Pod 的好处；

接着阐述了 Pod 的工作原理Pod 其实就是共享了网络和卷一组容器；

最后阐述了容器设计模式的玩法，以及它的重要性。

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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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