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【Kubernetes系列】第2篇 基礎概念介紹

發布時間:2020-08-05 09:30:09 來源:ITPUB博客 閱讀:152 作者:HankerCloud 欄目:開發技術

【Kubernetes系列】第2篇 基礎概念介紹

1 Pod - 實例

Pod是一組緊密關聯的容器集合,支持多個容器在一個Pod 里共 享網絡和文件系統,可以通過進程間通信和文件共享這種簡單高效的方式完成服務,是Kubernetes調度的基本單位。 Pod的設計理念是 每個Pod都有一個唯一的IP。

Pod具有如下特征:

  • 包含多個共享IPC、Network和UTC namespace的容器,可直接通過localhost通信
  • 所有Pod內容器都可以訪問共享的Volume,可以訪問共享數據
  • 優雅終止:Pod刪除的時候先給其內的進程發送SIGTERM,等待一段時間(grace period)后才強制停止依然還在運行的進程
  • 特權容器(通過SecurityContext配置)具有改變系統配置的權限(在網絡插件中大量應用)
  • 支持三種重啟策略(restartPolicy),分別是:Always、OnFailure、Never
  • 支持三種鏡像拉取策略(imagePullPolicy),分別是:Always、Never、IfNotPresent
  • 資源限制,Kubernetes通過CGroup限制容器的CPU以及內存等資源,可以設置request以及limit值
  • 健康檢查,提供兩種健康檢查探針,分別是livenessProbe和redinessProbe,前者用于探測容器是否存活,如果探測失敗,則根據重啟策略進行重啟操作,后者用于檢查容器狀態是否正常,如果檢查容器狀態不正常,則請求不會到達該Pod
  • Init container在所有容器運行之前執行,常用來初始化配置
  • 容器生命周期鉤子函數,用于監聽容器生命周期的特定事件,并在事件發生時執行已注冊的回調函數,支持兩種鉤子函數:postStart和preStop,前者是在容器啟動后執行,后者是在容器停止前執行

2 Namespace - 命名空間

Namespace(命名空間)是對一組資源和對象的抽象集合,比如可以用來將系統內部的對象劃分為不同的項目組或者用戶組。常見的pod、service、replicaSet和deployment等都是屬于某一個namespace的(默認是default),而node, persistentVolumes等則不屬于任何namespace。

常用namespace操作:

# 查詢所有namespaces 
kubectl get namespace
# 創建namespace
kubectl create namespace ns-name 
# 刪除namespace
kubectl delete namespace ns-name

刪除命名空間時,需注意以下幾點:

  • 刪除一個namespace會自動刪除所有屬于該namespace的資源。
  • default 和 kube-system 命名空間不可刪除。
  • PersistentVolumes是不屬于任何namespace的,但PersistentVolumeClaim是屬于某個特定namespace的。
  • Events是否屬于namespace取決于產生events的對象。

3 Node 節點

Node是Pod真正運行的主機,可以是物理機也可以是虛擬機。Node本質上不是Kubernetes來創建的, Kubernetes只是管理Node上的資源。為了管理Pod,每個Node節點上至少需要運行container runtime(Docker)、kubelet和kube-proxy服務。

常用node操作:

# 查詢所有node
kubectl get nodes
# 將node標志為不可調度
kubectl cordon $nodename
# 將node標志為可調度
kubectl uncordon $nodename

taint(污點)

使用kubectl taint命令可以給某個Node節點設置污點,Node被設置上污點之后就和Pod之間存在了一種相斥的關系,可以讓Node拒絕Pod的調度執行,甚至將Node已經存在的Pod驅逐出去。每個污點的組成: key=value:effect,當前taint effect支持如下三個選項:

  • NoSchedule:表示k8s將不會將Pod調度到具有該污點的Node上
  • PreferNoSchedule:表示k8s將盡量避免將Pod調度到具有該污點的Node上
  • NoExecute:表示k8s將不會將Pod調度到具有該污點的Node上,同時會將Node上已經存在的Pod驅逐出去

常用命令如下:

# 為節點node0設置不可調度污點
kubectl taint node node0 key1=value1:NoShedule
# 將node0上key值為key1的污點移除
kubectl taint node node0 key-
# 為kube-master節點設置不可調度污點
kubectl taint node node1 node-role.kubernetes.io/master=:NoSchedule
# 為kube-master節點設置盡量不可調度污點
kubectl taint node node1 node-role.kubernetes.io/master=PreferNoSchedule

容忍(Tolerations)

設置了污點的Node將根據taint的effect:NoSchedule、PreferNoSchedule、NoExecute和Pod之間產生互斥的關系,Pod將在一定程度上不會被調度到Node上。 但我們可以在Pod上設置容忍(Toleration),意思是設置了容忍的Pod將可以容忍污點的存在,可以被調度到存在污點的Node上。

4 Service 服務

Service是對一組提供相同功能的Pods的抽象,并為他們提供一個統一的入口,借助 Service 應用可以方便的實現服務發現與負載均衡,并實現應用的零宕機升級。 Service通過標簽(label)來選取后端Pod,一般配合ReplicaSet或者Deployment來保證后端容器的正常運行。

service 有如下四種類型,默認是ClusterIP:

  • ClusterIP: 默認類型,自動分配一個僅集群內部可以訪問的虛擬IP
  • NodePort: 在ClusterIP基礎上為Service在每臺機器上綁定一個端口,這樣就可以通過  NodeIP:NodePort 來訪問該服務
  • LoadBalancer: 在NodePort的基礎上,借助cloud provider創建一個外部的負載均衡器,并將請求轉發到 NodeIP:NodePort
  • ExternalName: 將服務通過DNS CNAME記錄方式轉發到指定的域名

另外,也可以將已有的服務以Service的形式加入到Kubernetes集群中來,只需要在創建 Service 的時候不指定Label selector,而是在Service創建好后手動為其添加endpoint。

5 Volume 存儲卷

默認情況下容器的數據是非持久化的,容器消亡以后數據也會跟著丟失,所以Docker提供了Volume機制以便將數據持久化存儲。Kubernetes提供了更強大的Volume機制和插件,解決了容器數據持久化以及容器間共享數據的問題。

Kubernetes存儲卷的生命周期與Pod綁定

  • 容器掛掉后Kubelet再次重啟容器時,Volume的數據依然還在
  • Pod刪除時,Volume才會清理。數據是否丟失取決于具體的Volume類型,比如emptyDir的數據會丟失,而PV的數據則不會丟

目前Kubernetes主要支持以下Volume類型:

  • emptyDir:Pod存在,emptyDir就會存在,容器掛掉不會引起emptyDir目錄下的數據丟失,但是pod被刪除或者遷移,emptyDir也會被刪除
  • hostPath:hostPath允許掛載Node上的文件系統到Pod里面去
  • NFS(Network File System):網絡文件系統,Kubernetes中通過簡單地配置就可以掛載NFS到Pod中,而NFS中的數據是可以永久保存的,同時NFS支持同時寫操作。
  • glusterfs:同NFS一樣是一種網絡文件系統,Kubernetes可以將glusterfs掛載到Pod中,并進行永久保存
  • cephfs:一種分布式網絡文件系統,可以掛載到Pod中,并進行永久保存
  • subpath:Pod的多個容器使用同一個Volume時,會經常用到
  • secret:密鑰管理,可以將敏感信息進行加密之后保存并掛載到Pod中
  • persistentVolumeClaim:用于將持久化存儲(PersistentVolume)掛載到Pod中
  • ...

6 PersistentVolume(PV) 持久化存儲卷

PersistentVolume(PV)是集群之中的一塊網絡存儲。跟 Node 一樣,也是集群的資源。PersistentVolume (PV)和PersistentVolumeClaim (PVC)提供了方便的持久化卷: PV提供網絡存儲資源,而PVC請求存儲資源并將其掛載到Pod中。

PV的訪問模式(accessModes)有三種:

  • ReadWriteOnce(RWO):是最基本的方式,可讀可寫,但只支持被單個Pod掛載。
  • ReadOnlyMany(ROX):可以以只讀的方式被多個Pod掛載。
  • ReadWriteMany(RWX):這種存儲可以以讀寫的方式被多個Pod共享。

不是每一種存儲都支持這三種方式,像共享方式,目前支持的還比較少,比較常用的是 NFS。在PVC綁定PV時通常根據兩個條件來綁定,一個是存儲的大小,另一個就是 訪問模式。

PV的回收策略(persistentVolumeReclaimPolicy)也有三種

  • Retain,不清理保留Volume(需要手動清理)
  • Recycle,刪除數據,即 rm -rf /thevolume/* (只有NFS和HostPath支持)
  • Delete,刪除存儲資源

7 Deployment 無狀態應用

一般情況下我們不需要手動創建Pod實例,而是采用更高一層的抽象或定義來管理Pod,針對無狀態類型的應用,Kubernetes使用Deloyment的Controller對象與之對應。其典型的應用場景包括:

  • 定義Deployment來創建Pod和ReplicaSet
  • 滾動升級和回滾應用
  • 擴容和縮容
  • 暫停和繼續Deployment

常用的操作命令如下:

# 生成一個Deployment對象
kubectl run www --image=10.0.0.183:5000/hanker/www:0.0.1 --port=8080
# 查找Deployment
kubectl get deployment --all-namespaces
# 查看某個Deployment
kubectl describe deployment www
# 編輯Deployment定義
kubectl edit deployment www
# 刪除某Deployment
kubectl delete deployment www
# 擴縮容操作,即修改Deployment下的Pod實例個數
kubectl scale deployment/www --replicas=2
# 更新鏡像
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.9.1
# 回滾操作
kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment
# 查看回滾進度
kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
# 啟用水平伸縮(HPA - horizontal pod autoscaling),設置最小、最大實例數量以及目標cpu使用率
kubectl autoscale deployment nginx-deployment --min=10 --max=15 --cpu-percent=80
# 暫停更新Deployment
kubectl rollout pause deployment/nginx-deployment
# 恢復更新Deployment
kubectl rollout resume deploy nginx

更新策略

.spec.strategy 指新的Pod替換舊的Pod的策略,有以下兩種類型

  • RollingUpdate 滾動升級,可以保證應用在升級期間,對外正常提供服務。
  • Recreate 重建策略,在創建出新的Pod之前會先殺掉所有已存在的Pod。

Deployment和ReplicaSet兩者之間的關系

  • 使用Deployment來創建ReplicaSet。ReplicaSet在后臺創建pod,檢查啟動狀態,看它是成功還是失敗。
  • 當執行更新操作時,會創建一個新的ReplicaSet,Deployment會按照控制的速率將pod從舊的ReplicaSet移 動到新的ReplicaSet中

8 StatefulSet 有狀態應用

Deployments和ReplicaSets是為無狀態服務設計的,那么StatefulSet則是為了有狀態服務而設計,其應用場景包括:

  • 穩定的持久化存儲,即Pod重新調度后還是能訪問到相同的持久化數據,基于PVC來實現
  • 穩定的網絡標志,即Pod重新調度后其PodName和HostName不變,基于Headless Service(即沒有Cluster IP的Service)來實現
  • 有序部署,有序擴展,即Pod是有順序的,在部署或者擴展的時候要依據定義的順序依次進行操作(即從0到N-1,在下一個Pod運行之前所有之前的Pod必須都是Running和Ready狀態),基于init containers來實現
  • 有序收縮,有序刪除(即從N-1到0)

支持兩種更新策略:

  • OnDelete:當 .spec.template更新時,并不立即刪除舊的Pod,而是等待用戶手動刪除這些舊Pod后自動創建新Pod。這是默認的更新策略,兼容v1.6版本的行為
  • RollingUpdate:當  .spec.template 更新時,自動刪除舊的Pod并創建新Pod替換。在更新時這些Pod是按逆序的方式進行,依次刪除、創建并等待Pod變成Ready狀態才進行下一個Pod的更新。

9 DaemonSet 守護進程集

DaemonSet保證在特定或所有Node節點上都運行一個Pod實例,常用來部署一些集群的日志采集、監控或者其他系統管理應用。典型的應用包括:

  • 日志收集,比如fluentd,logstash等
  • 系統監控,比如Prometheus Node Exporter,collectd等
  • 系統程序,比如kube-proxy, kube-dns, glusterd, ceph,ingress-controller等

指定Node節點

  • DaemonSet會忽略Node的unschedulable狀態,有兩種方式來指定Pod只運行在指定的Node節點上:
  • nodeSelector:只調度到匹配指定label的Node上
  • nodeAffinity:功能更豐富的Node選擇器,比如支持集合操作
  • podAffinity:調度到滿足條件的Pod所在的Node上

目前支持兩種策略*

  • OnDelete: 默認策略,更新模板后,只有手動刪除了舊的Pod后才會創建新的Pod
  • RollingUpdate: 更新DaemonSet模版后,自動刪除舊的Pod并創建新的Pod

10 Ingress 負載均衡

Kubernetes中的負載均衡我們主要用到了以下兩種機制:

  • Service:使用Service提供集群內部的負載均衡,Kube-proxy負責將service請求負載均衡到后端的Pod中
  • Ingress Controller:使用Ingress提供集群外部的負載均衡

Service和Pod的IP僅可在集群內部訪問。集群外部的請求需要通過負載均衡轉發到service所在節點暴露的端口上,然后再由kube-proxy通過邊緣路由器將其轉發到相關的Pod,Ingress可以給service提供集群外部訪問的URL、負載均衡、HTTP路由等,為了配置這些Ingress規則,集群管理員需要部署一個Ingress Controller,它監聽Ingress和service的變化,并根據規則配置負載均衡并提供訪問入口。

常用的ingress controller:

  • nginx
  • traefik
  • Kong
  • Openresty

11 Job & CronJob 任務和定時任務

Job負責批量處理短暫的一次性任務 (short lived one-off tasks),即僅執行一次的任務,它保證批處理任務的一個或多個Pod成功結束。

CronJob即定時任務,就類似于Linux系統的crontab,在指定的時間周期運行指定的任務。

12 HPA(Horizontal Pod Autoscaling) 水平伸縮

Horizontal Pod Autoscaling可以根據CPU、內存使用率或應用自定義metrics自動擴展Pod數量 (支持replication controller、deployment和replica set)。

  • 控制管理器默認每隔30s查詢metrics的資源使用情況(可以通過 --horizontal-pod-autoscaler-sync-period 修改)
  • 支持三種metrics類型

    • 預定義metrics(比如Pod的CPU)以利用率的方式計算
    • 自定義的Pod metrics,以原始值(raw value)的方式計算
    • 自定義的object metrics
  • 支持兩種metrics查詢方式:Heapster和自定義的REST API
  • 支持多metrics

可以通過如下命令創建HPA:

kubectl autoscale deployment php-apache --cpu-percent=50 --min=1 --max=10

13 Service Account

Service account是為了方便Pod里面的進程調用Kubernetes API或其他外部服務而設計的

授權

Service Account為服務提供了一種方便的認證機制,但它不關心授權的問題。可以配合RBAC(Role Based Access Control)來為Service Account鑒權,通過定義Role、RoleBinding、ClusterRole、ClusterRoleBinding來對sa進行授權。

14 Secret 密鑰

Sercert-密鑰解決了密碼、token、密鑰等敏感數據的配置問題,而不需要把這些敏感數據暴露到鏡像或者Pod Spec中。Secret可以以Volume或者環境變量的方式使用。有如下三種類型:

Service Account:用來訪問Kubernetes API,由Kubernetes自動創建,并且會自動掛載到Pod的 /run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount 目錄中;

Opaque:base64編碼格式的Secret,用來存儲密碼、密鑰等;

kubernetes.io/dockerconfigjson: 用來存儲私有docker registry的認證信息。

15 ConfigMap 配置中心

ConfigMap用于保存配置數據的鍵值對,可以用來保存單個屬性,也可以用來保存配置文件。ConfigMap跟secret很類似,但它可以更方便地處理不包含敏感信息的字符串。ConfigMap可以通過三種方式在Pod中使用,三種分別方式為:設置環境變量、設置容器命令行參數以及在Volume中直接掛載文件或目錄。

可以使用 kubectl create configmap從文件、目錄或者key-value字符串創建等創建 ConfigMap。也可以通過 kubectl create -f value.yaml 創建。

16 Resource Quotas 資源配額

資源配額(Resource Quotas)是用來限制用戶資源用量的一種機制。

資源配額有如下類型:

  • 計算資源,包括cpu和memory

    • cpu, limits.cpu, requests.cpu
    • memory, limits.memory, requests.memory
  • 存儲資源,包括存儲資源的總量以及指定storage class的總量

    • requests.storage:存儲資源總量,如500Gi
    • persistentvolumeclaims:pvc的個數
    • .storageclass.storage.k8s.io/requests.storage
    • .storageclass.storage.k8s.io/persistentvolumeclaims
  • 對象數,即可創建的對象的個數

    • pods, replicationcontrollers, configmaps, secrets
    • resourcequotas, persistentvolumeclaims
    • services, services.loadbalancers, services.nodeports

它的工作原理為:

  • 資源配額應用在Namespace上,并且每個Namespace最多只能有一個 ResourceQuota 對象
  • 開啟計算資源配額后,創建容器時必須配置計算資源請求或限制(也可以 用LimitRange設置默認值)
  • 用戶超額后禁止創建新的資源

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