【云原生之k8s】kubernetes核心组件

引言

Kubernetes 是为运行分布式集群而建立的，分布式系统的本质使得网络成为 Kubernetes 的核心和必要组成部分，了解 Kubernetes 网络模型可以使你能够正确运行、监控和排查应用程序故障。

一、Kubernetes的核心组件

1、Master组件

1.1 kube-apiserver

1. 用于暴露 kubernetes API，任何资源请求或调用操作都是通过 kube-apiserver 提供的接口进行。
2. 以 HTTP Restful API 提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给 API Server 处理后再提交给Etcd 存储。
3. 可以理解成 API Server 是 K8S 的请求入口服务。API Server 负责接收 K8S 所有请求（来自 UI界面或者CLI 命令行工具），然后根据用户的具体请求，去通知其他组件干活。可以说 API Server 是 K8S 集群架构的大脑。

1.2 Kube-controller-manager

运行管理控制，是 K8S 集群中处理常规任务的后台线程，是 K8S 集群里所有资源对象的自动化控制中心。
  在 K8S 集群中，一个资源对应一个控制器，而 Controller manager 就是负责管理这些控制器的。由一系列控制器组成，通过 API Server 监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，比如当某个 Node 意外宕机时，Controller Manager 会及时发现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。

控制器	说明
Node Controller（节点控制器）	负责在节点出现故障时发现和响应
Replication Controller（副本控制器）	负责保证集群中一个RC（资源对象Replication Controller）所关联的Pod副本数始终保持预设值。可以理解成确保集群中有且仅有N个Pod实例，N是RC中定义的Pod副本数量
Endpoints Controller（端点控制器）	填充端点对象（即连接Services和Pods），负责监听Service和对应的Pod副本的变化。可以理解端点是一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务，则必须知道它的endpoint
Service Account & Token Controllers（服务账户和令牌控制器）	为新的命名空间创建默认账户和API访问令牌
ResourceQuota Controller（资源配额控制器）	确保指定的资源对象在任何时候都不会超量占用系统物理资源
Namespace Controller（命名空间控制器）	管理namespace的声明周期
Service Controller（服务控制器）	属于K8S集群与外部的云平台之间的一个接口控制器

1.3 kube-scheduler

是负责资源调度的进程，根据调度算法为新创建的 Pod 选择一份合适的 Node 节点。可以理解成 K8S 所有 Node 节点的调度器。当用于要部署服务时，Scheduler 会根据调度算法选择最合适的 Node 节点来部署 Pod。

• 预算策略（predicate）
• 优选策略（priorities）

1.4 配置存储中心 — etcd

K8S 的存储服务，负责存储K8S集群的重要信息。etcd 是分布式键值存储系统，存储了 K8S 的关键配置和用户配置，K8S 中仅 API Server 才具备读写权限，其他组件必须通过 API Server 的接口才能读写数据。

1.5 主节点工作流程

API Server 接收到请求创建一批 Pod，API Server 会让 Controller-manager 按照所预设的模板去创建 Pod，Controller-manager 会通过 API Server 去找 Scheduler 为新创建的 Pod 选择最适合的 Node 节点。比如运行这个 Pod 需要 2C4G 的资源，Schedular 会通过预算策略在所有 Node 节点中挑选最优的。Node 节点中还剩多少资源是通过汇报给 API Server 存储在 etcd 里，API Server 会调用一个方法找到 etcd 里所有 Node 节点的剩余资源，再对比 Pod 所需要的资源，在所有 Node 节点中查找哪些 Node 节点符合要求。如果都符合，预算策略就交给优选策略处理，优选策略再通过 CPU 的负载、内存的剩余量等因素选择最合适的 Node 节点，并把 Pod 调度到这个 Node 节点上运行。

2、Node 组件

2.1 Kubelet

Node 节点的监视器，以及与 Master 节点的通讯器。Kubelet 是 Master 节点安插在 Node 节点上的 “眼线”，它会定时向 API Server 汇报自己 Node 节点上运行的服务的状态，并接受来自 Master 节点的指示采取调整措施。
  从 Master 节点获取自己节点上 Pod 的期望状态（比如运行什么容器、运行的副本数量、网络或者存储如何配置等），直接跟容器引擎交互实现容器的生命周期管理，如果自己节点上 Pod 的状态与期望状态不一致，则调用对应的容器平台接口（即 docker 的接口）达到这个状态。管理镜像和容器的清理工作，保证节点上镜像不会占满磁盘空间，退出的容器不会占用太多资源。

2.2 Kube-Proxy

1. 在每个 Node 节点上实现 Pod 网络代理，是 Kuberbetes Service资源的载体，负责维护网络规划和四层负载均衡工作。负责写入规则至 iptables、ipvs 实现服务映射访问的。
2. Kube-Proxy 本身不是直接给 Pod 提供网络，Pod 的网络是由 Kubelet 提供的，Kube-Proxy实际上维护的是虚拟的 Pod 集群网络。
3. Kube-apiserver 通过监控 Kube-Proxy 进行对 Kubernets Service 的更新和端点的维护。
4. Kube-Proxy 是 K8S 集群内部的负载均衡器。它是一个分布式代理服务器，在 K8S 的每个节点上都会运行一个Kube-proxy。

2.3 docker 或 rocket

容器引擎，运行容器，负责本机的容器创建和管理工作。

Kubelet负责整个过程的管理，容器引擎是用来干活的

二、Kubernetes核心概念

1. Kubernetes 包含多种类型的资源对象：Pod、Label、Service、Replication Controller 等。
2. 所有的资源对象都可以通过 Kubernetes 提供的 kubectl 工具进行增、删、改、查等操作，并将其保存在 etcd中持久化存储。
3. Kubernets其实是一个高度自动化的资源控制系统，通过跟踪对比etcd存储里保存的资源期望状态与当前环境中的实际资源状态的差异，来实现自动控制和自动纠错等高级功能。

1、Pod

1. Pod 是 Kuberntes 创建或部署的最小/最简单的基本单位，一个 Pod 代表集群上正在运行的一个进程。
2. 可以把 Pod 理解成豌豆荚，而同一 Pod 内的每个容器是一个个豌豆。
3. 一个 Pod 由一个或多个容器组成，Pod 中容器共享网络、存储和计算资源，在同一台 Docker 主机上运行。
4. 一个 Pod 里可以运行多个容器，又叫边车（SideCar）模式。而在生产环境中一般都是单个容器或者具有强关联互补的多个容器组成一个Pod。
5. 同一个 Pod 之间的容器可以通过 localhost 互相访问，并且可以挂载 Pod 内的所有的数据卷；但是不同的 Pod之间的容器不能用 localhost 访问，也不能挂载其他 Pod 的数据卷。

2、Pod 控制器

Pod 控制器是 Pod 启动的一种模板，用来保证在 K8S 里启动的 Pod 应始终按照用户的预期运行（副本数、生命周期、健康状态检查等）。K8S 内提供了众多的 Pod 控制器，常用的有以下几种：

1. Deployment：无状态应用部署。Deployment 的作用就是管理和控制 Pod 和ReplicaSet，管控它们运行在用户期望的状态中。
2. Replicaset：确保预期的 Pod 副本数量。ReplicaSet 的作用就是管理和控制 Pod，管控他们好好干活。但是ReplicaSet 受控于 Deployment。可以理解成 Deployment 就是总包工头，主要负责监督底下的工人 Pod干活，确保每时每刻有用户要求数量的 Pod 在工作。如果一旦发现某个工人 Pod 不行了，就赶紧新拉一个 Pod 过来替换它。而ReplicaSet 就是总包工头手下的小包工头。从 K8S 使用者角度来看，用户会直接操作 Deployment 部署服务，而当Deployment 被部署的时候，K8S 会自动生成要求的 ReplicaSet 和 Pod。用户只需要关心 Deployment而不操心 ReplicaSet。资源对象 Replication Controller 是 ReplicaSet 的前身，官方推荐用Deployment 取代 Replication Controller 来部署服务。
3. Daemonset：确保所有节点运行同一类Pod，保证每个节点上都有一个此类 Pod 运行，通常用于实现系统级后台任务。
4. Statefulset：有状态应用部署。
5. **Job：一次性任务。**根据用户的设置，Job 管理的 Pod 把任务成功完成就自动退出了。
6. Cronjob：周期性计划性任务。
7. Ingress：管理 L7 层的网络模式（http/https 流量）
   ingress 包含：nginx、Haproxy、traffic、 istio、kong
8. PV/PVC:动态存储。NFS接入到k8s时，不能直接挂载，要利用pv/pvc来管理，共享存储也是资源，由pv/pvc来管理。比如10G不够了，扩容由pv/pvc来进行动态扩容处理。

2.1 Deployment—无状态应用部署

Nginx 这种类型的服务，只开启反向代理的功能的时候，假设nginx 宕了，重新跑一个新的，替换过来，可以直接用。没有差异化称为无状态。

无状态服务：LVS（加入集群后，无特殊性需求—需求）

1. 服务不依赖自身的状态，实例的状态数据可以维护再内存中
2. 任何一个请求都可以被任意一个实例处理
3. 不存储状态数据，实例可以水平扩展，通过负载均衡将请求分发到各个节点
4. 在一个封闭的系统中，只存在一个数据闭环
5. 通常存在于单体架构集群中

2.2 Statefulset—有状态应用部署

里面运行的是mysql，mysql 宕了，配置一样，不能直接用，数据有差异性，加入集群后满足特定规则，存储数据的规则，才能使用，有差异化称为有状态。

有状态服务：例如数据库
由特殊状态需求，例如需要持久化、需要特定的数据支持

1. 服务本身依赖或者存在局部的状态数据，这些数据需要自身持久化或者可以通过其他节点恢复。
2. 一个请求只能被某个节点（或者同等状态下的节点）处理。
3. 存储状态数据，实例的拓展需要整个系统参与状态的迁移。
4. 在一个封闭的系统中，存在多个数据闭环，需要考虑这些闭环的数据一致性问题。
5. 通常存在于分布式架构中。

2.3 小结

无状态服务：就是没有特殊状态的服务，各个请求对于服务器来说统一无差别处理，请求自身携带了所有服务端所需要的所有参数（服务端自身不存储跟请求相关的任何数据，不包括数据库存储信息）。
有状态服务：与之相反，有状态服务在服务端保留之前请求的信息，用以处理当前请求，比如session等。

简化

有状态：需要持久化，多次请求之间需要共享一些信息
无状态：一次性，不需要持久化的特殊状态，每次请求都是一条新的数据

对于docker来说，更适合应用无状态服务，而kubernetes，提供了一种解决方案----》多种存储类型
—》例如

configmap(配置管理中心)，主要存储配置文件
PS:configmap是一个独立的资源，类似于docker run -itd -v /nginx conf:/usr/nginx/conf nginx:1.21 /bin/bash

把nginx.conf---->写成一个nginx-confimap.yaml文件
把nginx---->pod nginx.yaml ,通过相同的标签：label=nginx来关联

Secret:用户密码、需要加密的文件
mysql-secrets.yml加密形式的配置文件（账号密码）和mysql.yaml通过标签关联在一起
volume：基本数据（网页文件），docker run -itd -v /nginx_html:/usr/local/nginx/html/ nginx:1.21 /bin/bash

PV/PVC:动态创建过程

3、Label标签

1. 标签，是 K8S 特色的管理方式，便于分类管理资源对象。Label 可以附加到各种资源对象上，例如Node、Pod、Service、RC 等，用于关联对象、查询和筛选。
2. 一个 Label 是一个 key-value 的键值对，其中 key 与 value 由用户自己制定。
3. 一个资源对象可以定义任意数量的 Label，同一个 Label 也可以被添加到任意数量的资源对象中，也可以在对象创建后动态添加或者删除。
4. 可以通过给指定的资源对象捆绑一个或多个不同的 Label，来实现多维度的资源分组管理功能。
5. 与 Label 类似的，还有 Annotation（注释）。区别在于有效的标签值必须为 63个字符或更少，并且必须为空或以字母数字字符（[a-z0-9A-Z]）开头和结尾，中间可以包含横杠（-）、下划线（_）、点（.）和字母或数字。注释值则没有字符长度限制。

4、Label 选择器（Label selector）

1. 给某个资源对象定义一个 Label，就相当于给它打了一个标签
2. 随后可以通过标签选择器（Label selector）查询和筛选拥有某些 Label 的资源对象。

标签选择器目前有两种：

1. 基于等值关系（等于、不等于）
2. 基于集合关系（属于、不属于、存在）。

5、Service

在 K8S 的集群里，虽然每个 Pod 会被分配一个单独的 IP 地址，但由于 Pod 是有生命周期的（它们可以被创建，而且销毁之后不会再启动），随时可能会因为业务的变更，导致这个 IP 地址也会随着 Pod 的销毁而消失。Service 就是用来解决这个问题的核心概念。
K8S 中的 Service 并不是我们常说的 “服务” 的含义，而更像是网关层，可以看做一组提供相同服务的 Pod 的对外访问的接口、流量均衡器。

Service 作用于哪些 Pod 是通过标签选择器来定义的。
在 K8S 集群中，Service 可以看做一组提供相同服务的 Pod 的对外访问接口。客户端需要访问的服务就是 Service 对象。每个 Service 都有一个固定的虚拟 IP（这个 IP 也被称为 Cluster IP），自动并且动态地绑定后端的 Pod，所有的网络请求直接访问 Service 的虚拟 IP，Service 会自动向后端做转发。
Service 除了提供稳定的对外访问方式之外，还能起到负载均衡（Load Balance）的功能，自动把请求流量分不到后端所有的服务上，Service 可以做到对客户透明地进行水平扩展（scale）。而实现 service 这一功能的关键，就是 kube-proxy。kube-proxy 运行在每个节点上，监听 API Server 中服务对象的变化，可通过以下三种流量调度模式：userspace（废弃）、iptables（濒临废弃）、ipvs（推荐，性能最好）来实现网络的转发。

**Service 是 K8S 服务的核心，屏蔽了服务细节，统一对外暴露服务接口，真正做到了 “微服务”。**比如我们的一个服务 A，部署了 3 个副本，也就是 3 个 Pod；对于用户来说，只需要关注一个 Service 的入口就可以，而不需要操心究竟也应该请求哪一个 Pod。优势非常明显：一方面外部用户不需要感知因为 Pod 上服务的意外崩溃、K8S 重新拉起 Pod 而造成的 IP 变更，外部用户也不需要感知因升级、变更服务带来的 Pod 替换而造成的 IP 变化。

创建service需要ServiceController,EndpointControllre,kube-proxy,三个模块同时协作。

1. ServiceController是控制service来创建对应的Pod关联的规则
2. EndpointController是定义后端pod的具体位置，也就是endpoint（upstream + consul的自动发现和更新）
3. kube-proxy是用来定义具体的后端转发和分流规则的
   以上组成了一个service所必要的功能

5.1 ServiceController

当一个service对象状态发生变化的时候，informer都会通知ServiceController，创建对应的服务。

5.2 EndpointController

EndpointController会同时订阅service和pod的增删事件。
EndpointController看成是nginx的upstream + consyul中的发现、更新

其功能如下

1. 负责生成和维护所有endpoint对象的控制器
2. 负责监听service和对应pod变化
3. 监听到service被删除，则删除和该service同名的endpoint对象
4. 监听到新的service被创建，则根据新建service信息（YAML）获取相关pod列表，然后创建对应endpoint对象
5. 监听到service被更新，则根据更新后的service信息获取相关pod列表，然后更新对应的endpoint对象
6. 监听到pod事件，则更新对应的service和endpoint对象，将podIP记录到endpoint中

5.3 kube-proxy

1. kube-proxy负责service实现，实现了k8s内部service和外部node port到service的访问。
2. kube-proxy采用iptables的方式配置负载均衡，基于iptables的kube-proxy的主要职责包括两大块：一块是倾听service更新事件，并更新service相关的iptables规则，一块是侦听endpoint更新事件，更新endpoint相关的iptables规则（如kube-svc链中的规则），然后将包请求转入endpoint对应的pod.

6、Ingress

Service 主要负责 K8S 集群内部的网络拓扑，那么集群外部怎么访问集群内部呢？这个时候就需要 Ingress 了。Ingress 是整个 K8S 集群的接入层，负责集群内外通讯。

1. Ingress 是 K8S 集群里工作在 OSI 网络参考模型下，第 7 层的应用层，对外暴露的接口，典型的访问方式是http/https。
2. Service 只能进行第四层的流量调度，表现形式是 ip+port。Ingress 则可以调度不同业务域、不同 URL访问路径的业务流量。
   比如：客户端请求 http://www.test.com:port --> Ingress --> Service --> Pod

7、Name

1. 由于 K8S 内部，使用 “资源” 来定义每一种逻辑概念（功能），所以每种 “资源”，都应该有自己的 “名称”。
2. “资源” 有 api版本（apiversion）、类别（kind）、元数据（metadata）、定义清单（spec）、状态（status）等配置信息。
3. “名称” 通常定义在 “资源” 的 “元数据” 信息里。在同一个 namespace 空间中必须是唯一的。

8、Namespace

1. 随着项目增多、人员增加、集群规模的扩大，需要一种能够逻辑上隔离 K8S 内各种 “资源” 的方法，这就是 Namespace。
2. Namespace 是为了把一个 K8S 集群划分为若干个资源不可共享的虚拟集群组而诞生的。
3. 不同 Namespace 内的 “资源” 名称可以相同，相同 Namespace 内的各种 “资源”，“名称” 不能相同。
4. 合理的使用 K8S 的 Namespace，可以使得集群管理员能够更好的对交付到 K8S 里的服务进行分类管理和浏览。
5. K8S 里默认存在的 Namespace 有：==default、kube-system、kube-public ==等。
6. 查询 K8S 里特定 “资源” 要带上相应的 Namespace。