一篇文章带你玩转 Kubernetes：组件、核心概念和Nginx实战演示

企业开发 2023-07-13 04:36:01 阅读次数: 0

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一、简介

Kubernetes（这个名字源于希腊语，意为“舵手”或“飞行员”。k8s 这个缩写是因为 k 和 s 之间有八个字符的关系）。
它是一个开源的容器编排平台，解决了许多容器化应用程序在部署、管理和扩展方面面临的复杂性和挑战。最初由 Google 开发，现在由云原生计算基金会（CNCF）维护。

1.1 容器部署时代

在这里插入图片描述
这张图片展示了我们服务部署的三个时代：

  1. 传统部署时代：早期，各个组织是在物理服务器上运行应用程序。 由于无法限制在物理服务器中运行的应用程序资源使用，因此会导致资源分配问题。 例如，如果在同一台物理服务器上运行多个应用程序， 则可能会出现一个应用程序占用大部分资源的情况，而导致其他应用程序的性能下降。 一种解决方案是将每个应用程序都运行在不同的物理服务器上， 但是当某个应用程式资源利用率不高时，剩余资源无法被分配给其他应用程式， 而且维护许多物理服务器的成本很高。

  2. 虚拟化部署时代：因此，虚拟化技术被引入了。虚拟化技术允许你在单个物理服务器的 CPU 上运行多台虚拟机（VM）。 虚拟化能使应用程序在不同 VM 之间被彼此隔离，且能提供一定程度的安全性， 因为一个应用程序的信息不能被另一应用程序随意访问。虚拟化技术能够更好地利用物理服务器的资源，并且因为可轻松地添加或更新应用程序， 而因此可以具有更高的可扩缩性，以及降低硬件成本等等的好处。 通过虚拟化，你可以将一组物理资源呈现为可丢弃的虚拟机集群。每个 VM 是一台完整的计算机，在虚拟化硬件之上运行所有组件，包括其自己的操作系统。

  3. 容器部署时代：容器类似于 VM，但是更宽松的隔离特性，使容器之间可以共享操作系统（OS）。 因此，容器比起 VM 被认为是更轻量级的。且与 VM 类似，每个容器都具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。 由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和 OS 发行版本进行移植。

容器因具有许多优势而变得流行起来，例如：

  • 敏捷应用程序的创建和部署：与使用 VM 镜像相比，提高了容器镜像创建的简便性和效率。
  • 持续开发、集成和部署：通过快速简单的回滚（由于镜像不可变性）， 提供可靠且频繁的容器镜像构建和部署。
  • 关注开发与运维的分离：在构建、发布时创建应用程序容器镜像，而不是在部署时， 从而将应用程序与基础架构分离。
  • 可观察性：不仅可以显示 OS 级别的信息和指标，还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
  • 跨开发、测试和生产的环境一致性：在笔记本计算机上也可以和在云中运行一样的应用程序。
  • 跨云和操作系统发行版本的可移植性：可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地、 Google Kubernetes Engine 和其他任何地方运行。
  • 以应用程序为中心的管理：提高抽象级别，从在虚拟硬件上运行 OS 到使用逻辑资源在 OS 上运行应用程序。
  • 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务：应用程序被分解成较小的独立部分， 并且可以动态部署和管理 - 而不是在一台大型单机上整体运行。
  • 资源隔离：可预测的应用程序性能。
  • 资源利用：高效率和高密度。

1.2 Kubernetes有哪些优点

容器是打包和运行应用程序的好方式。
在生产环境中， 你需要管理运行着应用程序的容器，并确保服务不会下线。 例如，如果一个容器发生故障，则你需要启动另一个容器。 如果此行为交由给系统处理，是不是会更容易一些？这就是 Kubernetes 要来做的事情！ Kubernetes 为你提供了一个可弹性运行分布式系统的框架。 Kubernetes 会满足你的扩展要求、故障转移你的应用、提供部署模式等。

  1. 自动化部署：Kubernetes 允许用户通过配置文件定义容器化应用程序的部署、服务、存储等资源，可以自动化部署应用程序，避免了繁琐的手动操作。

  2. 自动扩展：Kubernetes 可以根据应用程序的负载自动扩展容器实例数量，从而确保应用程序的高可用性和性能。用户可以根据 CPU、内存等指标自定义自动扩展的策略。

  3. 自我修复：Kubernetes 可以检测到容器或节点的故障，并自动重新启动或迁移容器实例，确保应用程序的高可用性和稳定性。

  4. 负载均衡：Kubernetes 支持多种负载均衡策略，可以将流量均衡到多个容器实例中，从而确保应用程序的高可用性和性能。

  5. 服务发现和 DNS：Kubernetes 可以通过 Service 和 Endpoint 对象来管理容器化应用程序的服务发现和负载均衡，同时提供了内置的 DNS 服务，使得应用程序可以方便地互相通信。

  6. 配置管理：Kubernetes 可以使用 ConfigMap 和 Secret 对象来管理容器化应用程序的配置信息，可以动态更新应用程序的配置，同时确保配置的安全性。

总之，Kubernetes 解决了容器化应用程序的部署、管理、扩展、自我修复、负载均衡和配置等方面的问题，使得用户可以更加轻松地构建、部署和运行云原生应用程序。

二、Kubernetes 组件介绍

在这里插入图片描述

上图展示了k8s集群的架构，Kubernetes 集群由多个组件组成，每个组件都有不同的职责和功能，共同协作来实现容器编排、部署、管理等任务。下面是 Kubernetes 集群的主要组件：

  1. kube-apiserver：Kubernetes API 服务器，作为 Kubernetes 集群的控制面板，负责处理所有 API 请求。

  2. etcd：分布式键值存储，用于存储 Kubernetes 集群的配置数据、元数据和状态信息。

  3. kube-controller-manager：控制器管理器，负责监控集群状态变化，并自动进行调整和修复。

  4. kube-scheduler：调度器，负责将 Pod 调度到合适的节点上运行。

  5. kubelet：节点代理，负责管理节点上的容器和镜像，以及监控和报告节点状态。

  6. kube-proxy：网络代理，负责为 Pod 提供网络代理和负载均衡功能。

除了上述核心组件之外，Kubernetes 还有一些其他的组件和插件，例如：

  1. Ingress Controller：负责将外部流量路由到集群内部的服务。

  2. DNS 插件：为 Kubernetes 集群中的服务提供 DNS 解析功能。

  3. Dashboard：Web 界面，用于监控和管理 Kubernetes 集群。

  4. Helm：包管理工具，用于管理 Kubernetes 应用程序的打包、发布和升级。

三、Kubernetes 核心概念

有两种方式可以创建k8s资源：

  1. 可以通过执行kubectl命令
  2. 执行yaml资源文件

3.1 Namespace

Namespace (NS)：命名空间，是 Kubernetes 中的虚拟集群，用于隔离和管理不同的资源。不同命名空间中的资源是相互独立的，同一命名空间中的资源可以直接访问。

# 查看现有的全部命名空间 
kubectl get ns 
# 构建命名空间 
kubectl create ns test
# 删除现有命名空间， 并且会删除空间下的全部资源 
kubectl delete ns test

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
 name: test

通过kubectl apply或者kubectl delete的方式部署yaml文件

kubectl apply -f yaml文件名称
kubectl delete -f yaml文件名称

3.2 Pod

Pod：是 Kubernetes 中最小的部署单元，由一个或多个容器组成。Pod 提供容器运行时的环境，同时也提供了一些共享的资源，例如网络和存储卷。

# 查看所有运行的pod
kubectl get pods -A 

# 查看指定Namespace下的Pod （默认default）
kubectl get pod -n test  

# 创建Pod
kubectl run my-nginx-pod --image=nginx -n test

# 查看Pod详细信息
kubectl describe pod my-nginx-pod -n test

# 删除pod
kubectl delete pod my-nginx-pod -n test 

# 查看pod输出的日志
kubectl logs -f my-nginx-pod -n test

# 进去pod容器内部
kubectl exec -it my-nginx-pod -- bash

# 查看kubernetes给Pod分配的ip信息，并且通过ip和容器的端口，可以直接访问
kubectl get pod -owide -n test

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    run: nginx-pod
  name: nginx-pod
  namespace: test
spec:
  containers:
    - image: nginx:latest
      name: nginx

执行kubectl apply -f nginx-pod.yaml命令进行部署。

3.3 Deployment

Deployment：是用于管理 Pod 的控制器，用于创建、更新和删除 Pod。Deployment 确保 Pod 的副本数始终处于指定状态，同时支持滚动升级和回滚操作。

用Deployment启动的容器，如果直接删除Pod则会在被删除后自动再次创建pod，只有这个Deployment被删除才能永久删除pod。

# 基于Deployment启动容器
kubectl create deployment my-nginx-deployment --image=nginx -n test

# 指定副本数为3
kubectl create deployment my-nginx-deployment --image=nginx --replicas 3 -n test

# 查看现在的deployment
kubectl get deployment -n test

# 删除deployment 
kubectl delete deployment my-nginx-deployment -n test

# 基于scale实现弹性伸缩
kubectl scale deploy/my-nginx-deployment --replicas 2 -n test

#修改yaml文件
kubectl edit deploy my-nginx-deployment -n test

#更改镜像版本 Deploy可以在部署新版本数据时，成功启动一个pod，才会下线一个老版本的Pod
kubectl set image deployment/my-nginx-deployment 容器名=镜像:版本

准备yaml文件，创建镜像为nginx，端口号为80，创建三个容器副本：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  namespace: test
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx
          ports:
            - containerPort: 80

执行kubectl apply -f nginx-deploy.yaml命令进行部署。

3.4 Service

Service：是一组 Pod 的抽象，用于提供对这组 Pod 的访问和负载均衡。Service 可以通过集群内部 IP、DNS 名称或外部 IP（NodePort 或 LoadBalancer）提供服务。
如果不指定 service type，则创建的Service默认为ClusterIP，这种方式只能在Pod内部实现访问。
指定type为NodePort类型，可以实现Pod外暴露访问。

# 通过生成service映射一个Deployment下的所有pod中的某一个端口的容器 默认为ClusterIP 类型
kubectl expose deployment nginx-deployment --port=8888 --target-port=80

# NodePort类型 
kubectl expose deployment nginx-deployment --port=8888 --target-port=80 --type=NodePort

kubectl get service

kubectl get svc

#以通过Deployment名称.namespace名称.svc作为域名访问,但是只能在容器内部访问
curl nginx-service.test.svc:8888

准备yaml资源文件：创建 了service，将集群的8888端口映射到容器80端口。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: nginx-service
  name: nginx-service
  namespace: test
spec:
  selector:
    app: nginx-deployment
  ports:
    - port: 8888
      protocol: TCP
      targetPort: 80

执行kubectl apply -f nginx-service.yaml命令进行部署。

3.5 Ingress

Ingress：是一种 Kubernetes 中的资源，用于将外部流量路由到集群内部的服务。Ingress 可以基于 URL、域名或 HTTP 头将流量路由到不同的服务中。

准备yaml文件创建Ingress，定义一个rule：host为nginx.deploy.com, Prefix表示去除前缀路径，转发到/ 8888端口。

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-ingress
  namespace: test
spec:
  ingressClassName: ingress
  rules:
  - host: nginx.deploy.com
    http:
      paths:
        - path: /
          pathType: Prefix
          backend:
            service:
              name: nginx-service
              port:
                number: 8888

执行kubectl apply -f nginx-ingress.yaml命令进行部署。

四、Kubernetes 核心概念实战

接下来通过部署nginx给大家实战演示一下k8s核心概念

4.1 部署yaml文件

准备yaml资源文件：

  1. 创建Namespace为test
  2. 创建Deployment容器镜像为nginx，端口为80，副本数为2
  3. 创建Service将8888端口映射到容器的80端口
  4. 创建Ingress将nginx.deploy.com域名映射到Service
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: test
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  namespace: test
  labels:
    app: nginx-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-deployment
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-deployment
    spec:
      containers:
        - name: nginx-deployment
          image: nginx
          ports:
            - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  namespace: test
  labels:
    app: nginx-service
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx-deployment
  ports:
    - port: 8888
      protocol: TCP
      targetPort: 80
  type: NodePort
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-deployment-ingress
  namespace: test
spec:
  ingressClassName: ingress
  rules:
  - host: nginx.deploy.com
    http:
      paths:
        - path: /
          pathType: Prefix
          backend:
            service:
              name: nginx-service
              port:
                number: 8888

使用kubectl命令查看创建情况：

kubectl get ns -A
kubectl get deploy -n test
kubectl get pods -n test
kubectl get svc -n test
kubectl get ingress -n test

在这里插入图片描述

4.2 通过Pod IP访问Nginx

通过Pod IP访问Nginx：

# 查看pod ip、节点信息
kubectl get pods -n test -o wide
curl 10.244.140.79
curl 10.244.140.80

在这里插入图片描述

4.3 通过Service IP访问Nginx

通过Service IP访问Nginx：

kubectl get svc -n test -o wide
curl 10.107.134.62:8888

在这里插入图片描述

4.4 修改index.html 演示Service负载均衡

进入nginx 容器内部修改index.html，区分不同pod演示负载均衡

kubectl get pods -n test
kubectl exec -it nginx-deployment-69cfdf5bc7-25ph9 -n test -- bash 
# 进入/usr/share/nginx/html/目录
cd /usr/share/nginx/html/
echo "1111" > index.html 
cat index.html 

#相同方法修改第二个nginx
kubectl exec -it nginx-deployment-69cfdf5bc7-82c4l -n test -- bash 

echo "2222" > index.html

在这里插入图片描述

再次使用Service IP访问，可以看到请求是负载均衡到达pod（不过不是轮询方式）。

kubectl get svc -n test -o wide
curl 10.107.134.62:8888

在这里插入图片描述

在容器内部可以使用 Service 域名的方式负载均衡访问
域名规则为：ServiceName.Namespace.svc
进入pod内部

kubectl exec -it nginx-deployment-69cfdf5bc7-25ph9 -n test -- bash 
curl nginx-service.test.svc:8888

在这里插入图片描述

4.5 在外部通过ServiceNodePort访问Pod

因为创建的Service是NodePort类型，可以通过k8s集群任意IP+Service对外暴露的端口访问到pod：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4.5 在外部使用Ingress Host访问Pod

在外部使用Ingress 配置的rule访问：
配置hosts文件，将nginx.deploy.com 映射为 k8s集群地址
在这里插入图片描述
然后再浏览器通过Ingress域名+Service的暴露端口进行访问
在这里插入图片描述

结束

本次文章内容到这里就结束了
后续博主还会继续分享k8s中ConfigMap和Secret两个概念
请大家多多支持

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转载自blog.csdn.net/DreamsArchitects/article/details/126300496
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