Kubernetes核心技术--Pod，Label，Volume，Service，Deployment详解

一.kubernetes简介

kubernetes，简称K8s，是用8代替8个字符“ubernete”而成的缩写。是一个开源的，用于管理云平台中多个主机上的容器化的应用，Kubernetes的目标是让部署容器化的应用简单并且高效（powerful）,Kubernetes提供了应用部署，规划，更新，维护的一种机制。

传统的应用部署方式是通过插件或脚本来安装应用。这样做的缺点是应用的运行、配置、管理、所有生存周期将与当前操作系统绑定，这样做并不利于应用的升级更新/回滚等操作，当然也可以通过创建虚拟机的方式来实现某些功能，但是虚拟机非常重，并不利于可移植性。

新的方式是通过部署容器方式实现，每个容器之间互相隔离，每个容器有自己的文件系统 ，容器之间进程不会相互影响，能区分计算资源。相对于虚拟机，容器能快速部署，由于容器与底层设施、机器文件系统解耦的，所以它能在不同云、不同版本操作系统间进行迁移。

容器占用资源少、部署快，每个应用可以被打包成一个容器镜像，每个应用与容器间成一对一关系也使容器有更大优势，使用容器可以在build或release 的阶段，为应用创建容器镜像，因为每个应用不需要与其余的应用堆栈组合，也不依赖于生产环境基础结构，这使得从研发到测试、生产能提供一致环境。类似地，容器比虚拟机轻量、更“透明”，这更便于监控和管理

Pod，Label，Volume，Service，Deployment是kubernetes工作过程中重要的几个概念

二.Pod

Pod是Kubernetes的最重要概念，每一个Pod都有一个特殊的被称为”根容器“的Pause容器。Pause容器对应的镜像属于Kubernetes平台的一部分，除了Pause容器，每个Pod还包含一个或多个紧密相关的用户业务容器。

2.1 创建Pod

在kubernetes中，使用下面的yaml文件定义的Pod的完整内容

apiVersion: v1 //版本
kind: Pod //类型，pod
metadata: //元数据
name: string //元数据，pod的名字
namespace: string //元数据，pod的命名空间
labels: //元数据，标签列表
- name: string //元数据，标签的名字
annotations: //元数据,自定义注解列表
- name: string //元数据,自定义注解名字
spec: //pod中容器的详细定义
containers: //pod中的容器列表，可以有多个容器
- name: string //容器的名称
image: string //容器中的镜像
imagesPullPolicy: [Always|Never|IfNotPresent]//获取镜像的策略，默认值为Always，每次都尝试重新下
载镜像
command: [string] //容器的启动命令列表（不配置的话使用镜像内部的命令）
args: [string] //启动参数列表
workingDir: string //容器的工作目录
volumeMounts: //挂载到到容器内部的存储卷设置
- name: string
mountPath: string //存储卷在容器内部Mount的绝对路径
readOnly: boolean //默认值为读写
ports: //容器需要暴露的端口号列表
- name: string
containerPort: int //容器要暴露的端口
hostPort: int //容器所在主机监听的端口（容器暴露端口映射到宿主机的端口，设置hostPort时同一
台宿主机将不能再启动该容器的第2份副本）
protocol: string //TCP和UDP，默认值为TCP
env: //容器运行前要设置的环境列表
- name: string
value: string
resources:
limits: //资源限制，容器的最大可用资源数量
cpu: Srting
memory: string
requeste: //资源限制，容器启动的初始可用资源数量
cpu: string
memory: string
livenessProbe: //pod内容器健康检查的设置
exec:
command: [string] //exec方式需要指定的命令或脚本
httpGet: //通过httpget检查健康
path: string
port: number
host: string
scheme: Srtring
httpHeaders:
- name: Stirng
value: string
tcpSocket: //通过tcpSocket检查健康
port: number
initialDelaySeconds: 0//首次检查时间
timeoutSeconds: 0 //检查超时时间
periodSeconds: 0 //检查间隔时间
successThreshold: 0
failureThreshold: 0
securityContext: //安全配置
privileged: falae
restartPolicy: [Always|Never|OnFailure]//重启策略，默认值为Always
nodeSelector: object //节点选择，表示将该Pod调度到包含这些label的Node上，以key:value格式指定
imagePullSecrets:
- name: string
hostNetwork: false //是否使用主机网络模式，弃用Docker网桥，默认否
volumes: //在该pod上定义共享存储卷列表
- name: string
emptyDir: {} //是一种与Pod同生命周期的存储卷，是一个临时目录，内容为空
hostPath: //Pod所在主机上的目录，将被用于容器中mount的目录
path: string
secret: //类型为secret的存储卷
secretName: string
item:
- key: string
path: string
configMap: //类型为configMap的存储卷
name: string
items:
- key: string
path: string

2.2 Pod使用方法

在kubernetes中对运行容器的要求为：容器的主程序需要一直在前台运行，而不是后台运行。应用需要改造成前台运行的方式。如果我们创建的Docker镜像的启动命令是后台执行程序，则在kubelet创建包含这个容器的pod之后运行完该命令，即认为Pod已经结束，将立刻销毁该Pod。如果为该Pod定义了RC，则创建、销毁会陷入一个无限循环的过程中。

Pod可以由1个或多个容器组合而成

由一个容器组成的Pod，其yaml文件：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mytomcat
  labels:
    name: mytomcat
spec:
  containers:
  - name: mytomcat
    image: tomcat
    ports:
    - containerPort: 8000

由两个为紧耦合的容器组成的Pod的yaml文件：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myweb
  labels:
    name: tomcat-redis
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat
    ports:
    - containerPort: 8080
  - name: redis
    image: redis
    ports:
    - containerPort: 6379

使用yaml文件创建Pod

kubectl create -f xxx.yaml

查看Pod详细信息命令

kubectl get pod/po <Pod_name>
kubectl get pod/po <Pod_name> -o wide
kubectl describe pod/po <Pod_name>

删除Pod命令

kubectl delete -f pod pod_name.yaml
kubectl delete pod --all/[pod_name]

2.3 静态Pod和普通Pod

Pod有两种类型，一种是静态Pod，另一种是普通Pod

普通Pod

普通Pod一旦被创建，就会被放入到etcd中存储，随后会被Kubernetes Master调度到某个具体的Node上并进行绑定，随后该Pod对应的Node上的kubelet进程实例化成一组相关的Docker容器并启动起来。在默认情况下，当Pod里某个容器停止时，Kubernetes会自动检测到这个问题并且重新启动这个Pod里某所有容器，如果Pod所在的Node宕机，则会将这个Node上的所有Pod重新调度到其它节点上

静态Pod

静态Pod是由kubelet进行管理的仅存在于特定Node上的Pod,它们不能通过 API Server进行管理，无法与ReplicationController、Deployment或DaemonSet进行关联，并且kubelet也无法对它们进行健康检查

静态Pod由于管理非常不方便所以很少使用，日常运维和开发中常用的Pod都是普通Pod

2.4 Pod的生命周期和重启策略

Pod的状态

状态值	说明
Pending	API Server已经创建了该Pod,但Pod中的一个或多个容器的镜像还没有创建，包括镜像下载过程
Running	Pod内所有容器已创建，且至少一个容器处于运行状态、正在启动状态或正在重启状态
Completed	Pod内所有容器均成功执行退出，且不会再重启
Failed	Pod内所有容器均已退出，但至少一个容器退出失败
Unknown	由于某种原因无法获取Pod状态，例如网络通信不畅

Pod重启策略

Pod的重启策略包括Always、OnFailure和Never，默认值是Always

重启策略	说明
Always	当容器失效时，由kubelet自动重启该容器
OnFailure	当容器终止运行且退出码不为0时，由kubelet自动重启该容器
Never	不论容器运行状态如何，kubelet都不会重启该容器

Pod常见状态转换

Pod包含的容器数	Pod当前的状态	发生事件	Pod的结果状态
			RestartPolicy=Always	RestartPolicy=OnFailure	RestartPolicy=Never
包含一个容器	Running	容器成功退出	Running	Succeeded	Succeeded
包含一个容器	Running	容器失败退出	Running	Running	Failure
包含两个容器	Running	1个容器失败退出	Running	Running	Running
包含两个容器	Running	容器被OOM杀掉	Running	Running	Failure

2.5 Pod资源配置

每个Pod都可以对其能使用的服务器上的计算资源设置限额，Kubernetes中可以设置限额的计算资源有CPU与
Memory两种，其中CPU的资源单位为CPU数量,是一个绝对值而非相对值。Memory配额也是一个绝对值，它的单
位是内存字节数。
Kubernetes里，一个计算资源进行配额限定需要设定以下两个参数：

• Requests 该资源最小申请数量，系统必须满足要求

• Limits 该资源最大允许使用的量，不能突破，当容器试图使用超过这个量的资源时，可能会被KubernetesKill并重启

sepc
  containers:
  - name: db
    image: mysql
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"

上述代码表明MySQL容器申请最少0.25个CPU以及64MiB内存，在运行过程中容器所能使用的资源配额为0.5个CPU以及128MiB内存。

三.Label

Label是Kubernetes系统中另一个核心概念。一个Label是一个key=value的键值对，其中key与value由用户自己指定。Label可以附加到各种资源对象上，如Node、Pod、Service、RC，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上，Label通常在资源对象定义时确定，也可以在对象创建后动态添加或删除。
Label的最常见的用法是使用metadata.labels字段，来为对象添加Label，通过spec.selector来引用对象

apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
name: nginx
spec:
replicas: 3
selector:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx
ports:
- containerPort: 80
-------------------------------------
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
spec:
type: NodePort
ports:
- port: 80
nodePort: 3333
selector:
app: nginx

Label附加到Kubernetes集群中的各种资源对象上，目的就是对这些资源对象进行分组管理，而分组管理的核心就是Label Selector。Label与Label Selector都是不能单独定义，必须附加在一些资源对象的定义文件上，一般附加在RC和Service的资源定义文件中。

四.Replication Controller

Replication Controller(RC)是Kubernetes系统中核心概念之一，当我们定义了一个RC并提交到Kubernetes集群中以后，Master节点上的Controller Manager组件就得到通知，定期检查系统中存活的Pod,并确保目标Pod实例的数量刚好等于RC的预期值，如果有过多或过少的Pod运行，系统就会停掉或创建一些Pod.此外我们也可以通过修改RC的副本数量，来实现Pod的动态缩放功能

kubectl scale rc nginx --replicas=5

由于Replication Controller与Kubernetes代码中的模块Replication Controller同名，所以在Kubernetes v1.2时，它就升级成了另外一个新的概念Replica Sets,官方解释为下一代的RC，它与RC区别是:Replica Sets支援基于集合的Label selector,而RC只支持基于等式的Label Selector。我们很少单独使用Replica Set,它主要被Deployment这个更高层面的资源对象所使用，从而形成一整套Pod创建、删除、更新的编排机制。最好不要越过RC直接创建Pod，因为Replication Controller会通过RC管理Pod副本，实现自动创建、补足、替换、删除Pod副本，这样就能提高应用的容灾能力，减少由于节点崩溃等意外状况造成的损失。即使应用程序只有一个Pod副本，也强烈建议使用RC来定义Pod

五.Replica Set

ReplicaSet 跟 ReplicationController 没有本质的不同，只是名字不一样，并且 ReplicaSet 支持集合式的selector（ReplicationController 仅支持等式）。Kubernetes官方强烈建议避免直接使用ReplicaSet，而应该通过Deployment来创建RS和Pod。由于ReplicaSet是ReplicationController的代替物，因此用法基本相同，唯一的区别在于ReplicatSet支持集合式的selector。

六.Deployment

Deployment是Kubenetes v1.2引入的新概念，引入的目的是为了更好的解决Pod的编排问题，Deployment内部使用了Replica Set来实现。Deployment的定义与Replica Set的定义很类似，除了API声明与Kind类型有所区别：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
    tier: frontend
  matchExpressions:
    - {key: tier, operator: In, values: [frontend]}
template:
  metadata:
    labels:
      app: app-demo
      tier: frontend
  spec:
    containers:
    - name: tomcat-demo
      image: tomcat
      ports:
      - containerPort: 8080

七.Horizontal Pod Autoscaler

Horizontal Pod Autoscal(Pod横向扩容 简称HPA)与RC、Deployment一样，也属于一种Kubernetes资源对象。通过追踪分析RC控制的所有目标Pod的负载变化情况，来确定是否需要针对性地调整目标Pod的副本数，这是HPA的实现原理。
Kubernetes对Pod扩容与缩容提供了手动和自动两种模式，手动模式通过kubectl scale命令对一个
Deployment/RC进行Pod副本数量的设置。自动模式则需要用户根据某个性能指标或者自定义业务指标，并指定Pod副本数量的范围，系统将自动在这个范围内根据性能指标的变化进行调整。

八.Volume

Volume是Pod中能够被多个容器访问的共享目录。Kubernetes的Volume定义在Pod上，它被一个Pod中的多个容器挂载到具体的文件目录下。Volume与Pod的生命周期相同，但与容器的生命周期不相关，当容器终止或重启时，Volume中的数据也不会丢失。要使用volume，pod需要指定volume的类型和内容（ spec.volumes 字段），和映射到容器的位置（ spec.containers.volumeMounts 字段）。 Kubernetes支持多种类型的Volume,包括：emptyDir、hostPath、gcePersistentDisk、awsElasticBlockStore、nfs、iscsi、flocker、glusterfs、rbd、cephfs、gitRepo、secret、persistentVolumeClaim、downwardAPI、azureFileVolume、azureDisk、vsphereVolume、Quobyte、PoteworxVolume、ScaleIO

九.Namespace

Namespace在很多情况下用于实现多用户的资源隔离，通过将集群内部的资源对象分配到不同的Namespace中，形成逻辑上的分组，便于不同的分组在共享使用整个集群的资源同时还能被分别管理。Kubernetes集群在启动后，会创建一个名为"default"的Namespace，如果不特别指明Namespace,则用户创建的Pod，RC，Service都将被系统 创建到这个默认的名为default的Namespace中。

十.Service

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