容器编排工具Kubernetes内部工作原理

一、Kubernetes是什么

　　要说到docker就不得不说说Kubernetes。当Docker容器在微服务的环境下数量一多，那么统一的，自动化的管理自然少不了。而Kubernetes就是一个这样的工具，它不仅仅提供了健康检查和自修复，还有自动扩容缩容，以及服务发现和负载均衡等等功能。总的来说它使我们对于大量的Docker容器管理更加的方便。

二、Kubernetes整体架构图及对应功能分析

　　1、kubectl：这是相当于用户客户端一样，也是我们较常使用的命令行工具，通过这个工具可以发起对应的请求到master节点中，当然自己开发的客户端同样可以通过HTTP协议发起对应的RESTAPI请求访问APIServer。

　　2、Master：Master节点是整个Kubernetes的核心节点，主要职责是负责调度，即应用放在哪里运行，同样为了高可用可运行多个Master。而Master中主要有APIServer，ControllerManager，Scheduler，Etcd，Kube-DNS。对应的职责分别如下：

　　2.1、APIServer：提供了资源操作的唯一入口，注意其他节点是无法被外面请求操作的（不是说内部运行的容器无法被访问，而是说无法通过发请求的方式直接操作node），只有Master节点才能接受外面的请求进行操作Node节点，其中主要提供了认证、授权、访问控制整个集群。而dashboard是提供了一个展示界面。

　　2.2、Scheduler：负责资源的调度，根据一定的调度策略，将对应Node上面的Pod运行起来。

　　2.3、ControllerManager：负责维护集群的状态，比如故障检测，扩缩容，滚动更新。在Pod运行起来，就由ControllerManager负责管理其状态

　　2.4、ETCD：用于一致性存储，保存pod，service等等的Kubernetes状态。这里可以理解为mysql在我们日常项目中的存储作用，只要是用于存取Kubernetes中所有的持久化数据。

　　2.5、Kube-dns：DNS组件负责整个集群的DNS服务。使得内部Pod相互之间可通过名字访问。有了这个功能就不需要写繁琐的IP地址，通过服务的名字即可访问对方。

　　3、Node：理解为分支节点，主要作用在于提供Kubernetes运行时的环境，以及维护Pod。内部主要有Kubblet，kube-proxy，docker等

　　3.1、Kubblet：通过Master发送的请求到Node分支上的Kubblet，然后就由Kubblet负责维护当前节点上容器的生命周期，也负责维护当前节点的数据卷及网络。

　　3.2、Kube-proxy：提供内部的服务发现和负载均衡。可以在图上看见虚线框起来的三个框，可以认为这三个Pod算是一个服务，即service，而外部可通过Kube-proxy暴露的端口来进行统一的访问。并且默认是使用轮询的负载均衡策略来访问。

三、Pod详解

　　Pod作为Kubernetes的核心资源，这里单独拿出来解释。在Kubernetes集群中，Pod是所有业务类型的基础，它是一个或多个容器的组合，也就是Pod内部可以有多个Docker容器存在，不是一个Pod代表一个容器，注意区分概念。在其中的这些容器共享存储、网络和命名空间，以及如何运行的规范。在Pod中，所有容器都被同一安排和调度，并运行在共享的上下文中。对于具体应用而言，Pod是它们的逻辑主机，Pod包含业务相关的多个应用容器。这些容器可以通过localhost发现彼此。每一个Pod有自己的一个IP地址。

　　1、Pod工作方式

　　　　在Kubernetes中一般不会直接创建一个独立的Pod，这是因为Pod是临时存在的一个实体。当直接创建一个独立的Pod时，如果缺少资源或者所被调度到的Node失败，则Pod会直接被删除。这里需要注意的是，重起Pod和重起Pod中的容器不是一个概念，Pod自身不会运行，它只是容器所运行的一个环境。Pod本身没有自愈能力，如果Pod所在的Node失败，或者如果调度操作本身失败，则Pod将会被删除；同样的，如果缺少资源，Pod也会失败。Kubernetes使用高层次的抽象，即控制器来管理临时的Pod。通过控制器能够创建和管理多个Pod，并在集群范围内处理副本、部署和提供自愈能力。

　　2、重启策略

　　　　Pod既然内部运行着容器，那么免不了会因为异常等原因导致其终止退出，Pod支持三种重启策略，需要在配置文件中通过restartPolicy字段设置重启策略：

　　　　Always：只要退出就会重启

　　　　OnFailure：只有在失败退出（即exit code不等于0时），才会重启

　　　　Never：只要退出就不再重启

　　3、镜像拉取策略

　　　　前一篇博客有讲容器与镜像的概念，在Kubernetes中运行容器时，需要为容器获取镜像。Pod中容器的镜像有三个来源，即Docker公共镜像仓库、私有镜像仓库和本地镜像。当在内网使用的Kubernetes场景下，就需要搭建和使用私有镜像仓库。Pod支持三种镜像拉取策略，在配置文件中通过imagePullPolicy字段设置镜像拉取策略：

　　　　Always：不管本地是否存在镜像都会进行一次拉取

　　　　Never：不管本地是否存在镜像都不会进行拉取

　　　　IfNotPresent：仅在本地镜像不存在时，才会进行镜像拉取

　　这里有需要注意的点：镜像拉取策略的默认值IfNotPresent，但:lastest标签的镜像默认为Always。所以生产环境中避免使用:lastest标签。还有就是拉取镜像时docker会进行校验，如果镜像中的MD5码没有变，则不会拉取镜像数据。

　　4、资源限制

　　　　Kubernetes通过cgroups来限制容器的CPU和内存等计算资源，在创建Pod时，可以为Pod中的每个容器设置资源请求(request)和资源限制(limit)，资源请求是容器需要的最小资源要求，资源限制为容器所能使用的资源上限。CPU的单位是核(core)，内存(Memory)的单位是字节(byte)。

　　5、终止Pod

　　　　在集群中，Pod代表运行的进程，但不再需要这些进程时，如何优雅的终止这些进程是非常重要的。当用户请求删除一个Pod时，Kubernetes将会发送一个终止信号给每个容器，一旦过了优雅期，就会发送kill信号，从而通过APIServer删除Pod。通常默认的优雅退出时间为30s。缓慢关闭的Pod依然可以对外继续服务，直到负载均衡器将其移除，当超过优雅的退出时间，在Pod中任何正在运行的进程都会被kill。

四、Pod的生命周期

　　1、Pending

　　　　Pod已经被Kubernetes系统接受，但是还有一个或者多个容器镜像未被创建。这包括Pod正在被调度和从网络上下载镜像的时间。

　　2、Running

　　　　Pod已经被绑定到了一个Node，所有容器已经被创建，至少有一个容器在运行

　　3、Succeeded

　　　　在Pod中所有容器已经被成功停止，并且不再重启

　　4、Failed

　　　　在Pod中所有容器已经被终止，并且至少有一个容器是非正常终止的，即容器以非零状态退出或者被系统强行终止的。

　　5、Unknown

　　　　Pod在某些原因下不能被获取。通常是网络问题。

五、service图

　　前面有说到Docker目前在微服务架构运行的很广泛，而Kubernetes作为编排Docker容器的强大工具自然是我们的首选。而Kubernetes又是怎么和微服务结合起来的呢？

　　上面有说到Pod拥有自己的IP地址，实际上在Pod外面还包裹着一层Service，这个Service是逻辑存在的，在最上面的架构图中就类似kube-proxy串在一起的三个Pod，而service的IP是由kube-proxy给我们提供。这就是与微服务之间能够连起来了。其中同一个service的Pod应该是相同的，kube-proxy会自动给我们做负载均衡，默认使用轮询。同样与Docker不相同的是Pod之间是可以通过名字直接访问的，Node同样也是，这就为我们的服务调用提供了很便利的方式。

六、总结

　　Kubernetes是一个容器编排及其自动化管理的工具。随着业务增长Docker容器越来越多，如果需要每一个自己手动管理，那么将会翻倍的增加我们的工作量。所以Kubernetes是我们在学习Docker中需要进阶的知识。