学习 Kubernetes 基础知识

2025-02-20 20:00

上一篇你好 minikube介绍了如何使用 Minikube 在本地搭建一个单机版的 Kubernetes ，本文在此基础上介绍 Kubernetes 集群编排系统的基础知识。

0 何为 Kubernetes ?

现代的 Web 服务，用户希望应用程序能够 24/7 全天候使用，而开发人员希望每天可以多次发布部署新版本的应用程序。理论上这两个需求是相悖的。 而容器化可以帮助达成这些目标，使应用程序能够以简单快速的方式发布和更新，而无需停机。 Kubernetes 确保这些容器化的应用程序在确定的时间和服务器节点运行。Kubernetes 是一个可用于生产的开源平台，根据 Google 容器集群方面积累的经验以及来自社区的最佳实践而设计。

Kubernetes 有以下几个模块：

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本文比上一篇多 2 个步骤，横向扩展（scale）和更新（update）。

1 创建集群

使用 Minikube 启动一个 Kubernetes 集群具体步骤参考上一篇：你好 minikube

Kubernetes 协调一个高可用计算机集群，每个计算机作为独立单元互相连接工作。 Kubernetes 以更高效的方式跨集群自动分发和调度应用容器。

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Kubernetes 集群有2个角色：

  • 控制面板（control panel）：负责管理整个集群。
  • 节点（node）：负责托管正在运行的应用。

每个节点都是是一个虚拟机或者物理机。节点（node）使用控制面（control panel）暴露的 Kubernetes API 与控制面通信。

“一生二，二生三，三生万物。” - - 处理生产级流量的 Kubernetes 集群至少应具有三个节点，因为如果只有一个节点，出现故障时其对应的 etcd 成员和控制面实例都会丢失， 并且冗余会受到影响。可以通过添加更多控制面节点来降低这种风险。

2 部署应用

一旦有了一个正在运行的 Kubernetes 集群，就可以在上面部署容器化应用了。为此，需要创建一个 Kubernetes 部署（Deployment）。部署会指示 Kubernetes 如何创建和更新应用程序的实例。创建部署后，Kubernetes 控制平面会调度部署中的应用实例在集群中的各个节点上运行。

创建应用实例后，Kubernetes 部署控制器会持续监控这些实例。如果托管实例的节点宕机或被删除，部署控制器会用群集中另一个节点上的实例替换该实例。

这就提供了一种自愈机制（self-healing mechanism），以解决机器故障或维护问题。

在传统部署世界里，安装脚本通常用于启动应用程序，但无法从机器故障中恢复。Kubernetes 部署既能创建应用实例，又能让它们跨节点运行，解决机器故障或维护问题。

kubectl create deployment kubernetes-bootcamp --image=gcr.io/google-samples/kubernetes-bootcamp:v1
kubectl get deployments
# NAME                  READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
# kubernetes-bootcamp   1/1     1            1           18m
# 看到有 1 个 Deployment 运行应用的单个实例。这个实例运行在节点上的一个容器内。

这个过程中执行了以下一些操作：

  • 搜索应用实例可以运行的合适节点（我们只有一个可用的节点）
  • 调度应用在此节点上运行
  • 配置集群在需要时将实例重新调度到新的节点上

在 Kubernetes 内运行的 Pod 运行在一个私有的、隔离的网络上。 默认这些 Pod 可以从同一 Kubernetes 集群内的其他 Pod 和服务看到，但超出这个网络后则看不到。 当使用 kubectl 时，实际是通过 API 端点交互与应用进行通信。

2.1 Kubernetes 集群 API 代理

kubectl proxy

通过上述命令可以在主机（终端）和 Kubernetes 集群之间有一个连接。此代理能够从这些终端直接访问 API。 你可以看到通过代理端点托管的所有 API。

可以运行以下命令通过代理的 API 访问 Pod：

export POD_NAME=$(kubectl get pods -o go-template --template '\n')
echo Name of the Pod: $POD_NAME
curl http://localhost:8001/api/v1/namespaces/default/pods/$POD_NAME/

3 了解应用（pod 和 node）

应用由 pod 组成，而 pod 由 container 组成，pod 运行在 node 上。

3.1 什么是 pod

创建 Deployment 时, Kubernetes 创建了一个 Pod 来托管应用实例。Pod 是 Kubernetes 抽象出来的， 表示一组一个或多个应用容器（如 Docker），以及这些容器的一些共享资源。这些资源包括：

  • 共享存储(卷 volume)
  • 网络，作为唯一的集群 IP 地址
  • 有关每个容器如何运行的信息，例如容器镜像版本或要使用的特定端口

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Pod 是 Kubernetes 平台上的原子单元。当在 Kubernetes 上创建 Deployment 时， 该 Deployment 会在其中创建包含容器的 Pod（而不是直接创建容器）。 每个 Pod 都与调度它的节点绑定，并保持在那里直到终止（根据重启策略）或删除。 如果节点发生故障，则会在集群中的其他可用节点上调度相同的 Pod。

3.2 什么是 node

Pod 总是运行在节点上。节点是 Kubernetes 中参与计算的机器，可以是虚拟机或物理计算机，具体取决于集群。 每个节点由控制面板（control panel）管理。节点可以有多个 Pod，Kubernetes 控制面会自动处理在集群中的节点上调度 Pod。 控制面的自动调度考量了每个节点上的可用资源（如 CPU 内存）。

每个 Kubernetes 节点至少运行：

  • Kubelet（相当于传统概念中的 agent）：负责 Kubernetes 控制面和节点之间通信的进程；它管理机器上运行的 Pod 和容器。
  • 容器运行时（如 Docker）：负责从镜像仓库中提取容器镜像、解压缩容器以及运行应用。

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3.3 使用 kubectl 进行故障排除

使用：

  • kubectl get - 列出资源
  • kubectl describe - 显示有关资源的详细信息
  • kubectl logs - 打印 Pod 中容器的日志
  • kubectl exec - 在 Pod 中的容器上（注意： 与 docker区别是此处不是直接在容器上）执行命令

排除 Kubernetes 应用故障。

kubectl get pods
kubectl describe pods
# 重开一个终端运行： kubectl proxy
export POD_NAME="$(kubectl get pods -o go-template --template '\n')"
echo Name of the Pod: $POD_NAME
curl http://localhost:8001/api/v1/namespaces/default/pods/$POD_NAME:8080/proxy/
kubectl logs "$POD_NAME"
# 注意此处 kubectl exec 与 docker exec 的区别是命令中多了两个横杠： `--`
kubectl exec "$POD_NAME" -- env
kubectl exec -ti $POD_NAME -- bash
cat server.js
curl http://localhost:8080
exit

4 暴露应用

当一个工作节点挂掉后, 在节点上运行的 Pod 也会消亡。Kubernetes 集群中的每个 Pod 都有一个唯一的 IP 地址，即使是在同一个 Node 上的 Pod 也是如此， 因此需要一种方法来自动协调 Pod 之间的变化（例如重启新建Pod，IP可能会变化），以便应用保持运行。这个方法就是Kubernetes 的 Service。

4.1 什么是 Service

Kubernetes 的 Service 是一个抽象层，它定义了一组 Pod 的逻辑集，并为这些 Pod 支持外露流量暴露、负载均衡和服务发现。Service 使从属 Pod 之间的松耦合成为可能。 和所有 Kubernetes 对象清单一样, Service 用 YAML 或者 JSON 来定义。 Service 下的一组 Pod 通常由一个 标签选择算符 来标记。

尽管每个 Pod 都有一个唯一的 IP 地址，但是如果没有 Service，这些 IP 不会被公开到集群外部。 Service 允许应用接收流量。 通过设置 Service 的 spec 中的 type，可以用不同的方式公开 Service：

  • ClusterIP（默认）- 在集群的内部 IP 上公开 Service。这种类型使得 Service 只能从集群内访问。
  • NodePort - 使用 NAT 在集群中每个选定 Node 的相同端口上公开 Service 。使用: 从集群外部访问 Service。是 ClusterIP 的超集。
  • LoadBalancer - 在当前云中创建一个外部负载均衡器（如果支持的话），并为 Service 分配一个固定的外部IP。是 NodePort 的超集。
  • ExternalName - 将 Service 映射到 externalName 字段的内容（例如 foo.bar.example.com），通过返回带有该名称的 CNAME 记录实现。不设置任何类型的代理。这种类型需要 kube-dns 的 v1.7 或更高版本，或者 CoreDNS 的 0.8 或更高版本。

4.2 Service 和 Label

Service 为一组 Pod 提供流量路由。Service 是一种抽象，允许 Kubernetes 中的 Pod 死亡和复制，而不会影响应用。

在相互依赖的 Pod（如应用中的前端和后端组件）之间进行服务发现和路由是由 Kubernetes Service 处理的。

Service 通过Label和selector来匹配一组 Pod， 它们是允许对 Kubernetes 中的对象进行逻辑操作的一种分组原语。 标签是附加在对象上的键/值对，可以以多种方式使用：

  • 指定用于开发、测试和生产的对象
  • 嵌入版本标记
  • 使用标记将对象分类

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标签可以在对象创建时或之后附加到对象上。它们可以随时被修改。现在使用 Service 发布应用并添加一些标签。

第一步：创建新 Service

kubectl get pods
kubectl get services
kubectl expose deployment/kubernetes-bootcamp --type="NodePort" --port 8080
kubectl get services
kubectl describe services/kubernetes-bootcamp
export NODE_PORT="$(kubectl get services/kubernetes-bootcamp -o go-template='')"
echo "NODE_PORT=$NODE_PORT"
curl http://"$(minikube ip):$NODE_PORT"
# minikube ip -> 192.168.49.2 这是通过节点的方式暴露服务

第二步：使用标签 Label

kubectl describe deployment
# -l 是 label 的意思
kubectl get pods -l app=kubernetes-bootcamp
export POD_NAME="$(kubectl get pods -o go-template --template '\n')"
echo "Name of the Pod: $POD_NAME"
# 使用 label 子命令，接着是对象类型、对象名称和新的标签
kubectl label pods "$POD_NAME" version=v1
kubectl describe pods "$POD_NAME"
kubectl get pods -l version=v1

第三步：删除一个 Service

kubectl delete service -l app=kubernetes-bootcamp
kubectl get services

最后，要确认路由已经不再被公开，可以 curl 之前公开的 IP 和端口，这证明了集群外部已经不再可以访问应用。 可以通过在 Pod 内部运行 curl 确认应用仍在运行。

curl http://"$(minikube ip):$NODE_PORT"
kubectl exec -ti $POD_NAME -- curl http://localhost:8080

5 扩缩应用

上一章节创建了一个 Deployment， 然后通过 Service 让其可以公开访问。 Deployment 仅创建了一个 Pod 用于运行这个应用。当流量增加时，则需要扩容应用满足用户需求。

5.1 负载均衡器 LoadBalancer

上一节使用的NodePort的方式暴露应用，实际上可以理解他为单点服务，那么要是要使用横向扩容，则需要负载均衡（LoadBalancer）：

kubectl delete deployment kubernetes-bootcamp
kubectl create deployment kubernetes-bootcamp --image=gcr.io/google-samples/kubernetes-bootcamp:v1
kubectl expose deployment/kubernetes-bootcamp --type="LoadBalancer" --port 8080
单点扩容后
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Service 有一个集成的负载均衡器（LoadBalancer）， 将网络流量分配到一个可公开访问的 Deployment 的所有 Pod 上。 Service 将会一直通过端点来监视 Pod 的运行，保证流量只分配到可用的 Pod 上。 一旦有了多个应用实例，就可以进行滚动更新而无需停机。在下一节介绍这些。 现在进入终端扩缩应用。

5.2 扩容 Deployment

扩容：

kubectl get deploy # deployments
# NAME                  READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
# kubernetes-bootcamp   1/1     1            1           11m
# NAME 列出 Deployment 在集群中的名称。
# READY 显示当前/预期（CURRENT/DESIRED）副本数的比例。
# UP-TO-DATE 显示为了达到预期状态，而被更新的副本的数量。
# AVAILABLE 显示应用有多少个副本对你的用户可用。
# AGE 显示应用的运行时间。
kubectl get rs # ReplicaSet
# 扩容 Deployment 到 4 个副本
kubectl scale deployments/kubernetes-bootcamp --replicas=4
kubectl get deployments
kubectl get pods -o wide
kubectl describe deployments/kubernetes-bootcamp

export NODE_PORT="$(kubectl get services/kubernetes-bootcamp -o go-template='')"

echo NODE_PORT=$NODE_PORT
for _ in {1..4}; do curl http://"$(minikube ip):$NODE_PORT"; done
# Hello Kubernetes bootcamp! | Running on: kubernetes-bootcamp-9bc58d867-j7852 | v=1
# Hello Kubernetes bootcamp! | Running on: kubernetes-bootcamp-9bc58d867-7zgz6 | v=1
# Hello Kubernetes bootcamp! | Running on: kubernetes-bootcamp-9bc58d867-j7852 | v=1
# Hello Kubernetes bootcamp! | Running on: kubernetes-bootcamp-9bc58d867-zmrqq | v=1
# 每个请求都命中了不同的 Pod，这证明负载均衡正在工作。

缩容：

kubectl scale deployments/kubernetes-bootcamp --replicas=2
kubectl get deployments
kubectl get pods -o wide

6 滚动更新

用户希望应用程序始终可用，而开发人员则需要每天多次部署它们的新版本。

6.1 什么是 rolling update

在 Kubernetes 中，这些是通过滚动更新（Rolling Updates）完成的。 滚动更新 允许通过使用新的实例逐步更新 Pod 实例，实现零停机的 Deployment 更新。 新的 Pod 将被调度到具有可用资源的节点上。

默认情况下，更新期间不可用的 pod 的最大值和可以创建的新 pod 数都是 1。这两个选项都可以配置数字或百分比。 在 Kubernetes 中，更新是经过版本 version 控制的，任何 Deployment 更新都可以恢复到以前的（稳定）版本。

原始状态更新 1 个 pod
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更新 2 个 pod直到更新全部 pods
1011

Service 在更新期间仅将流量负载均衡到可用的 Pod。 可用的 Pod 是指应用程序对于用户可用的实例。

滚动更新允许以下操作：

  • 将应用程序从一个环境升级到另一个环境（通过容器镜像更新）
  • 回滚到以前的版本
  • 持续集成和持续交付应用程序（CI/CD），无需停机

6.2 为应用执行滚动更新

第一步：更新应用的版本

kubectl get deployments
kubectl get pods
kubectl describe pods
# 此命令通知 Deployment 为应用程序使用不同的镜像（v2），并启动滚动更新。 
kubectl set image deployments/kubernetes-bootcamp kubernetes-bootcamp=jocatalin/kubernetes-bootcamp:v2
kubectl get pods

第二步：验证更新

kubectl describe services/kubernetes-bootcamp
export NODE_PORT="$(kubectl get services/kubernetes-bootcamp -o go-template='')"
echo "NODE_PORT=$NODE_PORT"
curl http://"$(minikube ip):$NODE_PORT"
# 通过运行 rollout status 来确认此次更新
kubectl rollout status deployments/kubernetes-bootcamp
# 确认正在运行最新的版本（v2）
kubectl describe pods

（可选）：回滚更新

# 执行另一次更新，并尝试部署一个标记为 v10 的镜像（实际上 v10 不存在），因此会更新失败
kubectl set image deployments/kubernetes-bootcamp kubernetes-bootcamp=gcr.io/google-samples/kubernetes-bootcamp:v10
kubectl get deployments
kubectl describe pods
# 要回滚 Deployment 到上一个可以工作的版本，使用 rollout undo 子命令：
kubectl rollout undo deployments/kubernetes-bootcamp
kubectl get pods

（可选）：清除集群

# 可以把要删除的 deployments 和 services 写到一行里
kubectl delete deployments/kubernetes-bootcamp services/kubernetes-bootcamp