关于 Kubernetes中一些基本概念和术语笔记（一）

写在前面

学习K8s，所以整理记忆

一个不欣赏自己的人，是难以快乐的。-------三毛

一、简述

Kubernetes中的大部分概念如Node, Pod,Replication Controller, Service等都可以看作一种“资源对象”,几乎所有的资源对象都可以通过Kubernetes提供的kubect工具(或者API编程调用)执行增、删、改、查等操作并将其保存在etcd中持久化存储。从这个角度来看,Kubernetes其实是一个高度自动化的资源控制系统,它通过`跟踪对比etcd库里保存的“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的高级功能。

K8s中相关资源：随版本变化

┌──[root@vms81.liruilongs.github.io]-[~/ansible/k8s-pod-create] └─$kubectl api-resources

二、Kubernetes集群的两种管理角色: Master和Node

1、Master角色

Kubernetes里的Master指的是 集群控制节点,

每个Kubernetes集群里需要有一个Master节点来负责整个集群的管理和控制,基本上Kubernetes的所有控制命令都发给它,它来负责具体的执行过程,我们后面执行的所有命令基本都是在Master节点上运行的。

Master节点通常会占据一个独立的服务器(高可用部署建议用3台服务器),其主要原因是它太重要了,是整个集群的“首脑”,如果宕机或者不可用,那么对集群内容器应用的管理都将失效。Master节点上运行着以下一组关键进程。

除了Master,

Kubernetes集群中的其他机器被称为Node节点

2、Node角色

在较早的版本中也被称为Miniono与Master一样, Node节点可以是一台物理主机,也可以是一台虚拟机。

Node节点才是Kubermetes集群中的工作负载节点,每个Node都会被Master分配一些工作负载(Docker容器),当某个Node宕机时,其上的工作负载会被Master自动转移到其他节点上去。

每个Node节点上都运行着以下一组关键进程。

Node节点可以在运行期间动态增加到Kubernetes集群中,前提是这个节点上已经正确安装、配置和启动了上述关键进程,

在默认情况下kubelet会向Master注册自己,这也是Kubernetes推荐的Node管理方式

。

一旦Node被纳入集群管理范围, kubelet进程就会定时向Master节点汇报自身的情报,例如操作系统、Docker版本、机器的CPU和内存情况,以及当前有哪些Pod在运行等,这样Master可以获知每个Node的资源使用情况,并实现高效均衡的资源调度策略。而某个Node超过指定时间不上报信息时,会被Master判定为“失联", Node的状态被标记为不可用(Not Ready),随后Master会触发“工作负载大转移”的自动流程。

┌──[root@vms81.liruilongs.github.io]-[~] └─$kubectl get nodes NAME STATUS ROLES AGE VERSION vms81.liruilongs.github.io Ready control-plane,master 47d v1.22.2 vms82.liruilongs.github.io Ready worker1 47d v1.22.2 vms83.liruilongs.github.io NotReady worker2 47d v1.22.2

┌──[root@vms81.liruilongs.github.io]-[~] └─$kubectl describe node vms82.liruilongs.github.io # Node基本信息:名称、标签、创建时间等。 Name: vms82.liruilongs.github.io Roles: worker1 Labels: beta.kubernetes.io/arch=amd64 beta.kubernetes.io/os=linux disktype=node1 kubernetes.io/arch=amd64 kubernetes.io/hostname=vms82.liruilongs.github.io kubernetes.io/os=linux node-role.kubernetes.io/worker1= Annotations: dest: 这是一个工作节点 kubeadm.alpha.kubernetes.io/cri-socket: /var/run/dockershim.sock node.alpha.kubernetes.io/ttl: 0 projectcalico.org/IPv4Address: 192.168.26.82/24 projectcalico.org/IPv4IPIPTunnelAddr: 10.244.171.128 volumes.kubernetes.io/controller-managed-attach-detach: true CreationTimestamp: Thu, 07 Oct 2021 01:15:45 +0800 Taints: Unschedulable: false Lease: HolderIdentity: vms82.liruilongs.github.io AcquireTime: RenewTime: Tue, 23 Nov 2021 23:08:16 +0800 # Node当前的运行状态, Node启动以后会做一系列的自检工作: # 比如磁盘是否满了,如果满了就标注OutODisk=True # 否则继续检查内存是否不足(如果内存不足,就标注MemoryPressure=True) # 最后一切正常,就设置为Ready状态(Ready=True) # 该状态表示Node处于健康状态, Master将可以在其上调度新的任务了(如启动Pod) Conditions: Type Status LastHeartbeatTime LastTransitionTime Reason Message ---- ------ ----------------- ------------------ ------ ------- NetworkUnavailable False Tue, 23 Nov 2021 23:02:52 +0800 Tue, 23 Nov 2021 23:02:52 +0800 CalicoIsUp Calico is running on this node MemoryPressure False Tue, 23 Nov 2021 23:05:32 +0800 Tue, 23 Nov 2021 22:45:03 +0800 KubeletHasSufficientMemory kubelet has sufficient memory available DiskPressure False Tue, 23 Nov 2021 23:05:32 +0800 Tue, 23 Nov 2021 22:45:03 +0800 KubeletHasNoDiskPressure kubelet has no disk pressure PIDPressure False Tue, 23 Nov 2021 23:05:32 +0800 Tue, 23 Nov 2021 22:45:03 +0800 KubeletHasSufficientPID kubelet has sufficient PID available Ready True Tue, 23 Nov 2021 23:05:32 +0800 Tue, 23 Nov 2021 22:45:03 +0800 KubeletReady kubelet is posting ready status # Node的主机地址与主机名。 Addresses: InternalIP: 192.168.26.82 Hostname: vms82.liruilongs.github.io # Node上的资源总量:描述Node可用的系统资源,包括CPU、内存数量、最大可调度Pod数量等,注意到目前Kubernetes已经实验性地支持GPU资源分配了(alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu=0) Capacity: cpu: 2 ephemeral-storage: 153525Mi hugepages-1Gi: 0 hugepages-2Mi: 0 memory: 4030172Ki pods: 110 # Node可分配资源量:描述Node当前可用于分配的资源量。 Allocatable: cpu: 2 ephemeral-storage: 144884367121 hugepages-1Gi: 0 hugepages-2Mi: 0 memory: 3927772Ki pods: 110 # 主机系统信息:包括主机的唯一标识UUID, Linux kernel版本号、操作系统类型与版本、Kubernetes版本号、kubelet与kube-proxy的版本号等。 System Info: Machine ID: 1ee67b1c4230405a851cf0107d6e89f5 System UUID: C0EA4D56-ED9A-39CF-6942-5B66704F6E6F Boot ID: b0e42864-9778-4ded-af4c-a88a64f988db Kernel Version: 3.10.0-693.el7.x86_64 OS Image: CentOS Linux 7 (Core) Operating System: linux Architecture: amd64 Container Runtime Version: docker://20.10.9 Kubelet Version: v1.22.2 Kube-Proxy Version: v1.22.2 PodCIDR: 10.244.1.0/24 PodCIDRs: 10.244.1.0/24 # 当前正在运行的Pod列表概要信息 Non-terminated Pods: (3 in total) Namespace Name CPU Requests CPU Limits Memory Requests Memory Limits Age --------- ---- ------------ ---------- --------------- ------------- --- kube-system calico-node-ntm7v 250m (12%) 0 (0%) 0 (0%) 0 (0%) 47d kube-system kube-proxy-nzm24 0 (0%) 0 (0%) 0 (0%) 0 (0%) 35d kube-system metrics-server-bcfb98c76-wxv5l 0 (0%) 0 (0%) 0 (0%) 0 (0%) 27m # 已分配的资源使用概要信息,例如资源申请的最低、最大允许使用量占系统总量的百分比。 Allocated resources: (Total limits may be over 100 percent, i.e., overcommitted.) Resource Requests Limits -------- -------- ------ cpu 250m (12%) 0 (0%) memory 0 (0%) 0 (0%) ephemeral-storage 0 (0%) 0 (0%) hugepages-1Gi 0 (0%) 0 (0%) hugepages-2Mi 0 (0%) 0 (0%) # Node相关的Event信息。 Events: Type Reason Age From Message ---- ------ ---- ---- ------- Normal NodeHasSufficientMemory 23m (x3 over 3d4h) kubelet Node vms82.liruilongs.github.io status is now: NodeHasSufficientMemory Normal NodeHasNoDiskPressure 23m (x3 over 3d4h) kubelet Node vms82.liruilongs.github.io status is now: NodeHasNoDiskPressure Normal NodeHasSufficientPID 23m (x3 over 3d4h) kubelet Node vms82.liruilongs.github.io status is now: NodeHasSufficientPID Normal NodeReady 23m (x2 over 3d4h) kubelet Node vms82.liruilongs.github.io status is now: NodeReady ┌──[root@vms81.liruilongs.github.io]-[~] └─$

总结一下，我们要操作k8s，在管理节点那我们怎么操作，我们通过kube-apiserver来接受用户的请求，通过kubu-scheduler来负责资源的调度，是使用work1计算节点来处理还是使用work2计算节点来处理，然后在每个节点上要运行一个代理服务kubelet，用来控制每个节点的操作，但是每个节点的状态，是否健康我们不知道，这里我们需要kube-controller-manager

3、 Pod资源对象

Pod是Kubernetes的最重要也最基本的概念,

每个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。

Kubernetes 为每个Pod都分配了唯一的IP地址,称之为Pod IP,一个Pod里的多个容器共享Pod IP地址。 Kuberetes要求底层网络支持集群内任意两个Pod之间的TCP/P直接通信,这通常采用虚拟二层网络技术来实现(链路层网桥),

在Kubernetes里,一个Pod里的容器与另外主机上的Pod容器能够直接通信。

Pod其实有两种类型:普通的Pod及静态Pod (Static Pod),如果使用kubeadm的方式部署，静态pod在node节点和master节点创建略有不同

正常情况下，pod是在master上统一管理的,所谓静态pod就是，即不是由master上创建调度的，是属于node自身特的pod，在node上只要启动kubelet之后，就会自动的创建的pod。这里理解的话，结合java静态熟悉，静态方法理解，即的node节点初始化的时候需要创建的一些pod

比如 kubeadm的安装k8s的话，所以的服务都是通过容器的方式运行的。相比较二进制的方式方便很多,这里的话，那么涉及到master节点的相关组件在没有k8s环境时是如何运行，构建master节点的，这里就涉及到静态pod的问题。

在默认情况下,当Pod里的某个容器停止时,Kubernetes会自动检测到这个问题并且重新启动这个Pod(重启Pod里的所有容器),如果Pod所在的Node宕机,则会将这个Node上的所有Pod重新调度到其他节点上.

Kubernetes里的所有资源对象都可以采用yaml或者JSON格式的文件来定义或描述,下面是我们在之前Hello World例子里用到的myweb这个Pod的资源定义文件:

apiVersion: v1 kind: Pod # Pod 定义 metadata: name: myweb # Pod 名字 lables: name: myweb spec: # 包含的容器组 containers: - name: myweb image: kubeguide/tomcat-app:v1 ports: - containerPort: 8080 env: - name: MYSQL_SERVICE_HOST value: 'mysql' - name: MYSQL_SERVICE_PORT value: '3306'

Kubernetes的Event概念, Event是一个事件的记录,记录了事件的最早产生时间、最后重现时间、重复次数、发起者、类型,以及导致此事件的原因等众多信息。Event通常会关联到某个具体的资源对象上,是排查故障的重要参考信息,

Pod同样有Event记录,当我们发现某个Pod迟迟无法创建时,可以用kubectl describe pod xxxx来查看它的描述信息,用来定位问题的原因

在Kubernetes里,一个计算资源进行配额限定需要设定以下两个参数。

通常我们会把Request设置为一个比较小的数值,符合容器平时的工作负载情况下的资源需求,而把Limit设置为峰值负载情况下资源占用的最大量。

比如下面这段定义,表明MysQL容器申请最少0.25个CPU及64MiB内存,在运行过程中MySQL容器所能使用的资源配额为0.5个CPU及128MiB内存:

.... resources: requests: memory: "64Mi" cpu: "250m" limits: memory: "128Mi" cpu: "500m" ...

Pod Pod 周边对象的示意图

4 、Lable 标签

Label是Kubernetes系统中另外一个核心概念。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,例如Node、Pod、Service、RC等,

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去, 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,或者删除。

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,以便于灵活、方便地进行资源分配、调度、配置、部署等管理工作。

例如:部署不同版本的应用到不同的环境中;或者监控和分析应用(日志记录、监控、告警)等。一些常用的Label示例如下。

版本标签: "release" : "stable", "release":"canary".... 环境标签: "environment":"dev", "environment":"ga","environment":"production"· 架构标签: "ier":"frontend," "tier":"backend", "tier":"midleware" 分区标签: "artition":"customerA", "partition": "customerB". 质量管控标签: "track": "daily","track":"weeky"

可以通过多个Label Selector表达式的组合实现复杂的条件选择,多个表达式之间用“,”进行分隔即可,几个条件之间是“AND"的关系,即同时满足多个条件,比如下面的例子:

name=标签名 env != 标签名 name in (标签1，标签2) name not in(标签1) name in (redis-master, redis-slave):匹配所有具有标签`name=redis-master`或者`name=redis-slave`的资源对象。 name not in (phn-frontend):匹配所有不具有标签name=php-frontend的资源对象。 name=redis-slave, env!=production name notin (php-frontend),env!=production

apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: myweb lables: app: myweb # 管理对象RC和Service 在 spec 中定义Selector 与 Pod 进行关联。 apiVersion: v1 kind: ReplicationController metadata: name: myweb spec: replicas: 1 selector: app: myweb template: ...略... apiVersion" v1 kind: Service metadata: name: myweb spec: selector: app: myweb ports: port: 8080

新出现的管理对象如Deployment, ReplicaSet, DaemonSet和Job则可以在Selector中使用基于集合的筛选条件定义,例如:

selector: matchLabels: app: myweb matchExpressions: - {key: tire,operator: In,values: [frontend]} - {key: environment, operator: NotIn, values: [dev]}

matchLabels用于定义一组Label,与直接写在Selector中作用相同; matchExpressions用于定义一组基于集合的筛选条件,可用的条件运算符包括: In, NotIn, Exists和DoesNotExist.

如果同时设置了matchLabels和matchExpressions,则两组条件为"AND"关系,即所有条件需要同时满足才能完成Selector的筛选。

Label Selector在Kubernetes中的重要使用场景有以下几处:

kube-controller进程通过资源对象RC上定义的Label Selector来筛选要监控的Pod副本的数量,从而实现Pod副本的数量始终符合预期设定的全自动控制流程

kube-proxy进程通过Service的Label Selector来选择对应的Pod, 自动建立起每个Service到对应Pod的请求转发路由表,从而实现Service的智能负载均衡机制

通过对某些Node定义特定的Label,并且在Pod定义文件中使用NodeSelector这种标签调度策略, kube-scheduler进程可以实现Pod “定向调度”的特性。

apiVersion: v1 kind: Pod metadata: creationTimestamp: null labels: run: podnodea name: podnodea spec: containers: - image: nginx imagePullPolicy: IfNotPresent name: podnodea resources: {} affinity: nodeAffinity: #主机亲和性 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: #硬策略 nodeSelectorTerms: - matchExpressions: - key: kubernetes.io/hostname operator: In values: - vms85.liruilongs.github.io - vms84.liruilongs.github.io dnsPolicy: ClusterFirst restartPolicy: Always status: {}

5、 Replication Controller

RC是Kubernetes系统中的核心概念之一,简单来说,它其实是定义了一个期望的场景,即声明某种Pod的副本数量在任意时刻都符合某个预期值,所以RC的定义包括如下几个部分。

下面是一个完整的RC定义的例子,即确保拥有tier-frontend标签的这个Pod (运行Tomcat容器)在整个Kubernetes集群中始终

只有一个副本:

apiVersion: v1 kind: ReplicationController metadata: name: frontend spec: replicas: 1 selector: tier: frontend template: metadata: labels: app: app-demo tier: frontend spec: containers: - name: tomcat-demo image: tomcat imagePullPolicy: IfNotPresent env: - name: GET_HOSTS_FROM value: dns ports: - containerPort: 80

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,定期巡检系统中当前存活的目标Pod,并确保目标Pod实例的数量刚好等于此RC的期望值,如果有过多的Pod副本在运行,系统就会停掉一些Pod,否则系统就会再自动创建一些Pod

通过RC, Kubernetes实现了用户应用集群的高可用性,并且大大减少了系统管理员在传统IT环境中需要完成的许多手工运维工作(如主机监控脚本、应用监控脚本、故障恢复脚本等

)

下面我们以3个Node节点的集群为例,说明Kubernetes如何通过RC来实现Pod副本数量自动控制的机制。假如我们的RC里定义redis-slave这个Pod需要保持3个副本,系统将可能在其中的两个Node上创建Pod。

在运行时,我们可以通过

修改RC的副本数量,来实现Pod的动态缩放(Scaling)功能

,这可以通过执行kubectl scale命令来一键完成:

kubectl scale rc redsi-slave --replicas=3

需要注意的是

,

删除RC并不会影响通过该RC已创建好的Pod,为了删除所有Pod,可以设置replicas的值为0,然后更新该RC。另外, kubectl提供了stop和delete命令来一次性删除RC和RC控制的全部Pod。

应用升级时

,通常会通过Build一个新的Docker镜像,并用新的镜像版本来替代旧的版本的方式达到目的。在系统升级的过程中,我们希望是平滑的方式,比如当前系统中10个对应的旧版本的Pod,最佳的方式是旧版本的Pod每次停止一个,同时创建一个新版本的Pod,在整个升级过程中,此消彼长,而运行中的Pod数量始终是10个,通过RC的机制, Kubernetes很容易就实现了这种高级实用的特性,

被称为“滚动升级” (Rolling Update)

6、 Deployment

Deployment是Kubernetes v1.2引入的新概念,引入的目的是为了更好地解决Pod的编排问题。

Deployment相对于RC的一个最大升级是我们可以随时知道当前Pod “部署”的进度

。实际上由于一个Pod的创建、调度、绑定节点及在目标Node上启动对应的容器这一完整过程需要一定的时间,所以我们期待系统启动N个Pod副本的目标状态,实际上是一个连续变化的“部署过程"导致的最终状态。

Deployment的典型使用场景有以下几个。

Deployment的定义与Replica Set的定义很类似,除了API声明与Kind类型等有所区别:

apiversion: extensions/vlbetal apiversion: v1 kind: Deployment kind: ReplicaSet metadata: metadata: name: nginx-deployment name: nginx-repset

创建一个 tomcat-deployment.yaml Deployment 描述文件:

apiVersion: extensions/v1betal kind: Deployment metadata: name: frontend spec: replicas: 1 selector: matchLabels: tier: frontend matchExpressions: - {key: tier, operator: In,value: [frontend]} template: metadata: labels: app: app-demo tier: frontend spec: containers: - name: tomcat-demo images: tomcat imagePullPolicy: IfNotPresent ports: - containerPort: 8080

运行如下命令创建 Deployment：

kubectl create -f tomcat-deploment.yaml

对上述输出中涉及的数量解释如下。

运行下述命令查看对应的Replica Set,我们看到它的命名与Deployment的名字有关系:

┌──[root@vms81.liruilongs.github.io]-[~/ansible] └─$kubectl get rs -A NAMESPACE NAME DESIRED CURRENT READY AGE kube-system calico-kube-controllers-78d6f96c7b 1 1 1 47d kube-system coredns-545d6fc579 0 0 0 47d kube-system coredns-7f6cbbb7b8 2 2 2 36d kube-system kuboard-78dccb7d9f 1 1 1 11d kube-system metrics-server-bcfb98c76

Kubernetes

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