Kubernetes(K8S)入門基礎內容介紹

Introduction basic of kubernetes

我們要學習 Kubernetes，就有首先了解 Kubernetes 的技術範圍、基礎理論知識庫等，要學習 Kubernetes，肯定要有入門過程，在這個過程中，學習要從易到難，先從基礎學習。

那麼 Kubernetes 的入門基礎內容（表示學習一門技術前先了解這門技術）包括哪些？

根據 Linux 開源基金會的認證考試，可以確認要了解 Kubernetes ，需要達成以下學習目標：

• Discuss Kubernetes.
• Learn the basic Kubernetes terminology.
• Discuss the configuration tools.
• Learn what community resources are available.

接下來筆者將一一介紹 Kubernetes 的一些概念(Discuss)、技術術語(Terminology)、相關設定工具以及社群開源資源(Community resources)。

本系列教學將會混雜一些英文，因為研究和使用 Kubernetes 的過程中，會接觸到大量英文，並且 Kubernetes 的國際認證考試，都是英文考試，多接觸一些英文單詞，慢慢積累吧。。。

本系列教學主要參考 Linux 開源基金會的課程內容及 Kubernetes 檔案，課程內容按照 Attribution 3.0 Unported (CC BY 3.0) 協定，在寫作時參考、複製網站內容、共用知識庫等。關於 CC BY 3.0 協定，其說明如下：

• 共用—以任何媒介或格式複製和重新分發材料
• 適應-重新混合，變換並在材料上構建
• 出於任何目的，甚至出於商業目的。

Linux 開源基金會認證考試與課程學習網址：

https://training.linuxfoundation.org/

使用條款：

https://www.linuxfoundation.org/terms/

學習 Kubernetes 後，可以進一步考取以下認證證書：

Kubernetes 管理員認證 (CKA)、Kubernetes 應用程式開發者認證 (CKAD)、Kubernetes安全專家認證 (CKS)。

What Is Kubernetes?

我們先思考一下，執行一個 Docker 容器，只需要使用 docker run ... 命令即可，這是相當簡單(relatibely simple)的方法。

但是，要實現以下場景，則是困難的：

• 跨多臺主機的容器相互連線(connecting containers across multiple hosts)
• 拓展容器(scaling containers)
• 在不停機的情況下設定應用(deploying applications without downtime)
• 在多個方面進行服務發現(service discovery among several aspects)

在 2008年，LXC（Linux containers） 釋出第一個版本，這是最初的容器版本；2013 年，Docker 推出了第一個版本；而 Google 則在 2014 年推出了 LMCTFY。

為了解決大叢集(Cluster)中容器部署、伸縮和管理的各種問題，出現了 Kubernetes、Docker Swarm 等軟體，稱為 容器編排引擎。

Kubernetes 是什麼？

"an open-source system for automating deployment, scaling, and management of containerized applications".

“一個自動化部署、可拓展和管理容器應用的開源系統”

Google 的基礎設施在虛擬機器器(Virtual machines)技術普及之前就已經達到了很大的規模，高效地(Efficiency)使用叢集和管理分散式應用成為 Google 挑戰的核心。而容器技術提供了一種高效打包叢集的解決方案。

多年來，Google 一直使用 Borg 來管理叢集中的容器，積累了大量的叢集管理經驗和運維軟體開發能力，Google 參考 Borg ，開發出了 Kubernetes，即 Borg 是 Kubernetes 的前身。（但是 Google 目前還是主要使用 Borg）。

Kubernetes 從一開始就通過一組基元(primitives)、強大的和可拓展的 API 應對這些挑戰，新增新物件和控制器地能力可以很容易地地址各種各樣的產品需求(production needs)。

因為 Kubernetes 這個單詞不好發音，而 k 和 s 之間有 8 個單詞，因此一般大家都讀 k 8 s。

Kubernetes 是使用 Go 語言編寫的。

當然，除了 Kubernetes ，還有 Docker Swarm、Apache Mesos、Nomad、Rancher 等軟體可以監控容器狀態、動態伸縮等。

Components of Kubernetes

Kubernetes 的元件分為兩種，分別是 Control Plane Components(控制平面元件)、Node Components(節點元件)。

Control Plane Components 用於對叢集做出全域性決策；

Node Components 在節點中執行，為 Pod 提供 Kubernetes 環境。

Docker 和 Kubernetes 並不是想上就上的，這可能需要改變開發模式和系統管理方法(system administration approach)。在傳統環境中，會在一臺專用伺服器(dedicated server)部署(Deploy)單一的應用(a monolithic application)，當業務發展後，需要更大的流量頻寬、CPU和記憶體，這時可能對程式進行大量的客製化（提高效能、快取優化等），同時也需要更換更大的硬體(hardware)。

而在使用 Kubernetes 的解決方案中，是使用更多的小型伺服器或者使用微服務的方式，去替代單一的、大型的一臺伺服器模式。

例如，為了保證服務可靠性，當一臺主機的服務程序掛掉後，會啟用另一臺伺服器去替代服務；如果單臺伺服器設定非常高，那麼成本必定也會很高，這種方案的實現成本會比較高。而使用 Kubernetes 的方案中，當一臺伺服器或程序掛掉後，啟動另一臺伺服器，可能只需要不到 1GB 的記憶體，更何況微服務可以實現應用模組解耦(decoupling)。

PS：現在大家使用的 Web 伺服器應該大多數是 Nginx，Nginx 正是支援負載均衡、反向代理、多伺服器設定等，非常適合微服務和多主機部署。而 Apache 的模式是使用許多 httpd 的守護行程(daemons) 去響應頁面請求。

將一個單一應用拆分為多個 microservice；將一臺高設定的伺服器改完多型小型伺服器，即 agent。接著便可以使用 Kubnentes 管理叢集。而為了管理多臺伺服器、多個服務範例，Kubernentes 提供了各種各樣的元件。

在 Kubernetes 中，在每臺小型伺服器上的部署的應用，我們稱 microservice(邏輯上) 或 agent(等同於一臺伺服器)，應用的生命週期都是短暫(transient)，因為一旦出現異常，都可能被替換掉。為了使用叢集中的多個 microservice，我們需要服務和 API 呼叫。一個服務需要連線到另一個服務，則需要 agent 跟 agent 之間通訊，例如 Web 需要連線到 資料庫。 Kubernetes 和 Consul 都有服務發現和網路代理或組網的功能，Kubernetes 提供了 kube-proxy ，Consul 提供了 Consul connect ，讀者可以單獨查閱資料瞭解。

讀者可以點選下面的連結了解更多 Components of Kubernetes 的知識：

https://www.vmware.com/topics/glossary/content/components-kubernetes

Kubernetes Architecture

上圖是簡單的 kubernetes 結構，左側虛線方框中，稱為 central manager (也叫master) ，意思是中心(central)管理器；而右側是三個工作節點(worker node)，這些節點被稱為 minions 。這兩部分對應為 Master-Minions。

在 上圖中， Master 由多個元件構成：

• 一個 API 服務(kube-apiserver)
• 一個排程器(kube-scheduler)
• 各種各樣的控制器(上圖有兩個控制器)
• 一個儲存系統(這個元件稱為etcd)，儲存叢集的狀態、容器的設定、網路設定等書籍

接下來我們將圍繞這張圖片，去學習那些 Kubernetes 中的術語和關鍵字。

Docker cgroup And namespace

我們知道，作業系統是以一個程序為單位進行資源排程的，現代作業系統為程序設定了資源邊界，每個程序使用自己的記憶體區域等，程序之間不會出現記憶體混用。Linux 核心中，有 cgroups 和 namespaces 可以為程序定義邊界，使得程序彼此隔離。

namespace

在容器中，當我們使用 top 命令或 ps 命令檢視機器的程序時，可以看到程序的 Pid，每個程序一個 Pid，而機器的所有容器都具有一個 Pid = 1 的基礎，但是為什麼不會發生衝突？容器中的程序可以任意使用所有埠，而不同容器可以使用相同的埠，為什麼不會發生衝突？這些都是名稱空間可以設定邊界的表現。

Linux 中，unshare 可以建立一個名稱空間(實際上是一個程序，名稱空間中的其它程序是這個程序的子程序)，並且建立一些資源(子程序)。為了深刻理解 Docker 中的 namespace，我們可以在 Linux 中執行：

sudo unshare --fork --pid --mount-proc bash

然後執行 ps aux 檢視程序：

USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.1  23612  3556 pts/1    S    21:14   0:00 bash
root        13  0.0  0.1  37624  3056 pts/1    R+   21:14   0:00 ps aux

是不是跟 Docker 容器執行命令的結果相似？我們還可以使用 nsenter 命令進入另一個程序的名稱空間。

上面的程式碼中，--pid 引數程式碼建立 pid 名稱空間，但是因為並沒有隔離網路，因此當我們執行 netstat --tlap 命令時，這個名稱空間的網路跟其它名稱空間的網路還不是隔離的。

Linux 中的 namespace 型別有：

• mount ：名稱空間具有獨立的掛載檔案系統；
• ipc：Inter-Process Communication (程序間通訊)名稱空間，具有獨立的號誌、共用記憶體等；
• uts：名稱空間具有獨立的 hostname 、domainname；
• net：獨立的網路，例如每個 docker 容器都有一個虛擬網路卡；
• pid：獨立的程序空間，空間中的程序 Pid 都從 1 開始；
• user：名稱空間中有獨立的使用者體系，例如 Docker 中的 root 跟主機的使用者不一樣；
• cgroup：獨立的使用者分組；

Docker 中的名稱空間正是依賴 Linux 核心實現的。

cgroups

cgroups 可以限制程序可使用的記憶體、CPU大小。cgroups 全稱是 Control Groups，是 Linux 核心中的物理資源隔離機制。

為了避免篇幅過大，讀者只需要知道 Docker 限制容器資源使用量、CPU 核數等操作，其原理是 Linux 核心中的 cgroups 即可，筆者這裡不再贅述。

kube-apiserver

Kubernetes 通過 kube-apiserver 暴露一組 API，我們可以通過這些 API 控制 Kubernetes 的行為，而 kubernetes 有一個呼叫了這些 API 的本地使用者端，名為 kubectl。當然，我們也可以利用這些 API 開發出跟 kubectl 一樣強大的工具，例如網格管理工具 istio。

kube-scheduler

當要執行容器時，傳送的請求會被排程器(kube-scheduler)轉發到 API；排程器還可以尋找一個合適的節點執行這個容器。

node

叢集中的每個節點都會執行著兩個程序，分別是 kubelet，kube-proxy。（可以留意上圖的 Kubernetes Mimons 裡面）

在前面，我們知道當要執行一個容器時，需要排程器轉發 API，這個請求最終會傳送到 node 上的 kubelet，kubelet 可以接收 ”執行容器“ 的請求；kubelet 還可以管理那些必需的資源以及在本地節點上監控它們。

kube-proxy 可以建立和管理網路規則，以便在網路上公開容器。

Kubernetes Master 只能是 Linux，而 node 則可以是 Linux 和 Windows 等。

Terminology

本章將介紹一些 Kubenetes 的術語，以便提前瞭解 kubernetes 中的一些概念。本小節的內容並不會有太多解釋，因為每部分要講起來會很複雜，而這些在後面的 Kubernetes 技術中，都會單獨講解到，因此這裡只是介紹一些簡明的概念。讀者不需要仔細看，只需要概覽一遍即可。

Orchestration is managed

編排管理(Orchestration is managed) 是通過一系列的 監控迴圈(watch-loops)去控制或操作的；每個控制器(controller interogates) 都向 kube-apiserver 詢問物件狀態，然後修改它，直至達到條件。

容器編排是管理容器的最主要的技術。Dockers 也有其官方開發的 swarm 這個編排工具，但是在 2017 年的容器編排大戰中，swarm 敗於 Kubernetes。

namespace

Kubernetes 檔案說，對於只有幾到幾十個使用者的叢集，根本不需要建立或考慮名稱空間。這裡我們只需要知道，叢集資源被使用名字劃出來，資源之間可以隔離開，這種名字稱為名稱空間。當然這個名稱空間跟前面提到的 Linux 核心的名稱空間技術不同，讀者只需要瞭解到兩者的理念相通就行。

Pod

Pod 是 Kubernetes 中建立和管理的、最小的可部署的計算單元。

在前面的學習中，我們已經瞭解到 Kubernetes 是一個編排系統(orchestration system)，用於部署(deploy)和管理容器。而容器，在 一個 Pod 上執行，一個 Pod 執行著多個 容器，並且這些容器共用著 IP 地址、存取儲存系統和名稱空間。Kubernetes 通過名稱空間讓叢集中的物件相互隔離開，實現資源控制和多租戶(multi-tenant)連線。

Replication Controller

Replication Controller 簡稱 RC，應答控制器(Replication Controller) 用來部署和升級 Pod。

ReplicaSet

ReplicaSet 的目的是維護一組在任何時候都處於執行狀態的 Pod 副本的穩定集合。

如果 Pod 掛了，我們可以手工重啟 Pod，但是這種操作方法肯定不靠譜，不可能人力 24 小時以及瞬時執行完一系列命令。

Deployments

Deployment 提供了一種對 Pod 和 ReplicaSet 的管理方式。這裡不贅述，以後需要時再提及。

Kubernetes 物件

kubernetes 物件是持久化的實體，通過這些實體，可以雕塑整個叢集的狀態。這裡介紹一些物件資訊的表示。

• 物件名稱和 IDs：使用名稱、UID來表示其在同類資源中的唯一性；
• 名稱空間：即之前提到的 namespace；
• 標籤和選擇算符：標籤（Labels） 是附加到 Kubernetes 物件（比如 Pods）上的鍵值對；
• 註解：為物件附加的非標識的後設資料；
• 欄位選擇器：根據一個或多個資源欄位的值 篩選 Kubernetes 資源；

到此這篇關於Kubernetes(K8S)入門基礎內容的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支援it145.com。