Kubernetes - K8s 高级特性 - 《Java 知识总结 Knowledge Summary

核心概念
高级特性
总结
参考资料

核心概念

首先我们先来了解一些核心概念，了解这些核心概念对使用K8S的高级特性很有帮助。

基础概念见下
Kubernetes 概念

ReplicaSet

ReplicaSet确保任何时间都有指定数量的Pod副本在运行。通常用来保证给定数量的、完全相同的Pod的可用性。建议使用Deployment来管理ReplicaSet，而不是直接使用ReplicaSet。

ConfigMap

ConfigMap是一种API对象，用来将非机密性的数据保存到键值对中。使用时，Pod可以将其用作环境变量、命令行参数或者存储卷中的配置文件。使用ConfigMap可以将你的配置数据和应用程序代码分开。

Volume

Volume指的是存储卷，包含可被Pod中容器访问的数据目录。容器中的文件在磁盘上是临时存放的，当容器崩溃时文件会丢失，同时无法在多个Pod中共享文件，通过使用存储卷可以解决这两个问题。

常用的存储卷有如下几种：

configMap：configMap卷提供了向Pod注入配置数据的方法。ConfigMap对象中存储的数据可以被configMap类型的卷引用，然后被Pod中运行的容器化应用使用。
emptyDir：emptyDir卷可用于存储缓存数据。当Pod分派到某个Node上时，emptyDir卷会被创建，并且Pod在该节点上运行期间，卷一直存在。当Pod被从节点上删除时emptyDir卷中的数据也会被永久删除。
hostPath：hostPath卷能将主机节点文件系统上的文件或目录挂载到你的Pod中。在Minikube中的主机指的是Minikube所在虚拟机。
local：local卷所代表的是某个被挂载的本地存储设备，例如磁盘、分区或者目录。local卷只能用作静态创建的持久卷，尚不支持动态配置。
nfs：nfs卷能将NFS（网络文件系统）挂载到你的Pod中。
persistentVolumeClaim：persistentVolumeClaim卷用来将持久卷（PersistentVolume）挂载到Pod中。持久卷（PV）是集群中的一块存储，可以由管理员事先供应，或者使用存储类（Storage Class）来动态供应，持久卷是集群资源类似于节点。

Ingress

Ingress类似于K8S中的网关服务，是对集群中服务的外部访问进行管理的API对象，典型的访问方式是HTTP。Ingress可以提供负载均衡、SSL终结和基于名称的虚拟托管。

K8s 高级特性 - 图1

高级特性

扩缩应用

当流量增加时，我们需要扩容应用程序满足用户需求。当流量减少时，需要缩放应用以减少服务器开销。在K8S中扩缩是通过改变Deployment中的副本数量来实现的。

获取所有Deployment可使用如下命令：

kubectl get deployments
NAME               READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
kubernetes-nginx   1/1     1            1           43h

获取所有ReplicaSet可使用如下命令：

kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
kubernetes-nginx-78bcc44665   1         1         1       43h

对应用进行扩容操作，扩容到4个实例，再查看所有：

kubectl scale deployments/kubernetes-nginx --replicas=4
[macro@linux-local root]$ kubectl get deployments
NAME               READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
kubernetes-nginx   4/4     4            4           43h

查看所有Pod，发现已经有4个运行在不同的IP地址上了；

kubectl get pods -o wide
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
kubernetes-nginx-78bcc44665-8fnnn   1/1     Running   2          43h   172.17.0.3   minikube   <none>           <none>
kubernetes-nginx-78bcc44665-dvq4t   1/1     Running   0          84s   172.17.0.8   minikube   <none>           <none>
kubernetes-nginx-78bcc44665-thzg9   1/1     Running   0          84s   172.17.0.7   minikube   <none>           <none>
kubernetes-nginx-78bcc44665-w7xqd   1/1     Running   0          84s   172.17.0.6   minikube   <none>           <none>

对应用进行缩放操作，缩放到2个实例；

kubectl scale deployments/kubernetes-nginx --replicas=2
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
kubernetes-nginx-78bcc44665-8fnnn   1/1     Running   2          44h   172.17.0.3   minikube   <none>           <none>
kubernetes-nginx-78bcc44665-w7xqd   1/1     Running   0          11m   172.17.0.6   minikube   <none>           <none>

滚动更新

滚动更新允许通过使用新的实例逐步更新Pod实例，零停机进行Deployment更新。K8S不仅可以实现滚动更新，还可以支持回滚操作。

目前运行了4个Nginx1.10版本的实例：

[macro@linux-local root]$ kubectl get pods
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kubernetes-nginx-78bcc44665-8fnnn   1/1     Running   2          44h
kubernetes-nginx-78bcc44665-jpw2g   1/1     Running   0          5s
kubernetes-nginx-78bcc44665-w7xqd   1/1     Running   0          59m
kubernetes-nginx-78bcc44665-xx8s5   1/1     Running   0          5s

可以通过kubectl describe命令来查看镜像版本号：

[macro@linux-local root]$ kubectl describe pods |grep Image
    Image:          nginx:1.10
    Image ID:       docker-pullable://nginx@sha256:6202beb06ea61f44179e02ca965e8e13b961d12640101fca213efbfd145d7575

通过kubectl set image命令来更新Nginx镜像的版本号为1.19，此时K8S会执行滚动更新，逐步停止1.10版本的实例并启动1.19版本的实例；

# 命令格式 kubectl set image Deployment的名称 容器名称=容器镜像:镜像版本号
kubectl set image deployments/kubernetes-nginx nginx=nginx:1.19
# 停止1个旧实例并创建2个新实例
NAME                                READY   STATUS              RESTARTS   AGE
kubernetes-nginx-66f67cd758-rbcz5   0/1     ContainerCreating   0          11s
kubernetes-nginx-66f67cd758-s9ck8   0/1     ContainerCreating   0          11s
kubernetes-nginx-78bcc44665-8fnnn   1/1     Running             2          45h
kubernetes-nginx-78bcc44665-jpw2g   0/1     Terminating         0          15m
kubernetes-nginx-78bcc44665-w7xqd   1/1     Running             0          75m
kubernetes-nginx-78bcc44665-xx8s5   1/1     Running             0          15m
# 1个实例已被停止2个新实例仍创建中
NAME                                READY   STATUS              RESTARTS   AGE
kubernetes-nginx-66f67cd758-rbcz5   0/1     ContainerCreating   0          30s
kubernetes-nginx-66f67cd758-s9ck8   0/1     ContainerCreating   0          30s
kubernetes-nginx-78bcc44665-8fnnn   1/1     Running             2          45h
kubernetes-nginx-78bcc44665-w7xqd   1/1     Running             0          75m
kubernetes-nginx-78bcc44665-xx8s5   1/1     Running             0          15m
# 4个新实例均已创建完成
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kubernetes-nginx-66f67cd758-jn926   1/1     Running   0          48s
kubernetes-nginx-66f67cd758-rbcz5   1/1     Running   0          3m12s
kubernetes-nginx-66f67cd758-s9ck8   1/1     Running   0          3m12s
kubernetes-nginx-66f67cd758-smr7n   1/1     Running   0          44s

此时再使用kubectl describe命令来查看镜像版本号，发现Nginx已经更新至1.19版本：

[macro@linux-local root]$ kubectl describe pods |grep Image
    Image:          nginx:1.19
    Image ID:       docker-pullable://nginx@sha256:4cf620a5c81390ee209398ecc18e5fb9dd0f5155cd82adcbae532fec94006fb9

如果想回滚到原来的版本的话，直接使用kubectl rollout undo命令即可。

kubectl rollout undo deployments/kubernetes-nginx

配置管理

ConfigMap允许你将配置文件与镜像文件分离，以使容器化的应用程序具有可移植性。接下来我们演示下如何将ConfigMap的的属性注入到Pod的环境变量中去。

添加配置文件nginx-config.yaml用于创建ConfigMap，ConfigMap名称为nginx-config，配置信息存放在data节点下：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: nginx-config
  namespace: default
data:
  nginx-env: test

应用nginx-config.yaml文件创建ConfigMap：

kubectl create -f nginx-config.yaml

获取所有ConfigMap：

kubectl get configmap
NAME               DATA   AGE
kube-root-ca.crt   1      2d22h
nginx-config       1      13s

通过yaml格式查看ConfigMap中的内容：

kubectl get configmaps nginx-config -o yaml
apiVersion: v1
data:
  nginx-env: test
kind: ConfigMap
metadata:
  creationTimestamp: "2021-01-08T01:49:44Z"
  managedFields:
  - apiVersion: v1
    fieldsType: FieldsV1
    fieldsV1:
      f:data:
        .: {}
        f:nginx-env: {}
    manager: kubectl-create
    operation: Update
    time: "2021-01-08T01:49:44Z"
  name: nginx-config
  namespace: default
  resourceVersion: "61322"
  uid: a477567f-2aff-4a04-9a49-f19220baf0d3

添加配置文件nginx-deployment.yaml用于创建Deployment，部署一个Nginx服务，在Nginx的环境变量中引用ConfigMap中的属性：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:1.10
          ports:
            - containerPort: 80
          env:
            - name: NGINX_ENV # 在Nginx中设置环境变量
              valueFrom:
                configMapKeyRef:
                  name: nginx-config # 设置ConfigMap的名称
                  key: nginx-env # 需要取值的键

应用配置文件文件创建Deployment：

kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

创建成功后查看Pod中的环境变量，发现NGINX_ENV变量已经被注入了；

kubectl exec deployments/nginx-deployment -- env
PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin
HOSTNAME=nginx-deployment-66fcf997c-xxdsb
NGINX_ENV=test

存储卷使用

通过存储卷，我们可以把外部数据挂载到容器中去，供容器中的应用访问，这样就算容器崩溃了，数据依然可以存在。

记得之前我们使用Docker部署Nginx的时候，将Nginx的html、logs、conf目录从外部挂载到了容器中；

docker run -p 80:80 --name nginx \
-v /mydata/nginx/html:/usr/share/nginx/html \
-v /mydata/nginx/logs:/var/log/nginx  \
-v /mydata/nginx/conf:/etc/nginx \
-d nginx:1.10

Minikube可以认为是一台虚拟机，我们可以用Minikube的ssh命令来访问它；

minikube ssh

Minikube中默认有一个docker用户，我们先重置下它的密码；

sudo passwd docker

在Minikube中创建mydata目录；

midir /home/docker/mydata

我们需要把Nginx的数据目录复制到Minikube中去，才能实现目录的挂载，注意docker用户只能修改/home/docker目录中的文件，我们通过scp命令来复制文件；

scp -r /home/macro/mydata/nginx docker@192.168.49.2:/home/docker/mydata/nginx

添加配置文件nginx-volume-deployment.yaml用于创建Deployment：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-volume-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:1.10
          ports:
            - containerPort: 80
          volumeMounts:
            - mountPath: /usr/share/nginx/html
              name: html-volume
            - mountPath: /var/log/nginx
              name: logs-volume
            - mountPath: /etc/nginx
              name: conf-volume
      volumes:
        - name: html-volume
          hostPath:
            path: /home/docker/mydata/nginx/html
            type: Directory
        - name: logs-volume
          hostPath:
            path: /home/docker/mydata/nginx/logs
            type: Directory
        - name: conf-volume
          hostPath:
            path: /home/docker/mydata/nginx/conf
            type: Directory

应用配置文件创建Deployment；

kubectl apply -f nginx-volume-deployment.yaml

添加配置文件nginx-service.yaml用于创建Service；

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - name: http
      protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
      nodePort: 30080

应用配置文件创建Service；

kubectl apply -f nginx-service.yaml

查看下Service服务访问端口；

[macro@linux-local nginx]$ kubectl get services
NAME                      TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes                ClusterIP   10.96.0.1       <none>        443/TCP        6d23h
kubernetes-nginx          NodePort    10.106.227.54   <none>        80:30158/TCP   5d22h
nginx-service             NodePort    10.103.72.111   <none>        80:30080/TCP   7s

通过CURL命令可以访问Nginx首页信息。

curl $(minikube ip):30080

网关路由

Ingress可以作为K8S的网关来使用，能提供服务路由和负载均衡等功能。

Minikube默认没有启用Ingress插件，需要手动开启；

minikube addons enable ingress

开启Ingress过程中遇到了一个坑，会在验证的时候卡主，其实是Minikube内部无法下载Ingress镜像导致的：

[macro@linux-local ~]$ minikube addons enable ingress
* Verifying ingress addon...

解决该问题需要手动下载第三方镜像，并标记为需要的镜像，并重新启用Ingress插件；

# 查找启动有问题的Pod
kubectl get pods -n kube-system
# 查看启动失败原因
kubectl describe ingress-nginx-controller-xxx -n kube-system
# 连接到Minikube
minikube ssh
# 原来需要下载的镜像（已经无法下载）
docker pull us.gcr.io/k8s-artifacts-prod/ingress-nginx/controller:v0.40.2
# 下载第三方替代镜像（直接去DockerHub官网搜索即可）
docker pull pollyduan/ingress-nginx-controller:v0.40.2
# 修改镜像名称
docker tag pollyduan/ingress-nginx-controller:v0.40.2 us.gcr.io/k8s-artifacts-prod/ingress-nginx/controller:v0.40.2

重启插件后检查下Ingress是否在运行；

kubectl get pods -n kube-system
NAME                                        READY   STATUS      RESTARTS   AGE
ingress-nginx-admission-create-krpgk        0/1     Completed   0          46h
ingress-nginx-admission-patch-wnxlk         0/1     Completed   3          46h
ingress-nginx-controller-558664778f-wwgws   1/1     Running     2          46h

添加配置文件nginx-ingress.yaml用于创建Ingress；

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /$1
spec:
  rules:
    - host: nginx-volume.com
      http:
        paths:
          - path: /
            pathType: Prefix
            backend:
              service:
                name: nginx-service
                port:
                  number: 80

应用配置文件创建Ingress；

kubectl apply -f nginx-ingress.yaml

查看所有Ingress，此时我们已经可以通过nginx-volume.com来访问Pod中运行的Nginx服务了；

kubectl get ingress
NAME            CLASS    HOSTS              ADDRESS        PORTS   AGE
nginx-ingress   <none>   nginx-volume.com   192.168.49.2   80      6s

需要修改下host文件，注意切换到root账号后修改：

# 切换到root用户
su -
# 修改host文件
vi /etc/hosts
# 添加如下记录
192.168.49.2 nginx-volume.com

最后通过CURL命令可以访问Nginx首页信息。

curl nginx-volume.com

总结

通过K8S扩展和管理容器化应用确实十分方便，通过几个命令我们就可以实现零停机更新，出了故障也不怕，一个命令实现回滚。但是大量的命令行操作总显得枯燥无味，要是有个可视化工具可以直接管理K8S就更好了。

参考资料

官方文档：https://kubernetes.io/zh/docs/home/