1. 概述

Kubernetes 是一个可移植的、可扩展的开源平台，用于管理容器化的工作负载和服务，可促进声明式配置和自动化。 Kubernetes 拥有一个庞大且快速增长的生态系统。Kubernetes 的服务、支持和工具广泛可用。
名称 Kubernetes 源于希腊语，意为”舵手”或”飞行员”。Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目。 Kubernetes 建立于 Google 在大规模运行生产工作负载方面拥有十几年的经验 的基础上，结合了社区中最好的想法和实践。

回顾历史
让我们回顾一下为什么 Kubernetes 如此有用。

传统部署时代：
早期，各个组织机构在物理服务器上运行应用程序。无法为物理服务器中的应用程序定义资源边界，这会导致资源分配问题。 例如，如果在物理服务器上运行多个应用程序，则可能会出现一个应用程序占用大部分资源的情况， 结果可能导致其他应用程序的性能下降。 一种解决方案是在不同的物理服务器上运行每个应用程序，但是由于资源利用不足而无法扩展， 并且维护许多物理服务器的成本很高。

虚拟化部署时代：
作为解决方案，引入了虚拟化。虚拟化技术允许在单个物理服务器的 CPU 上运行多个虚拟机（VM）。虚拟化允许应用程序在 VM 之间隔离，并提供一定程度的安全，因为一个应用程序的信息不能被另一应用程序随意访问。
虚拟化技术能够更好地利用物理服务器上的资源，并且因为可轻松地添加或更新应用程序而可以实现更好的可伸缩性，降低硬件成本等等。
每个 VM 是一台完整的计算机，在虚拟化硬件之上运行所有组件，包括其自己的操作系统。

容器部署时代：
容器类似于 VM，但是它们具有被放宽的隔离属性，可以在应用程序之间共享操作系统（OS）。 因此，容器被认为是轻量级的。容器与 VM 类似，具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。 由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和 OS 发行版本进行移植。
容器因具有许多优势而变得流行起来。下面列出的是容器的一些好处：

• 敏捷应用程序的创建和部署：与使用 VM 镜像相比，提高了容器镜像创建的简便性和效率。
• 持续开发、集成和部署：通过快速简单的回滚（由于镜像不可变性），支持可靠且频繁的容器镜像构建和部署。
• 关注开发与运维的分离：在构建/发布时而不是在部署时创建应用程序容器镜像， 从而将应用程序与基础架构分离。
• 可观察性不仅可以显示操作系统级别的信息和指标，还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
• 跨开发、测试和生产的环境一致性：在便携式计算机上与在云中相同地运行。
• 跨云和操作系统发行版本的可移植性：可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地、 Google Kubernetes Engine 和其他任何地方运行。
• 以应用程序为中心的管理：提高抽象级别，从在虚拟硬件上运行 OS 到使用逻辑资源在 OS 上运行应用程序。
• 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务：应用程序被分解成较小的独立部分， 并且可以动态部署和管理 - 而不是在一台大型单机上整体运行。
• 资源隔离：可预测的应用程序性能。
• 资源利用：高效率和高密度。

为什么需要 Kubernetes，它能做什么?
容器是打包和运行应用程序的好方式。在生产环境中，你需要管理运行应用程序的容器，并确保不会停机。 例如，如果一个容器发生故障，则需要启动另一个容器。如果系统处理此行为，会不会更容易？
这就是 Kubernetes 来解决这些问题的方法！ Kubernetes 为你提供了一个可弹性运行分布式系统的框架。 Kubernetes 会满足你的扩展要求、故障转移、部署模式等。
Kubernetes 为你提供：

• 服务发现和负载均衡
  • Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址公开容器，如果进入容器的流量很大， Kubernetes 可以负载均衡并分配网络流量，从而使部署稳定。
• 存储编排
  • Kubernetes 允许你自动挂载你选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等。
• 自动部署和回滚
  • 你可以使用 Kubernetes 描述已部署容器的所需状态，它可以以受控的速率将实际状态 更改为期望状态。例如，你可以自动化 Kubernetes 来为你的部署创建新容器， 删除现有容器并将它们的所有资源用于新容器。
• 自动完成装箱计算
  • Kubernetes 允许你指定每个容器所需 CPU 和内存（RAM）。 当容器指定了资源请求时，Kubernetes 可以做出更好的决策来管理容器的资源。
• 自我修复
  • Kubernetes 重新启动失败的容器、替换容器、杀死不响应用户定义的 运行状况检查的容器，并且在准备好服务之前不将其通告给客户端。
• 密钥与配置管理
  • Kubernetes 允许你存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 ssh 密钥。 你可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应用程序配置，也无需在堆栈配置中暴露密钥。

Kubernetes 不是什么？
Kubernetes 不是传统的、包罗万象的 PaaS（平台即服务）系统。 由于 Kubernetes 在容器级别而不是在硬件级别运行，它提供了 PaaS 产品共有的一些普遍适用的功能， 例如部署、扩展、负载均衡、日志记录和监视。 但是，Kubernetes 不是单体系统，默认解决方案都是可选和可插拔的。 Kubernetes 提供了构建开发人员平台的基础，但是在重要的地方保留了用户的选择和灵活性。
Kubernetes：

• 不限制支持的应用程序类型。 Kubernetes 旨在支持极其多种多样的工作负载，包括无状态、有状态和数据处理工作负载。 如果应用程序可以在容器中运行，那么它应该可以在 Kubernetes 上很好地运行。
• 不部署源代码，也不构建你的应用程序。 持续集成(CI)、交付和部署（CI/CD）工作流取决于组织的文化和偏好以及技术要求。
• 不提供应用程序级别的服务作为内置服务，例如中间件（例如，消息中间件）、 数据处理框架（例如，Spark）、数据库（例如，mysql）、缓存、集群存储系统 （例如，Ceph）。这样的组件可以在 Kubernetes 上运行，并且/或者可以由运行在 Kubernetes 上的应用程序通过可移植机制（例如， 开放服务代理）来访问。
• 不要求日志记录、监视或警报解决方案。 它提供了一些集成作为概念证明，并提供了收集和导出指标的机制。
• 不提供或不要求配置语言/系统（例如 jsonnet），它提供了声明性 API， 该声明性 API 可以由任意形式的声明性规范所构成。
• 不提供也不采用任何全面的机器配置、维护、管理或自我修复系统。
• 此外，Kubernetes 不仅仅是一个编排系统，实际上它消除了编排的需要。 编排的技术定义是执行已定义的工作流程：首先执行 A，然后执行 B，再执行 C。 相比之下，Kubernetes 包含一组独立的、可组合的控制过程， 这些过程连续地将当前状态驱动到所提供的所需状态。 如何从 A 到 C 的方式无关紧要，也不需要集中控制，这使得系统更易于使用且功能更强大、系统更健壮、更为弹性和可扩展。

Kubernetes 可以为您做些什么?
通过现代的 Web 服务，用户希望应用程序能够 24/7 全天候使用，开发人员希望每天可以多次发布部署新版本的应用程序。 容器化可以帮助软件包达成这些目标，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 帮助您确保这些容器化的应用程序在您想要的时间和地点运行，并帮助应用程序找到它们需要的资源和工具。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。

2. 集群初探

2.1 创建集群

Master 负责管理整个集群。 Master 协调集群中的所有活动，例如调度应用、维护应用的所需状态、应用扩容以及推出新的更新。
Node 是一个虚拟机或者物理机，它在 Kubernetes 集群中充当工作机器的角色 每个Node都有 Kubelet , 它管理 Node 而且是 Node 与 Master 通信的代理。 Node 还应该具有用于处理容器操作的工具，例如 Docker 或 rkt 。处理生产级流量的 Kubernetes 集群至少应具有三个 Node 。
Master 管理集群，Node 用于托管正在运行的应用。
在 Kubernetes 上部署应用时，您告诉 Master 启动应用容器。 Master 就编排容器在集群的 Node 上运行。 Node 使用 Master 暴露的 Kubernetes API 与 Master 通信。终端用户也可以使用 Kubernetes API 与集群交互。

2.2 部署应用

一旦运行了 Kubernetes 集群，就可以在其上部署容器化应用程序。 为此，您需要创建 Kubernetes Deployment 配置。Deployment 指挥 Kubernetes 如何创建和更新应用程序的实例。创建 Deployment 后，Kubernetes master 将应用程序实例调度到集群中的各个节点上。
创建应用程序实例后，Kubernetes Deployment 控制器会持续监视这些实例。 如果托管实例的节点关闭或被删除，则 Deployment 控制器会将该实例替换为群集中另一个节点上的实例。 这提供了一种自我修复机制来解决机器故障维护问题。
在没有 Kubernetes 这种编排系统之前，安装脚本通常用于启动应用程序，但它们不允许从机器故障中恢复。通过创建应用程序实例并使它们在节点之间运行， Kubernetes Deployments 提供了一种与众不同的应用程序管理方法。

应用程序需要打包成一种受支持的容器格式，以便部署在 Kubernetes 上。

2.3 Kubernetes Pods

在创建 Deployment 时, Kubernetes 添加了一个 Pod 来托管你的应用实例。Pod 是 Kubernetes 抽象出来的，表示一组一个或多个应用程序容器（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，当作卷
• 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，例如容器映像版本或要使用的特定端口。

Pod 为特定于应用程序的”逻辑主机”建模，并且可以包含相对紧耦合的不同应用容器。例如，Pod 可能既包含带有 Node.js 应用的容器，也包含另一个不同的容器，用于提供 Node.js 网络服务器要发布的数据。Pod 中的容器共享 IP 地址和端口，始终位于同一位置并且共同调度，并在同一工作节点上的共享上下文中运行。
Pod 是 Kubernetes 平台上的原子单元。 当我们在 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 都与调度它的工作节点绑定，并保持在那里直到终止（根据重启策略）或删除。 如果工作节点发生故障，则会在群集中的其他可用工作节点上调度相同的 Pod。

2.4 工作节点

一个 Pod 总是运行在 工作节点。工作节点是 Kubernetes 中的参与计算的机器，可以是虚拟机或物理计算机，具体取决于集群。每个工作节点由主节点管理。工作节点可以有多个 Pod ，Kubernetes 主节点会自动处理在群集中的工作节点上调度 Pod 。 主节点的自动调度考量了每个工作节点上的可用资源。
每个 Kubernetes 工作节点至少运行：

• Kubelet，负责 Kubernetes 主节点和工作节点之间通信的过程; 它管理 Pod 和机器上运行的容器。
• 容器运行时（如 Docker）负责从仓库中提取容器镜像，解压缩容器以及运行应用程序。

2.5 使用Service暴露应用

Kubernetes Pod 是转瞬即逝的。 Pod 实际上拥有 生命周期。 当一个工作 Node 挂掉后, 在 Node 上运行的 Pod 也会消亡。 ReplicaSet 会自动地通过创建新的 Pod 驱动集群回到目标状态，以保证应用程序正常运行。 换一个例子，考虑一个具有3个副本数的用作图像处理的后端程序。这些副本是可替换的; 前端系统不应该关心后端副本，即使 Pod 丢失或重新创建。也就是说，Kubernetes 集群中的每个 Pod (即使是在同一个 Node 上的 Pod )都有一个惟一的 IP 地址，因此需要一种方法自动协调 Pod 之间的变更，以便应用程序保持运行。
Kubernetes 中的服务(Service)是一种抽象概念，它定义了 Pod 的逻辑集和访问 Pod 的协议。Service 使从属 Pod 之间的松耦合成为可能。 和其他 Kubernetes 对象一样, Service 用 YAML (更推荐) 或者 JSON 来定义. Service 下的一组 Pod 通常由 LabelSelector 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 不会暴露在群集外部。Service 允许您的应用程序接收流量。Service 也可以用在 ServiceSpec 标记type的方式暴露

• 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 <NodeIP>:<NodePort> 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 - 通过返回带有该名称的 CNAME 记录，使用任意名称(由 spec 中的 externalName 指定)公开 Service。不使用代理。这种类型需要 kube-dns 的v1.7或更高版本。

Service 通过一组 Pod 路由通信。Service 是一种抽象，它允许 Pod 死亡并在 Kubernetes 中复制，而不会影响应用程序。在依赖的 Pod (如应用程序中的前端和后端组件)之间进行发现和路由是由Kubernetes Service 处理的。
Service 匹配一组 Pod 是使用 标签(Label)和选择器(Selector), 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(Label)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
• 嵌入版本标签
• 使用 Label 将对象进行分类

2.6 弹性扩展

当流量增加时，我们需要扩容应用程序满足用户需求。
扩缩 是通过改变 Deployment 中的副本数量来实现的。

扩展 Deployment 将创建新的 Pods，并将资源调度请求分配到有可用资源的节点上，收缩 会将 Pods 数量减少至所需的状态。Kubernetes 还支持 Pods 的自动缩放。将 Pods 数量收缩到0也是可以的，但这会终止 Deployment 上所有已经部署的 Pods。
运行应用程序的多个实例需要在它们之间分配流量。服务 (Service)有一种负载均衡器类型，可以将网络流量均衡分配到外部可访问的 Pods 上。服务将会一直通过端点来监视 Pods 的运行，保证流量只分配到可用的 Pods 上。

2.7 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。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，零停机进行 Deployment 更新。新的 Pod 将在具有可用资源的节点上进行调度。

在前面的模块中，我们将应用程序扩展为运行多个实例。这是在不影响应用程序可用性的情况下执行更新的要求。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为（pod）数字或百分比。 在 Kubernetes 中，更新是经过版本控制的，任何 Deployment 更新都可以恢复到以前的（稳定）版本。
与应用程序扩展类似，如果公开了 Deployment，服务将在更新期间仅对可用的 pod 进行负载均衡。可用 Pod 是应用程序用户可用的实例。
滚动更新允许以下操作：
● 将应用程序从一个环境提升到另一个环境（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，无需停机

3. 设计架构

3.1 Kubernetes

3.2 工作流程

3.3 Docker 与 containerd 运行时

3.4 Dockershim 实现

3.5 Cri-containerd 实现