Kubernetes核心概念與組件
Kubernetes是一個開源的容器編排引擎，用來對容器化應用進行自動化部署、 擴縮和管理。然而并非所有項目都需要微服務化，也并非所有項目需要Kubernetes，例如管理后臺、定時任務服務、非分布式數據庫等就沒有必要容器化部署，Kubernetes更適合部署分布式微服務應用。
這兩天筆者看完了《Kubernetes源碼剖析》這本書，由于Kubernetes是用go語言編寫，很多Java程序員可能沒學過go語言，為了分享這本書，筆者摘錄了書中的一些關鍵知識點整理成這篇文章，也希望通過這篇文章幫助大家理解Kubernetes。
(之前公司內部技術分享畫的學習路線思維導圖)
Kubernetes架構
圖片 (圖片來源：《Kubernetes源碼剖析》.Kubernetes架構圖)
Kubernetes系統采用C/S架構設計，系統架構分為Master、Node兩部分，Master為Server端(主控節點)，Node為Client端(工作節點)。
Master主控節點作為集群的大腦負責管理所有工作節點(Node)、負責調度Pod運行在哪些工作節點上、負責控制集群運行過程中的所有狀態，其中節點表示云虛擬服務器。
Node工作節點負責管理容器、監控和上報運行在本節點上的所有Pod的運行狀態。
運行在Master主控節點上的組件有kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler組件。
kube-apiserver負責將Kubernetes“資源組/資源版本/資源”以RESTful風格的形式對外暴露并提供服務。集群中的所有組件都通過kube-apiserver組件操作資源對象。kube-apiserver組件也是集群中唯一與Etcd集群進行交互的核心組件。
kube-controller-manager管理Kubernetes集群中的節點(Node)、Pod副本、服務、端點(Endpoint)、命名空間(Namespace)、服務賬戶(ServiceAccount)等。負責確保Kubernetes系統的實際狀態收斂到所需狀態，其默認提供了一些控制器(Controller)，例如DeploymentControllers控制器、StatefulSet控制器、Namespace控制器及PersistentVolume控制器等，每個控制器通過kube-apiserver組件提供的接口實時監控整個集群每個資源對象的當前狀態，當發生故障而導致系統狀態出現變化時，嘗試將系統狀態修復到期望狀態。
kube-scheduler調度器組件負責在Kubernetes集群中為一個Pod資源對象找到合適的節點并在該節點上運行。調度器每次只調度一個Pod資源對象，為每一個Pod資源對象尋找合適節點的過程是一個調度周期。調度器組件監控整個集群的Pod資源對象和Node資源對象，在監控到新的Pod資源對象時通過調度算法為其選擇最優節點。
運行在Node工作節點上的組件有kubelet、kube-proxy、container組件。
kubelet負責接收、處理、上報kube-apiserver組件下發的任務。kubelet進程啟動時會向kube-apiserver注冊節點(Node)自身信息。它主要負責所在節點(Node)上的Pod資源對象的創建、修改、監控、刪除、驅逐及Pod生命周期管理等。kubelet組件實現了3種開放接口，分別是CRI(容器運行時接口)、CNI(容器網絡接口)和CSI(容器存儲接口)。
kube-proxy作為節點上的網絡代理，運行在每個Kubernetes節點上。它監控kube-apiserver的服務和端點資源變化，并通過iptables/ipvs等配置負載均衡器，為一組Pod提供統一的TCP/UDP流量轉發和負載均衡功能，但只會向Kubernetes服務及其后端Pod發出請求。
資源概念
在kubernetes中，資源是最核心的概念，整個生態系統都圍繞資源運作。Kubernetes本質上是一個資源控制系統，負責注冊、管理、調度資源并維護資源的狀態。
Kubernetes將資源分組和版本化：
- Group:資源組
- Version:資源版本
- Resource:資源
- Kind:資源種類(分類)
資源對象與資源操作方法：
- 資源對象(Resource Object)：一個資源對象包含的字段有資源組、資源版本、資源種類;
- 資源操作方法(Verbs)：每一個資源都擁有資源操作方法，實現對Etcd的CURD操作，kubernetes支持的8種資源操作方法是create、delete、deletecollection、get、list、patch、update、watch。
Kubernetes支持兩類資源組，分別是擁有組名的資源組和沒有組名的資源組：
擁有組名的資源組：其表現形式為
沒有組名的資源組：核心資源組，其表現形式為
Kubernetes提供的Restful API使用GVR(資源分組/資源版本/資源)生成path，如下表格示例：
| PATH | 資源 | 資源操作方法 |
|---|---|---|
| /api/v1/configmaps | ConfigMap | create,delete,deletecollection,get,list,patch,update,watch |
| /api/v1/pods | Pod | create,delete,deletecollection,get,list,patch,update,watch |
| /api/v1/services | Service | create,delete,deletecollection,get,list,patch,update,watch |
擁有組名的資源組的path以/apis為前綴，沒有組名的資源組的path以/api為前綴。以/api/v1/configmaps為例，v1為資源版本號、configmaps為資源名稱。
資源還可以擁有子資源，例如pods有logs子資源。用kubectl查詢日記則命令為kubectl logs [pod]，對應API的path為：/api/v1/pods/logs。
kubernetes支持8種資源操作方法，但并非每種資源都需要支持8種資源操作方法。如pods/logs子資源就只擁有get操作方法，因為日志只需要執行查看操作。
Kubernetes系統支持命名空間(Namespace)，每個命名空間相當于一個“虛擬集群”，不同命名空間之間可以進行隔離。命名空間常用于劃分不同的環境，例如生產環境、測試環境、開發環境等使用不同的命名空間進行劃分，也可用于劃分無關聯的項目，如用于劃分項目A、項目B。
資源對象描述文件定義
Kubernetes資源可分為內置資源和自定義資源，它們都通過資源對象描述文件進行定義。一個資源對象需要用5個字段來描述，分別是Group/Version、Kind、MetaData、Spec、Status。
以Service資源描述文件為例，配置如下：
- apiVersion: v1
- kind: Service
- metadata:
- name: test-service
- namespace: default
- spec:
- ....
- apiVersion：即Group/Version，Service在核心資源組，所以沒有資源組名，v1為資源版本;
- Kind：資源種類;
- MetaData：定義元數據信息，如資源名稱、命名空間;
- Spec：描述Service的期望狀態;
- Status：描述資源對象的實際狀態，隱藏的，不需要配置，由Kubernetes系統提供和更新。
Pod調度
Pod資源對象支持優先級與搶占機制。當kube-scheduler調度器運行時，根據Pod資源對象的優先級進行調度，高優先級的Pod資源對象排在調度隊列的前面，優先獲得合適的節點(Node)，再為低優先級的Pod資源對象選擇合適的節點。
當高優先級的Pod資源對象沒有找到合適的節點時，調度器會嘗試搶占低優先級的Pod資源對象的節點，搶占過程是將低優先級的Pod資源對象從所在的節點上驅逐走，使高優先級的Pod資源對象運行在該節點上，被驅逐走的低優先級的Pod資源對象會重新進入調度隊列并等待再次選擇合適的節點。
在默認的情況下，若不啟用優先級功能，則現有Pod資源對象的優先級都為0。為Pod資源配置優先級的步驟如下：
1、通過PriorityClass資源對象描述文件創建PriorityClass資源對象，配置文件如下：
- apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
- kind: PriorityClass
- metadata:
- name: MainResourceHighPriority
- value: 10000
- globalDefault: false
- description: "highest priority"
- value：表示優先級，值越高優先級越高;
- globalDefault：是否為全局默認，當Pod沒有指定使用的優先級時默認使用此優先級。
- 2、修改Pod資源對象描述文件，為Pod指定優先級
通過Deployment配置Pod資源時，只需要在Deployment描述文件的Spec下的Spec添加一項名為priorityClassName的配置，如下：
- apiVersion: apps/v1
- kind: Deployment
- metadata:
- name: test-server
- namespace: default
- spec:
- replicas: 1
- # 配置pod
- spec:
- containers:
- - name: test-server-pod
- image: test-server:latest
- imagePullPolicy: IfNotPresent
- ports:
- - name: http-port
- containerPort: 8080
- envFrom:
- - configMapRef:
- name: common-config
- serviceAccountName: admin-sa
- priorityClassName: MainResourceHighPriority
親和性調度
與調度相關的還有親和性調度。kube-scheduler調度器自動為Pod資源對象選擇全局最優或局部最優節點(即節點的硬件資源足夠多、節點負載足夠小等)。在生產環境中，一般希望能夠更多地干預Pod資源對象的調度，例如，將不需要依賴GPU硬件資源的Pod資源對象分配給沒有GPU硬件資源的節點，將需要依賴GPU硬件資源的Pod資源對象分配給具有GPU硬件資源的節點。開發者只需要在這些節點上打上相應的標簽，然后調度器就可以通過標簽進行Pod資源對象的調度，這種調度策略被稱為親和性和反親和性調度。
- 親和性(Affinity)：用于多業務就近部署，例如允許將兩個業務(如廣告點擊服務與IP查詢服務)的Pod資源對象盡可能地調度到同一個節點上，減少網絡開銷;
- 反親和性(Anti-Affinity)：允許將一個業務的Pod資源對象的多副本實例調度到不同的節點上，以實現高可用性，例如訂單服務的POD期望有三個副本，將三個副本部署在不同的節點上。
Pod資源對象目前支持兩種親和性和一種反親和性：
- NodeAffinity：節點親和性，將某個Pod資源對象調度到特定的節點上，如需要GPU的POD調度到有GPU的節點上;
- PodAffinity：Pod資源對象親和性，將某個Pod資源對象調度到與另一個Pod資源對象相鄰的位置，例如調度到同一主機，調度到同一硬件集群，調度到同一機房，以縮短網絡傳輸延時;
- PodAntiAffinity：Pod資源對象反親和性，將一個Pod資源對象的多副本實例調度到不同的節點上，調度到不同的硬件集群上等，這樣可以降低風險并提升Pod資源對象的可用性。
內置調度算法
kube-scheduler調度器默認提供了兩類調度算法，分別是預選調度算法和優選調度算法。
- 預選調度算法：檢查節點是否符合運行“待調度Pod資源對象”的條件，如果符合條件，則將其加入可用節點列表;
- 優選調度算法：為每一個可用節點計算出一個最終分數，kube-scheduler調度器會將分數最高的節點作為最優運行“待調度Pod資源對象”的節點。
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