【云原生】快速了解Kubernetes

在云原生技术发展的浪潮之中，Kubernetes伴随着容器技术的发展，成为了目前云时代的“操作系统”。Kubernetes作为容器集群管理系统和云原生领域的关键项目，已经是云原生时代最需要理解与实践的核心技术。但技术的发展从来都不是一蹴而就，Kubernetes的诞生也有其对应的技术历史背景。

目录

一、 Kubernetes 是什么？

1.云计算发展历程

2.Kubernetes 是什么？

3. 容器与虚拟机 (VM)有什么不同？

4. 传统部署与虚拟部署及容器部署的区别

二、 为什么需要 Kubernetes？

1.Kubernetes 为你提供：

2.整体架构（参考）

1.云计算发展历程

用户使用资源的形态由早期的物理机过渡到虚拟机，再进化到目前更轻量的Docker容器。本质上云计算实现的关键突破就在于资源使用方式的改变，其最初解决的核心的问题就是解决应用的托管（部署与管理）的问题。

云计算发展历程，其从物理机到传统的IaaS阶段，进而发展为早期的PaaS，直至发展到如今的基于Kubernetes架构的新兴PaaS平台。如下图所示：

2.Kubernetes 是什么？

Kubernetes是一个容器集群管理系统，是一个可移植、可扩展的开源平台，用于管理容器化的工作负载和服务，可以实现容器集群的自动化部署、自动扩缩容、维护等功能。 Kubernetes 拥有一个庞大且快速增长的生态，其服务、支持和工具的使用范围相当广泛。

我们通过Kubernetes可以：

• 快速部署应用
• 快速扩展应用
• 无缝对接新的应用功能
• 节省资源，优化硬件资源的使用

Kubernetes 的特点：

• 可移植: 支持公有云，私有云，混合云，多重云（multi-cloud）
• 可扩展: 模块化, 插件化, 可挂载, 可组合
• 自动化: 自动部署，自动重启，自动复制，自动伸缩/扩展

3. 容器与虚拟机 (VM)有什么不同？

容器是一种操作系统虚拟化形式。可以使用一个容器来运行从小型微服务或软件进程到大型应用程序的所有内容。容器包含所有必要的可执行文件、二进制代码、库和配置文件。但是，与服务器或计算机虚拟化方法不同，容器不包含操作系统映像。因此，它们更轻便且可移植，其开销很小。在大型应用程序部署中，可以将多个容器部署为一个或多个容器集群。此类集群可由 Kubernetes 等容器编排程序管理。

什么是虚拟机 (VM)？从历史上看，随着服务器处理能力和容量的增加，裸机应用程序无法利用新的丰富资源。因此，虚拟机诞生了，它通过在物理服务器上运行软件来模拟特定的硬件系统而设计。管理程序或虚拟机监视器是创建和运行 VM 的软件、固件或硬件。它位于硬件和虚拟机之间，是虚拟化服务器所必需的。
在每个虚拟机中运行一个独特的客户操作系统。具有不同操作系统的虚拟机可以在同一物理服务器上运行——UNIX虚拟机可以与 Linux 虚拟机并排运行，等等。每个 VM 都有自己的二进制文件、库和它所服务的应用程序。

简而言之，容器比 VM 更轻、更便携。他提供了一种逻辑打包机制，以这种机制打包的应用可以脱离其实际运行的环境。利用这种脱离，不管目标环境是私有数据中心、公有云，还是开发者的个人笔记本电脑，都可以轻松、一致地部署基于容器的应用。容器化使开发者和 IT 运营团队的关注点泾渭分明——开发者专注于应用逻辑和依赖项，而IT运营团队则可以专注于部署和管理，不必为具体的软件版本和应用特有的配置等应用细节分心。

结论：虚拟机和容器在几个方面有所不同，但主要区别在于容器提供了一种虚拟化操作系统的方法，以便多个工作负载可以在单个操作系统实例上运行。容器的速度、敏捷性和可移植性使其成为帮助简化软件开发的又一工具。

4. 传统部署与虚拟部署及容器部署的区别

传统部署时代：

早期，都是在物理服务器上运行应用程序。由于无法限制在物理服务器中运行的应用程序的资源使用，因此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，而导致其他应用程序的性能下降。一种解决方案是将每个应用程序都运行在不同的物理服务器上，但是当某个应用程序资源利用率不高时，剩余资源无法被分配给其他应用程式，而且维护许多物理服务器的成本很高。

虚拟化部署时代：

因此，虚拟化技术被引入了。虚拟化技术允许你在单个物理服务器的 CPU 上运行多台虚拟机（VM）。 虚拟化能使应用程序在不同 VM 之间被彼此隔离，且能提供一定程度的安全性， 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的资源，并且因为可轻松地添加或更新应用程序， 而因此可以具有更高的可伸缩性，以及降低硬件成本等等的好处。

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（OS）。

容器部署时代：

容器和VM类似，但隔离特性更为宽松，能让容器之间共享操作系统（OS）。正因如此，相较于VM，容器被视为更轻量级的存在。而且，和VM一样，每个容器都有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。由于它们与基础架构相分离，所以可以在云和OS发行版本间进行移植。

容器因具有许多优势而变得流行起来：

• 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）， 提供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、发布时创建应用程序容器镜像，而不是在部署时， 从而将应用程序与基础架构分离。
• 可观察性：不仅可以显示 OS 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：在笔记本计算机上也可以和在云中运行一样的应用程序。
• 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。

Kubernetes这个名字源于希腊语，意为“舵手”或“飞行员”。k8s 这个缩写是因为 k 和 s 之间有8个字符的关系。 Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目。Kubernetes 建立在Google 大规模运行生产工作负载十几年经验的基础上， 结合了社区中最优秀的想法和实践。

容器是打包和运行应用程序的好方式。在生产环境中， 你需要管理运行着应用程序的容器，并确保服务不会下线。 例如，如果一个容器发生故障，则你需要启动另一个容器。 如果此行为交由给系统处理，是不是会更容易一些？

这就是 Kubernetes 要来做的事情！ 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。 例如，Kubernetes 可以轻松管理系统的 Canary 部署（canary 部署是通过更新单个节点或一部分节点启动的部署）。

1.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地址来曝露容器。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为容器分配资源。

• 自我修复

Kubernetes将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。

2.整体架构（参考）

Kubernets整体架构，如下所示：

整个系统由控制面(Master)与数据面(Worker Node)组成。Master核心组件：

1. API Server。集群控制的唯一入口，它是各个组件通信的中心枢纽。
2. controller-mananger。负责编排，用于调节系统状态。内置了多种控制器（DeploymentController、- ServiceController、NodeController、HPAController等）是Kubernetes维护业务和集群状态的最核心组件。
3. scheduler。集群的调度器，它负责在Kubernetes集群中为Pod资源对象找到合适节点并使其在该节点上运行。
4. etcd。用于存储Kubernetes集群的数据与状态信息。

Kubernetes架构的高可用性，体现在两个方面：Master节点的高可用，以及所部署业务的高可用。系统高可用的关键，在于冗余部署，这样当某个节点或程序出现异常时，其他节点或程序能够及时分担或替换其工作。而Master节点的高可用，主要通过以下几个方面的设计来实现：

1. Master由多台服务器构成。
2. API Server多实例同时工作，负载均衡。
3. etcd多节点，一主多从。
4. controller-manager与scheduler抢主实现。

Work Node节点由以下组件组成：

1. kubelet：负责Pod对应容器的创建、启停等任务，是部署在Node上的一个agent。
2. kube-proxy：实现Service通信与负载均衡机制。

容器运行时(如Docker)：负责本机的容器创建和管理。

参考资料：

1.Kubernetes 文档

2.NetApp文档

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