Kubernetes架构原理详解

Kubernetes架构原理详解

K8S是什么，为什么上手这么难？
K8S是一个基于容器技术的分布式集群管理系统。它是谷歌在大规模应用容器技术方面数十年经验的实际成果。因此，支持大规模的集群管理承载着非常多的组件，分布式本身的复杂度非常高。

接下来我们一步步来看看K8S到底有什么？
首先，既然是分布式系统，那么肯定有多个Node节点（物理主机或者虚拟机），它们共同构成了一个分布式集群，而这些节点之间会有一个Master节点，统一管理Node节点.
如图所示：

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问题一：master节点和worker节点如何通信？
首先，当Master节点启动时，会运行一个Kube-apiserver进程，它提供了集群管理的API接口，是集群中各个功能模块之间进行数据交互和通信的中心枢纽，同时也提供了一个完善的集群安全机制。

在Node节点上，利用K8S中的kubelet组件，每个Node节点上都会运行一个kubelet进程，负责向Master汇报本节点的运行状态，如Node节点注册、终止、定期健康报告等，等，并接收来自Master的命令并创建相应的Pod。

在K8S中，Pod是最基本的运行单元。它与docker容器略有不同，因为pod中可能包含一个或多个容器（可以是Docker容器），这些容器内部共享网络资源，即可以通过localhost相互访问。

关于如何在Pod中实现网络共享，每个Pod启动，内部都会启动一个pause容器（谷歌的image）。它使用默认的网络模式，其他容器的网络设置为它，完成网络共享问题。

如图所示：

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问题2：Master如何将Pod调度到指定的Node上？
这项工作由 Kube-scheduler 完成。整个调度过程通过执行一系列复杂的算法，最终为每个Pod计算出一个最优的目标Node，这是由 Kube-scheduler 进程自动完成的。

最常见的是循环调度 (RR)。当然也有可能我们需要将Pod调度到指定的Node上。我们可以通过将节点的标签（Label）与Pod的节点选择器属性进行匹配来达到指定的效果。

如图所示：

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问题三：各个节点和Pod的信息统一在哪里维护，谁来维护？
从上面的Pod调度来看，我们必须有一个存储中心来存储每个节点的每个Pod的资源使用情况、健康状态和基本信息，这样Pod调度才能正常进行。

在 K8S 中，etcd 组件被用作高可用和一致的存储库。该组件可以内置在K8S中，也可以外部构建供K8S使用。

集群上的所有配置信息都存储在etcd中。考虑到各个组件的相对独立性和整体的可维护性，这些存储的数据的增删改查都是统一由Kube-apiserver来调用的，并且apiserver还提供了REST支持，不仅为各个内部组件提供服务但也向集群外的用户公开服务。

外部用户可以通过 REST 接口或 kubectl 命令行工具管理集群，该工具内部与 apiserver 通信。

如图所示：

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问题四：外部用户如何访问集群中运行的Pod？
前面我们讲了外部用户如何管理K8S，但我们更关心的是内部运行的Pod如何对外访问。

用过Docker的同学应该都知道，如果使用bridge模式，在创建容器的时候会分配一个虚拟IP，外部无法访问该IP。我们需要做一层端口映射，将容器中的端口映射到宿主机的端口Map并绑定，这样外部就可以通过访问宿主机的指定端口来访问容器内部的端口。

那么，K8S的外部访问也是这样实现的吗？答案是否定的，K8S中的情况更加复杂。
因为上面说的Docker是单机模式，一个容器对外暴露一个服务。在分布式集群中，服务往往由多个应用提供，以分担访问压力，而这些应用可能分布在多个节点上，这就涉及到跨主机通信。

这里K8S引入了Service的概念，将多个相同的Pod包装成一个完整的服务，对外提供服务。
至于获取这些相同的Pod，每个Pod在启动时都会设置labels为attribute。在服务中，我们传递选择器Selector，选择与整体服务具有相同Name标签属性的Pod，将服务信息通过Apiserver存储到etcd中，由Service Controller完成。同时在每个节点上启动一个kube-proxy进程，负责从服务地址到Pod地址的代理和负载均衡。

如图所示：

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问题五：Pod如何动态扩容和伸缩？
既然我们知道服务是由Pod组成的，那么服务的扩展也意味着Pod的扩展。通俗地说，就是在需要的时候将Pod做多个副本，在不需要的时候将Pod缩减到指定的副本数。
在K8S中，使用Replication Controller进行管理，为每个Pod设置一个预期的副本数。当实际副本数量不符合预期时，动态调整数量以达到预期值。所需值可以由我们手动更新，也可以由自动缩放代理更新。

如图所示：

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问题 6：各个组件如何协同工作？
最后说一下Kube-controller-manager进程的作用。
我们知道：

• ectd是作为集群数据的存储中心，
• 而apiserver是用来管理数据中心，充当其他进程与数据中心通信的桥梁。
• Service Controller 和 Replication Controller 由 Kube-controller-manager 管理。作为一个守护进程，每个Controller都是一个控制回路，通过apiserver监控集群的共享状态，并尝试将实际状态中不符合预期的变化。
• 关于Controller，管理器还包括Node Controller、ResourceQuota Controller、Namespace Controller等。

如图所示：

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总结
本文通过问答的方式不涉及任何深入的实现细节。从整体的角度，从概念上介绍了K8S涉及的基本概念。相关用途包括：

• Label
• Selector
• Replication Controller
• Service Controller
• ResourceQuota Controller
• Namespace Controller
• Node Controller

与运行过程相关的是：

• kube-apiserver
• kube-controller-manager
• kube-scheduler
• kubelet
• kube-proxy
• pause