JavaWeb_20_Kubernetes

本文介绍Kubernetes（K8S）。

1. kubernetes介绍

本章节主要介绍应用程序在服务器上部署方式演变以及kubernetes的概念、组件和工作原理。

1.1 应用部署方式演变

在部署应用程序的方式上，主要经历了三个时代：

1. 传统部署：互联网早期，会直接将应用程序部署在物理机上

   优点：简单，不需要其他技术的参与。

   缺点：不能为应用程序定义资源使用边界，很难合理地分配计算资源，而且程序之间容易产生影响。简单地说，一个操作系统上的资源是有限的，而这些应用程序是共享这些资源的，如果没有边界限制，假如某个应用程序发生了内存泄露，此时必然后干扰其他内存，也就有可能干扰其他应用程序。

2. 虚拟化部署：在一台物理机上运行多个虚拟机，每个虚拟机都是独立的一个环境

   为了解决传统部署的缺点，本质上应该就是一台物理机部署一个应用程序，但是这样会造成成本增加以及资源浪费。因此，为了折衷，采用虚拟化部署。在一台物理主机上虚拟化（Hypervisor）多个系统，即多台虚拟机，每台虚拟机都类似于一个物理机。这样可在一定程度上解决了应用程序之间的影响，即解决了边界问题。

   优点：程序环境不会相互产生影响，提供了一定的安全性。

   缺点：增加了虚拟操作系统，浪费了部分资源。简单地说，就是本身物理机存在了操作系统，此时仍然虚拟出操作系统，这是对资源的浪费。或者说，虚拟机连硬件也模拟，存在一定的资源浪费。

3. 容器化部署：与虚拟化类似，但是共享了操作系统

   容器，就是常见的Docker技术，仅虚拟软件环境，对硬件不需要模拟，也无需模拟操作系统，即共享了操作系统（Container Runtime）。

   优点：

   1. 可以保证每个容器拥有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等；
   2. 运行应用程序锁需要的资源都被容器包装，并和底层基础架构解耦；
   3. 容器化的应用程序可以跨云服务商、跨Linux操作系统发行版进行部署；

1.2 容器化部署需要考虑的问题

容器化部署相较于上面两种部署方式存在一定的优点，那么也需要考虑一些问题，比如说：

1. 一个容器故障停机了，怎么样让另一个容器立刻启动去替补停机的容器；
2. 当并发访问量变大的时候，怎么样做到横向扩展容器数量；

这些容器管理的问题统称为容器编排问题，为了解决这些容器编排问题，就产生了一些容器编排的软件：

1. Swarm：Docker自己的容器编排工具；
2. Mesos：Apache的一个资源统一管控的工具，需要和Marathon结合使用；
3. Kubernetes：Google开源的容器编排工具；

2019年的市场占有率如下所示，K8S还是一家独大的。

1.3 kubernetes简介

kubernetes是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案，是谷歌Borg系统的一个开源版本，于2014年9月发布第一个版本，2015年7月发布第一个正式版本。https://kubernetes.io/。

kubernetes的本质是一组服务器集群，它可以在集群的每个节点上运行特定的程序，来对节点中的容器进行管理。它的目标就是实现资源管理的自动化，主要提供了如下的主要功能：

• 自我修复：一旦某个容器崩溃，能够在1秒左右迅速启动新的容器
• 弹性伸缩：可以根据需要，自动对集群中正在运行的容器数量进行调整
• 服务发现：服务可以通过自动发现的形式找到它所依赖的服务
• 负载均衡：如果一个服务启动了多个容器，能够自动实现请求的负载均衡
• 版本回退：如果发现新发布的程序版本有问题，可以立即回退到原来的版本
• 存储编排：可以根据容器自身的需求自动创建存储卷。

个人感觉和Nginx有一点类似，Nginx用于各个服务管理，并且自身也可以作为静态的资源服务器。而kubernetes是k8s集群，在集群的每个节点上都安装特定的程序，通过这些程序来管理节点上的容器，以及节点之间联动。

如下图所示，蓝框就是若干个kubernetes节点，构成了集群。每个集群节点都运行了多个容器，kubernetes就是通过在节点上安装程序来对节点内部的容器进行管理，以及节点之间的容器综合管理。

1.4 kubernetes组件

一个kubernetes集群主要是由控制节点（master）、工作节点（node）构成，每个节点上都会安装不同的组件。

1.4.1 控制节点（master）

控制节点是集群的控制平面，负责集群的决策。控制节点就是控制管理的。包含四个组件：

• ApiServer：资源操作的唯一入口，接收用户输入的命令，提供认证、授权、API注册和发现等机制
• Scheduler：负责集群资源调度，按照预定的调度策略将Pod调度到相应的node节点上
• ControllerManager：负责维护集群的状态，比如程序部署安排、故障检测、自动扩展、滚动更新等
• Etcd：负责存储集群中各种资源对象的信息（注意，这里的Etcd是默认的具体的服务，可以用MySQL，这里相当于某个数据库，可以手动配置。）

通过上面的图可以看出，kuberctl是客户端访问的入口，而ApiServer则是整个集群接收控制指令的入口。而Scheduler负责调度资源，即计算决定由哪个工作节点来执行任务。ControllerManager则是保存集群的状态，安排具体的节点来工作【注意，这里的安排指的是通知，并不是决定哪个节点工作】。Etcd是用于存储节点的信息，比如这个节点的某个容器在运行，另一个节点的某个容器在等候，有点像数据库（或者是消息队列）。

1.4.2 工作节点（node）

工作节点是集群的数据平面，负责为容器提供运行环境。包含是三个组件：

1. Kuberlet：负责维护容器的生命周期，即通过控制docker，来创建、更新、销毁容器
2. KubeProxy：负责提供集群内部的服务发现和负载均衡
3. Docker：负责节点上容器的各种操作

Kuberlet相当于工作节点接收控制节点命令的负责人，接收完之后，并控制Docker来执行。KuberProxy即代理，通过它来访问具体的程序（docker容器）。

1.4.3 组件调用流程

以部署一个nginx服务来说明kubernetes系统各个组件调用关系：

1. 首先要明确，一旦kubernetes环境启动之后，master和node都会将自身的信息存储到etcd数据库中；方便知道哪些控制节点和工作节点是正常工作的。为后续的计算调用做准备。
2. 一个nginx服务的安装请求首先会被发送到master节点的ApiServer组件。
3. ApiServer组件会调用Scheduler组件来决定到底应该把这个服务安装到哪个node节点上。在此时，它会从Etcd数据库中读取各个node节点的信息，然后按照一定的算法进行选择，并将结果告知ApiServer。
4. ApiServer调用ControllerManager取调用这个node节点安装nginx服务。
5. 工作节点中的Kuberlet接收到指令后，回通知Docker，然后由Docker来启动一个nginx的pod。【pod是kubernetes的最小操作单元，容器必须跑在pod中，个人认为，k8s只能通过某个东西来管理容器，即pod】
6. 至此，一个nginx服务就运行了，如果需要访问nginx（即获取服务），就需要通过KubeProxy来对pod产生访问的代理。这样，外界用户就可以访问集群中的nginx服务了。

通过上面的步骤，可以看到，kubernetes主要提供了两个功能：

1. 对集群的控制，比如安装某项服务，通过ApiServer来接收指令即可。而具体是哪个工作节点安装，则由内部决策来控制；
2. 提供访问服务的接口KuberProxy，通过暴露出KuberProxy，来访问pod，并对外提供服务。

1.5 kubernetes概念

1. Master：集群控制节点，每个集群需要至少一个master节点负责集群的管控。
2. Node：工作负载节点，由master分配容器到这些node工作节点上，然后node节点上的docker负责容器的运行。
3. Pod：kubernetes的最小控制单元，容器都是运行在pod中的，一个pod中可以有1个或者多个容器。k8s通过控制Pod来控制容器，进而控制程序。
4. Controller：控制器，通过它来实现对pod的管理，比如启动pod、停止pod、伸缩pod的数量等。k8s中有很多种控制器。
5. Service：pod对外服务的统一入口，可以维护同一类的多个pod。
6. Label：标签，用于对pod进行分类，同一类pod会拥有相同的标签。
7. NameSpace：命名空间，用来隔离pod的运行环境。即pod之间是可以相互访问的，如果不想访问，只能隔离起来，类似局域网、VLAN。

如下图所示，紫色就是Pod，每个Pod都运行着一个Tomcat服务器，那么Pod怎么对外提供服务呢？即通过Service，在Service中可以实现负载均衡。

2. 集群环境搭建

本节介绍如何搭建kubernetes的集群环境。

2.1 环境规划

2.1.1 集群类型

kubernetes集群大体上分为两类：一主多从和多主多从。

• 一主多从：一台Master节点和多台Node节点，搭建简单，但是有单机故障风险，适合用于测试环境。
• 多主多从：多台Master节点和多台Node节点，搭建麻烦，安全性高，适合用于生产环境。

为了简单起见，本文搭建一主两从类型的集群。

2.1.2 安装方式

kubernetes有多重部署方式，目前主流的方式有kubeadm、minikube、二进制包。

• minikube：一个用于快速搭建单节点kubernetes的工具
• kubeadm：一个用于快速搭建kubernetes集群的工具
• 二进制包：从官网下载每个组件的二进制包，依次去安装，此方式对于理解kubernetes组件更加有效

由于现在需要安装kubernetes的集群环境，但是又不想过于麻烦，所以选择使用kubeadm方式。

2.1.2 主机规划

2.2 环境搭建

2.3 服务部署

3. 资源管理

4. 备注

参考B站《黑马程序员》。