Kubernetes 如何打贏容器之戰(zhàn)？

作者：阿里云云棲社區(qū) 2019-11-05 11:09:59

云計算 早期的主流做法基本上是租 AWS 或者 OpenStack 的虛擬機，然后把這些虛擬機當作物理機一樣，用腳本或者手工的方式在上面部署應(yīng)用。

創(chuàng)新互聯(lián)建站長期為上千客戶提供的網(wǎng)站建設(shè)服務(wù)，團隊從業(yè)經(jīng)驗10年，關(guān)注不同地域、不同群體，并針對不同對象提供差異化的產(chǎn)品和服務(wù)；打造開放共贏平臺，與合作伙伴共同營造健康的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境。為曹縣企業(yè)提供專業(yè)的成都網(wǎng)站設(shè)計、網(wǎng)站建設(shè)，曹縣網(wǎng)站改版等技術(shù)服務(wù)。擁有10多年豐富建站經(jīng)驗和眾多成功案例,為您定制開發(fā)。

背景

PaaS

PaaS 技術(shù)，一句話概括就是：它提供了“應(yīng)用托管”的能力。

早期的主流做法基本上是租 AWS 或者 OpenStack 的虛擬機，然后把這些虛擬機當作物理機一樣，用腳本或者手工的方式在上面部署應(yīng)用。這個過程中如何保證本地環(huán)境和云端環(huán)境的一致性是一個很大的課題，而提供云計算服務(wù)的公司的核心競爭力就是比拼誰做的更好。從某種意義上來說 PaaS 的出現(xiàn)，算是一個比較好的解決方案。

以 Cloud Foundry 為例，在虛擬機上部署上 Cloud Foundry 項目后，用戶可以很方便地把自己的應(yīng)用上云。以上帝視角來看這個過程：Cloud Foundry 最核心的是提供了一套應(yīng)用的打包和分發(fā)機制，它為不同的編程語言定義了不同的打包格式，它能把可執(zhí)行文件、啟動參數(shù)等等一起打包成壓縮包然后上傳至 Cloud Foundry 存儲中心，最后由調(diào)度器選擇虛擬機，由虛擬機上的 Agent 下載并啟動應(yīng)用。

分布式系統(tǒng)

隨著軟件的規(guī)模越來越大，業(yè)務(wù)模式越來越復(fù)雜，用戶量的上升、地區(qū)的分布、系統(tǒng)性能的苛刻要求都促成服務(wù)架構(gòu)從最初的單體變成 SOA 再到如今的微服務(wù)，未來還可能演變?yōu)?Service Mesh ，Serverless 等等。

如今，一個完整的后端系統(tǒng)不再是單體應(yīng)用架構(gòu)了，多年前的 DDD 概念重新回到大家的視線中。現(xiàn)在的系統(tǒng)被不同的職責和功能拆成多個服務(wù)，服務(wù)之間復(fù)雜的關(guān)系以及單機的單點性能瓶頸讓部署和運維變得很復(fù)雜，所以部署和運維大型分布式系統(tǒng)的需求急迫待解決。

容器技術(shù)

前面提到諸如 Cloud Foundry 的 PaaS，用戶必須為不同語言、不同框架區(qū)分不同的打包方式，這個打包過程是非常具有災(zāi)難性的。而現(xiàn)實往往更糟糕，當在本地跑的好好的應(yīng)用，由于和遠端環(huán)境的不一致，在打包后卻需要在云端各種調(diào)試，最終才能讓應(yīng)用“平穩(wěn)”運行。

而 Docker 的出現(xiàn)改變了一切，它憑借鏡像解決了這個問題。Docker 一不做二不休，干脆把完整的操作系統(tǒng)目錄也打包進去，如此高的集成度，保證了云端和本地環(huán)境的高度一致，并且隨時隨地輕易地移植。

誰也不知道就因為“鏡像”這個簡單的功能，Docker 完成了對 PaaS 的降維打擊，占有了市場。此時，一些聰明的技術(shù)公司紛紛跟進 Docker，推出了自家的容器集群管理項目，并且稱之為 CaaS。

容器技術(shù)利用 Namespace 實現(xiàn)隔離，利用 Cgroups 實現(xiàn)限制;在 Docker 實現(xiàn)上，通過鏡像，為容器提供完整的系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境，并且通過 UnionFS 實現(xiàn) Layer 的設(shè)計。

Docker 容器是完全使用沙箱機制，相互之間不會有任何接口。通過 Docker，實現(xiàn)進程、網(wǎng)絡(luò)、掛載點和文件隔離，更好地利用宿主機資源。Docker 強大到不需要關(guān)心宿主機的依賴，所有的一切都可以在鏡像構(gòu)建時完成，這也是 Docker 目前成為容器技術(shù)標準的原因。所以我們能看到在 Kubernetes 中默認使用 Docker 作為容器(也支持 rkt)。

Kubernetes

鋪墊了這么多，終于說到本文的主角了。說 Kubernetes 之前，不得不提 Compose、Swarm、Machine 三劍客，其實在 Kubernetes 還未一統(tǒng)江湖之前，它們已經(jīng)能實現(xiàn)大部分容器編排的能力了。但是在真正的大型系統(tǒng)上，它們卻遠遠不如 Mesosphere 公司出品的大型集群管理系統(tǒng)，更別說之后的 Kubernetes 了。

在容器化和微服務(wù)時代，服務(wù)越來越多，容器個數(shù)也越來越多。Docker 如它 Logo 所示一樣，一只只鯨魚在大海里自由地游蕩，而 Kubernetes 就像一個掌舵的船長，帶著它們，有序的管理它們，這個過程其實就是容器編排。

Kubernetes 起源于 Google，很多設(shè)計都是源自于 Borg，是一個開源的，用于管理云平臺中多個主機上的容器化的應(yīng)用，Kubernetes 的目標是讓部署容器化的應(yīng)用簡單并且高效，并且提供了應(yīng)用部署，規(guī)劃，更新，維護的一種機制。

小結(jié)

至此，讀者了解了 Kubernetes 的前世今生，由 PaaS 的火熱，引爆了容器技術(shù)的戰(zhàn)爭，而贏得這場戰(zhàn)爭中最關(guān)鍵的即是擁有強大的容器編排的能力，而 Kubernetes 無疑是這場戰(zhàn)爭的勝利者。

設(shè)計理念

這一部分，我們會圍繞 Kubernetes 的四個設(shè)計理念看看這些做法能給我們帶來什么。

聲明式 VS 命令式

聲明式和命令式是截然不同的兩種編程方式，在命令式 API 中，我們可以直接發(fā)出服務(wù)器要執(zhí)行的命令，例如： “運行容器”、“停止容器”等;在聲明式 API 中，我們聲明系統(tǒng)要執(zhí)行的操作，系統(tǒng)將不斷向該狀態(tài)驅(qū)動。

我們常用的 SQL 就是一種聲明式語言，告訴數(shù)據(jù)庫想要的結(jié)果集，數(shù)據(jù)庫會幫我們設(shè)計獲取這個結(jié)果集的執(zhí)行路徑，并返回結(jié)果集。眾所周知，使用 SQL 語言獲取數(shù)據(jù)，要比自行編寫處理過程去獲取數(shù)據(jù)容易的多。

  
 
 
 
   
  
  
  
apiVersion: extensions/v1beta1 
   
  
  
  
kind: Deployment 
   
  
  
  
metadata: 
   
  
  
  
 name: etcd-operator 
   
  
  
  
spec: 
   
  
  
  
 replicas: 1 
   
  
  
  
 template: 
   
  
  
  
 metadata: 
   
  
  
  
 labels: 
   
  
  
  
 name: etcd-operator 
   
  
  
  
 spec: 
   
  
  
  
 containers: 
   
  
  
  
 - name: etcd-operator 
   
  
  
  
 image: quay.io/coreos/etcd-operator:v0.2.1 
   
  
  
  
 env: 
   
  
  
  
 - name: MY_POD_NAMESPACE 
   
  
  
  
 valueFrom: 
   
  
  
  
 fieldRef: 
   
  
  
  
 fieldPath: metadata.namespace 
   
  
  
  
 - name: MY_POD_NAME 
   
  
  
  
 valueFrom: 
   
  
  
  
 fieldRef: 
   
  
  
  
 fieldPath: metadata.name 
  
 
 

我們來看看相同設(shè)計的 YAML，利用它，我們可以告訴 Kubernetes 最終想要的是什么，然后 Kubernetes 會完成目標。

聲明式 API 使系統(tǒng)更加健壯，在分布式系統(tǒng)中，任何組件都可能隨時出現(xiàn)故障。當組件恢復(fù)時，需要弄清楚要做什么，使用命令式 API 時，處理起來就很棘手。但是使用聲明式 API ，組件只需查看 API 服務(wù)器的當前狀態(tài)，即可確定它需要執(zhí)行的操作。

顯式的 API

Kubernetes 是透明的，它沒有隱藏的內(nèi)部 API。換句話說 Kubernetes 系統(tǒng)內(nèi)部用來交互的 API 和我們用來與 Kubernetes 交互的 API 相同。

這樣做的好處是，當 Kubernetes 默認的組件無法滿足我們的需求時，我們可以利用已有的 API 實現(xiàn)我們自定義的特性。

無侵入性

感謝 Docker 容器技術(shù)的流行，使得 Kubernetes 為大家提供了無縫的使用方式。在容器化的時代，我們的應(yīng)用達到鏡像后，不需要改動就可以遨游在 Kubernetes 集群中。

Kubernetes 還提供存儲 Secret、Configuration 等包含但不局限于密碼、證書、容器鏡像信息、應(yīng)用啟動參數(shù)能力。如此，Kubernetes 以一種友好的方式將這些東西注入 Pod，減少了大家的工作量，而無需重寫或者很大幅度改變原有的應(yīng)用代碼。

有狀態(tài)的移植

在有狀態(tài)的存儲場景下，Kubernetes 如何做到對于服務(wù)和存儲的分離呢?假設(shè)一個大型分布式系統(tǒng)使用了多家云廠商的存儲方案，如何做到開發(fā)者無感于底層的存儲技術(shù)體系，并且做到方便的移植?

為了實現(xiàn)這一目標，Kubernetes 引入了 PersistentVolumeClaim(PVC)和 PersistentVolume(PV)API 對象。這些對象將存儲實現(xiàn)與存儲使用分離。

PersistentVolumeClaim 對象用作用戶以與實現(xiàn)無關(guān)的方式請求存儲的方法，通過它來抹除對底層 PersistentVolume 的差異性。這樣就使 Kubernetes 擁有了跨集群的移植能力。

架構(gòu)

首先要提及的是 Kubernetes 使用很具代表性的 C/S 架構(gòu)方式，Client 可以使用 kubectl 命令行或者 RESTful 接口與 Kubernetes 集群進行交互。下面這張圖是從宏觀上看 Kubernetes 的整體架構(gòu)，每一個 Kubernetes 集群都由 Master 節(jié)點 和 很多的 Node 節(jié)點組成。

Master

Master 是 Kubernetes 集群的管理節(jié)點，負責管理集群，提供集群的資源數(shù)據(jù)訪問入口。擁有 Etcd 存儲服務(wù)，運行 API Server 進程，Controller Manager 服務(wù)進程及 Scheduler 服務(wù)進程，關(guān)聯(lián)工作節(jié)點 Node。

Kubernetes API Server 提供 HTTP Rest 接口的關(guān)鍵服務(wù)進程，是 Kubernetes 里所有資源的增、刪、改、查等操作的唯一入口。也是集群控制的入口進程; Kubernetes Controller Manager 是 Kubernetes 所有資源對象的自動化控制中心，它驅(qū)使集群向著我們所需要的最終目的狀態(tài); Kubernetes Schedule 是負責 Pod 調(diào)度的進程。

Node

Node 是 Kubernetes 集群架構(gòu)中運行 Pod 的服務(wù)節(jié)點。Node 是 Kubernetes 集群操作的單元，用來承載被分配 Pod 的運行，是 Pod 運行的宿主機。關(guān)聯(lián) Master 管理節(jié)點，擁有名稱和 IP、系統(tǒng)資源信息。運行 Docker Runtime、kubelet 和 kube-proxy。

kubelet 負責對 Pod 對于的容器的創(chuàng)建、啟停等任務(wù)，發(fā)送宿主機當前狀態(tài); kube-proxy 實現(xiàn) Kubernetes Service 的通信與負載均衡機制的重要組件; Docker Runtime 負責本機容器的創(chuàng)建和管理工作。

實現(xiàn)原理

為了盡可能地讓讀者能明白 Kubernetes 是如何運作的，這里不會涉及到具體的細節(jié)實現(xiàn)，如有讀者感興趣可以自行參閱官網(wǎng)文檔。這里以一個簡單的應(yīng)用部署示例來闡述一些概念和原理。

創(chuàng)建 Kubernetes 集群

介紹架構(gòu)的時候我們知道，Kubernetes 集群由 Master 和 Node 組成。

Master 管理集群的所有行為例如：應(yīng)用調(diào)度、改變應(yīng)用的狀態(tài)，擴縮容，更新/降級應(yīng)用等。

Node 可以是是一個虛擬機或者物理機，它是應(yīng)用的“邏輯主機”，每一個 Node 擁有一個 Kubelet，Kubelet 負責管理 Node 節(jié)點與 Master 節(jié)點的交互，同時 Node 還需要有容器操作的能力，比如 Docker 或者 rkt。理論上來說，一個 Kubernetes 為了應(yīng)對生產(chǎn)環(huán)境的流量，最少部署3個 Node 節(jié)點。

當我們需要在 Kubernetes 上部署應(yīng)用時，我們告訴 Master 節(jié)點，Master 會調(diào)度容器跑在合適的 Node 節(jié)點上。

我們可以使用 Minikube 在本地搭一個單 Node 的 Kubernetes 集群。

部署應(yīng)用

當創(chuàng)建好一個 Kubernetes 集群后，就可以把容器化的應(yīng)用跑在上面了。我們需要創(chuàng)建一個 Deployment，它會告訴 Kubernetes Master 如何去創(chuàng)建應(yīng)用，也可以來更新應(yīng)用。

當應(yīng)用實例創(chuàng)建后，Deployment 會不斷地觀察這些實例，如果 Node 上的 Pod 掛了，Deployment 會自動創(chuàng)建新的實例并且替換它。相比傳統(tǒng)腳本運維的方式，這種方式更加優(yōu)雅。

我們能通過 kubectl 命令或者 YAML 文件來創(chuàng)建 Deployment，在創(chuàng)建的時候需要指定應(yīng)用鏡像和要跑的實例個數(shù)，之后 Kubernetes 會自動幫我們處理。

查看 Pods 和 Nodes

下面來介紹下 Pod 和 Node：

當我們創(chuàng)建好 Deployment 的時候，Kubernetes 會自動創(chuàng)建 Pod 來承載應(yīng)用實例。Pod 是一個抽象的概念，像一個“邏輯主機”，它代表一組應(yīng)用容器的集合，這些應(yīng)用容器共享資源，包括存儲，網(wǎng)絡(luò)和相同的內(nèi)部集群 IP。

任何一個 Pod 都需要跑在一個 Node 節(jié)點上。Node 是一個“虛擬機器”，它可以是虛擬機也可以是物理機，一個 Node 可以有多個 Pods，Kubernetes 會自動調(diào)度 Pod 到合適的 Node 上。

Service 與 LabelSelector

Pods 終有一死，也就是說 Pods 也有自己的生命周期，當一個 Pod 掛了的時候，ReplicaSet 會創(chuàng)建新的，并且調(diào)度到合適的 Node 節(jié)點上?？紤]下訪問的問題，Pod 替換伴隨著 IP 的變化，對于訪問者來說，變化的 IP 是合理的;并且當有多個 Pod 節(jié)點時，如何 SLB 訪問也是個問題，Service 就是為了解決這些問題的。

Service 是一個抽象的概念，它定義了一組邏輯 Pods，并且提供訪問它們的策略。和其他對象一樣，Service 也能通過 kubectl 或者 YAML 創(chuàng)建。Service 定義的 Pod 可以寫在 LabelSelector 選項中(下文會介紹)，也存在不指定 Pods 的情況，這種比較復(fù)雜，感興趣的讀者可以自行查閱資料。

Service 有以下幾種類型：

• ClusterIP(默認)：在集群中內(nèi)部IP上暴露服務(wù)，此類型使Service只能從群集中訪問;
• NodePort：通過每個 Node 上的 IP 和靜態(tài)端口(NodePort)暴露服務(wù)。NodePort 服務(wù)會路由到 ClusterIP 服務(wù)，這個 ClusterIP 服務(wù)會自動創(chuàng)建。通過請求 :，可以從集群的外部訪問一個 NodePort 服務(wù);
• LoadBalancer：使用云提供商的負載均衡器，可以向外部暴露服務(wù)。外部的負載均衡器可以路由到 NodePort 服務(wù)和 ClusterIP 服務(wù);
• ExternalName：通過返回 CNAME 和它的值，(適用于外部 DNS 的場景)

Labels 和 Selectors 能夠讓 Kubernetes 擁有邏輯運算的能力，有點像 SQL。舉個例子：可以查找 app=hello_word 的所有對象，也可以查找 app in (a,b,c) abc的所有對象。

Labels是一個綁定在對象上的 K/V 結(jié)構(gòu)，它可以在創(chuàng)建或者之后的時候的定義，在任何時候都可以改變。

擴容應(yīng)用

前文提到我們可以使用 Deployment 增加實例個數(shù)，下圖是原始的集群狀態(tài)：

我們可以隨意的更改 replicas (實例個數(shù))來擴容，當我們更改了 Deployment 中的 replicas 值時，Kubernetes 會自動幫我們達到想要的目標實例個數(shù)，如下圖

更新應(yīng)用

更新應(yīng)用和擴容類似，我們可以更改 Deployment 中的容器鏡像，然后 Kubernetes 會幫住我們應(yīng)用更新(藍綠、金絲雀等方式)，通過此功能，我們還可以實現(xiàn)切換應(yīng)用環(huán)境、回滾、不停機 CI/CD。下面是部署的過程，需要注意的是我們可以指定新創(chuàng)建的 Pod 最大個數(shù)和不可用 Pod 最大個數(shù)：

總結(jié)

到了最后，大家對 Kubernetes 有個大概的了解了，但 Kubernetes 遠遠不止本文所介紹的這些內(nèi)容。在云原生概念逐漸清晰的今天，Kubernetes 作為 CNCF 中一個接地氣的落地項目，其重要性不言而喻。

本文題目：Kubernetes 如何打贏容器之戰(zhàn)？
文章URL：http://m.fisionsoft.com.cn/article/dhgcspc.html