1-Kubernetes基本概念

发表于 更新于 分类于

k8s.jpg

K8S概述

Kubernetes 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，可促进声明式配置和自动化。

部署演进


容器类似于 VM，但是更宽松的隔离特性，使容器之间可以共享操作系统（OS）。 因此，容器比起 VM 被认为是更轻量级的。且与 VM 类似，每个容器都具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。 由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和 OS 发行版本进行移植。
K8s优点：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 资源隔离：可预测的应用程序性能。
  10. 资源利用：高效率和高密度。

k8s可以提供什么

  • 服务发现和负载均衡
    Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址来暴露容器。 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
    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
    为 Kubernetes 提供许多节点组成的集群，在这个集群上运行容器化的任务。 你告诉 Kubernetes 每个容器需要多少 CPU 和内存 (RAM)。 Kubernetes 可以将这些容器按实际情况调度到你的节点上，以最佳方式利用你的资源。
  • 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。
  • 批处理执行
    除了服务外，Kubernetes 还可以管理你的批处理和 CI（持续集成）工作负载，如有需要，可以替换失败的容器。
  • 水平扩缩
    使用简单的命令、用户界面或根据 CPU 使用率自动对你的应用进行扩缩。
  • IPv4/IPv6 双栈
    为 Pod（容器组）和 Service（服务）分配 IPv4 和 IPv6 地址。
  • 为可扩展性设计
    在不改变上游源代码的情况下为你的 Kubernetes 集群添加功能。

k8s核心组件

k8s是由控制平面和一个或者多个工作节点组成。

控制面组件

  • kube-apiserver：提供了资源操作的唯一入口，并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制。
  • etcd：存储系统，APIserver将请求的数据存储到etcd中
  • kube-scheduler：负责资源的调度，按照预定的调度策略将 Pod 调度到相应的节点上。
  • kube-controller-manager：运行控制器来实现k8s API的行为，例如故障检测、自动扩展和滚动更新。
  • cloud-controller-manager：通过云提供商的 API 管理云平台上的集群。

工作节点组件

  • kubelet：是工作节点上运行的代理，它确保容器在 Pod 中运行。kubelet 接收一组通过各类机制提供给它的 PodSpecs，并确保这些 PodSpecs 中描述的容器处于运行状态且健康。
  • kube-proxy：在节点上运行的网络代理，实现 Kubernetes 服务（Service） 概念的一部分。kube-proxy 维护节点上的一些网络规则，这些网络规则允许从集群内部或外部访问 Pod 中运行的服务。
  • 容器运行时：负责运行容器。

k8s对象

Kubernetes 对象就像是你在 Kubernetes 集群中写的一张“任务清单”。你通过创建这些对象来告诉 Kubernetes：

  • 你想运行什么应用（比如一个网站或数据库）。
  • 这些应用需要多少资源（比如 CPU 和内存）。
  • 这些应用应该怎么运行（比如出错时自动重启，或者如何更新）。

当创建了一个对象时，Kubernetes 会记住你写的“任务清单”（也就是你期望的状态）。然后，Kubernetes 会不断检查集群的实际状态，确保它和你写的“任务清单”一致。任务清单中包含spec（规约，希望对象所具有的期望状态）。status描述了对象的当前状态，k8s会不断检查实际情况，并更新status，使其与spec一致。
清单中的必须字段：

  • apiVersion - 创建该对象所使用的 Kubernetes API 的版本
  • kind - 想要创建的对象的类别
  • metadata - 帮助唯一标识对象的一些数据，包括一个 name 字符串、UID 和可选的 namespace
  • spec - 你所期望的该对象的状态
    对于不同的对象，spec 部分的内容会有所不同。详细查看官网Kubernetes API 参考

对象管理

特性 指令式命令 指令式对象配置 声明式对象配置
操作方式 直接运行命令操作资源。 通过 YAML 文件明确指定操作（创建、更新、删除）。 通过 YAML 文件描述期望状态，Kubernetes 自动处理。
命令示例 kubectl run/create/delete kubectl create/replace/delete -f kubectl apply -f
是否需要 YAML 文件 不需要。 需要。
适用场景 快速测试、临时操作。 简单操作、临时测试。 生产环境、持续管理。
幂等性 不是幂等的（多次运行可能导致错误）。 不是幂等的（多次运行可能导致错误）。 幂等的（多次运行结果一致）。
变更管理 需要手动处理变更。 需要手动处理变更。 Kubernetes 自动处理变更。

对象名称和ID

名称： 在同一个命名空间中，每一个对象都有一个名称来标识在同类资源中的唯一性，不同类型的资源可以同名。
UID： 在集群中全局唯一，用来区分同一个命名空间中的不同对象。

  • Kubernetes 资源的唯一性由 API 组、资源类型、名字空间 和 名称 决定。
  • API 版本 不会影响资源的唯一性。
  • 删除资源后，可以创建同名的新对象。
  • 在同一资源类型和名字空间中，名称必须是唯一的。

namespace

Namespace 是 Kubernetes 中用于将资源逻辑分组和隔离的机制。它可以将一个物理集群划分为多个虚拟集群，每个 Namespace 中的资源名称是唯一的，但不同 Namespace 中的资源可以重名。Kubernetes 控制面会为所有名字空间设置一个不可变更的标签 kubernetes.io/metadata.name。 标签的值是名字空间的名称。
Namespace 的作用:

  • 资源隔离：将不同的项目、团队或环境（如开发、测试、生产）的资源隔离开。
  • 权限控制：通过 RBAC（基于角色的访问控制）为不同的 Namespace 设置不同的权限。
  • 资源管理：可以为每个 Namespace 设置资源配额（Resource Quota），限制其资源使用量。
default 如果没有指定 Namespace，资源会默认创建到这里。
kube-system 存放 Kubernetes 系统组件的资源（如 kube-proxy、CoreDNS 等）。
kube-public 存放公共资源，通常对所有用户可见。
kube-node-lease 用于节点心跳机制，与节点健康检查相关。 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
# 列出所有命名空间
kubectl get namespaces
# 列出指定空间的指定资源
kubectl get pod --namespace=kube-system

# 修改默认的namespace
kubectl config set-context --current --namespace=<名字空间名称>
# 验证，若没有输出，则默认namespace为default
kubectl config view --minify | grep namespace:

# 查看所有资源类型和它们的缩写名称，以及它们是否在namespace中的。
kubectl api-resources

标签与注解

标签是附加到 Kubernetes 对象（如 Pod、Service、Node 等）上的键值对（key-value pairs）。用于标识和选择对象，通常用于筛选、分组或关联资源。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
# 标签示例
metadata:
  labels:
    key1: value1
    key2: value2
    key3: value3

# 标签筛选,筛选app=my-app且enc≠prod的pod
kubectl get pods -l app=my-app,env!=prod

# 标签更新
kubectl label pod my-pod env=prod #

注解也是附加到 Kubernetes 对象上的键值对，但它用于存储非标识性的元数据，注解通常用于存储额外的信息，如配置、说明、工具链信息等。

1
2
3
4
5
metadata:
  annotations:
    key1: value1
    key2: value2
    key3: value3
特性 标签（Labels） 注解（Annotations）
用途 用于标识和选择资源。 用于存储非标识性的元数据。
键值对长度 较短，通常用于快速识别。 可以较长，适合存储详细信息。
是否可用于选择器 是，可以通过选择器筛选资源。 否，不能用于筛选资源。
示例 app: my-app, env: prod description: “Production frontend”
使用场景 资源分组、服务选择、节点调度。 存储构建信息、工具链集成、说明文档。

字段选择器

字段选择器（Field Selector）是 Kubernetes 中用于根据资源的字段值筛选资源的一种机制。它允许你通过指定资源的特定字段值来过滤资源。

1
2
3
4
5
#使用字段选择器筛选资源
kubectl get pods --field-selector metadata.name=my-pod
#常用的字段选择器
metadata.name=my-pod #资源名称
status.phase=   #资源状态，不同资源的状态不一样，比如pod有Pending、Running、Succeeded、Failed

finalizers终结器

  1. Finalizers 是 Kubernetes 中一种用于控制资源删除行为的机制。存储在资源的 metadata.finalizers 字段中。本质上就是一个 标记，用于告诉 Kubernetes：“这个资源还不能删除，需要先完成某些操作”。这个标记的添加和移除是由你自定义的逻辑控制的，通常通过编写控制器或外部系统来完成。逻辑上就是在删除这个资源时暂时不能删除，要等完成一些自定义的操作后，删除finalizers标记，然后才能删除资源。
  2. Finalizers 的主要作用是确保在删除资源之前，完成一些必要的清理操作。
  • 释放外部资源（如云存储、数据库连接等）。
  • 确保依赖资源的正确删除顺序。
  • 防止资源被意外删除。
    1
    2
    3
    metadata:
      finalizers:
      - my-finalizer

    属主与附属

  1. 什么是属主和附属？
    在 Kubernetes 中，属主（Owner） 和 附属（Dependent） 是一种资源之间的从属关系。属主资源拥有一个或多个附属资源，Kubernetes 通过这种关系来管理资源的生命周期。
  • 属主（Owner）：通常是更高级别的资源，例如 Deployment、StatefulSet、ReplicaSet 等。
  • 附属（Dependent）：通常是由属主创建或管理的资源，例如 Pod。
  1. 属主和附属的关系
    属主和附属之间的关系通过资源的 metadata.ownerReferences 字段来定义。每个附属资源都会在其 metadata.ownerReferences 字段中记录其属主资源的信息。
    示例：一个由 Deployment 创建的 Pod 的 metadata.ownerReferences 字段可能如下所示：
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    复制
    metadata:
      ownerReferences:
      - apiVersion: apps/v1
        kind: Deployment
        name: my-deployment
        uid: 12345678-1234-1234-1234-123456789012
        controller: true
  2. 属主和附属的作用
    属主和附属的关系在 Kubernetes 中有以下作用：
  • 生命周期管理
    当属主资源被删除时，Kubernetes 会自动删除其所有附属资源。
    例如，删除一个 Deployment 时，Kubernetes 会自动删除由该 Deployment 创建的所有 Pod。
  • 垃圾回收
    Kubernetes 的垃圾回收器（Garbage Collector）会检查资源的 metadata.ownerReferences 字段。如果属主资源被删除，垃圾回收器会自动删除所有附属资源。
  • 资源关联
    通过属主和附属的关系，可以清晰地表示资源之间的依赖关系。
    例如，一个 Service 可以通过标签选择器关联到由 Deployment 创建的 Pod。\

属主关系与 Finalizer

  1. 属主关系与 Finalizer 的作用
    属主关系和 Finalizer 都是 Kubernetes 中用于管理资源生命周期的机制，但它们的作用不同：
    属主关系：用于表示资源之间的从属关系（如 Deployment 和 Pod），并控制资源的级联删除。
    Finalizer：用于在删除资源之前执行清理操作，防止资源被意外删除。

  2. 级联删除与 Finalizer
    Kubernetes 支持两种级联删除策略：前台删除（Foreground） 和 后台删除（Background）。在前台删除中，Kubernetes 会为属主资源添加 Finalizer，以确保删除顺序。

  • 前台删除（Foreground）:先删除附属资源，再删除属主资源。
    Kubernetes 会为属主资源添加 foreground Finalizer。
    控制器必须删除所有 ownerReferences.blockOwnerDeletion=true 的附属资源后，才能删除属主资源。
    这种策略确保属主资源在删除之前，所有依赖它的附属资源都被清理。
    kubectl delete deployment my-deployment --cascade=foreground

  • 后台删除（Background）:立即删除属主资源，然后异步删除附属资源。默认的删除方式
    Kubernetes 会立即删除属主资源，然后由垃圾回收器异步删除附属资源。
    这种策略不会为属主资源添加 Finalizer。

  • 孤立删除（Orphan）
    Kubernetes 会为属主资源添加 orphan Finalizer。
    删除属主资源后，附属资源会被保留，不再被属主资源管理。
    kubectl delete deployment my-deployment --cascade=orphan
    至于为什么属主添加了orphan Finalizer还是会被删除，是因为这个 Finalizer 的作用是告诉 Kubernetes：“在删除属主资源之前，先解除它与附属资源（如 Pod）的属主关系”。也就是执行这条命令的流程：属主添加 orphan Finalizer–>解除属主关系(将附属metadata.ownerReferences 字段中指向属主资源的条目移除)–>删除属主资源。