摘要：的核心是以容器為中心的管理環(huán)境。命名空間提供了名稱范圍。換句話說(shuō)，確保或同類組始終可用。用于管理有狀態(tài)應(yīng)用程序，它管理一組的部署和擴(kuò)展，并提供有關(guān)這些的排序和唯一性的保證。

條分縷析帶你充分理解Kubernetes的各個(gè)細(xì)節(jié)與部分：它是什么，它如何解決容器編排問(wèn)題，它包含哪些你必須掌握的關(guān)鍵對(duì)象，以及如何快速上手部署使用Kubernetes。

容器的好處不勝枚舉：一致的運(yùn)行時(shí)環(huán)境、節(jié)省磁盤(pán)空間、低開(kāi)銷、良好的隔離性，等等。了解完這些優(yōu)勢(shì)，您以及您的同事可能都開(kāi)始躍躍欲試要把應(yīng)用程序打包到容器中并準(zhǔn)備運(yùn)行它。然后突然之間或許您會(huì)發(fā)現(xiàn)，容器運(yùn)行起來(lái)之后有一些問(wèn)題也接踵而來(lái)，您需要一種方法來(lái)管理所有正在運(yùn)行的容器及其生命周期：它們?nèi)绾蜗嗷ミB接，它們應(yīng)該運(yùn)行在什么硬件之上，它們?nèi)绾潍@取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，容器因各種原因停止運(yùn)行的話您該如何處理錯(cuò)誤······

這就是Kubernetes大顯身手的地方了。

在本文中，我們將了解Kubernetes是什么，它如何解決容器編排問(wèn)題，它背后是由哪些理論支撐，如何將該理論直接與實(shí)際操作綁定，最終幫助您充分理解Kubernetes的各個(gè)細(xì)節(jié)與部分。

Kubernetes: 歷史

Kubernetes，也被稱為k8s（k... 8個(gè)字母...和s）或kube，是希臘語(yǔ)中的單詞，意為州長(zhǎng)、舵手或船長(zhǎng)。拿真正的航海的情景來(lái)理解，大型船舶裝載著大量現(xiàn)實(shí)生活的容器，而船長(zhǎng)或舵手則是負(fù)責(zé)船舶的人。因此，在信息技術(shù)的語(yǔ)境下，Kubernetes就是Docker容器的船長(zhǎng)、編排者。

Kubernetes最初是谷歌公司在內(nèi)部使用的，基于谷歌運(yùn)行容器15年的經(jīng)驗(yàn)，Kubernetes于2014年開(kāi)始作為Google的開(kāi)源項(xiàng)目提供給社區(qū)。四年過(guò)去，Kubernetes飛速發(fā)展，下載及使用量驚人，被大量的中小型企業(yè)用戶用于開(kāi)發(fā)或生產(chǎn)環(huán)境，并已成為業(yè)界公認(rèn)的容器編排管理的標(biāo)準(zhǔn)框架。

Kubernetes的發(fā)展勢(shì)頭

Kubernetes的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)驚人，在GitHub上擁有超過(guò)40,000顆星，在2018年擁有超過(guò)60,000個(gè)commit，并且比GitHub上的任何其他項(xiàng)目都有更多的pull request和issue。其增長(zhǎng)背后的部分原因是其不凡的可擴(kuò)展性和強(qiáng)大的設(shè)計(jì)模式，這些我們將在后文中進(jìn)一步解讀。您可以在此鏈接了解一些大型軟件公司的Kubernetes應(yīng)用案例：

https://kubernetes.io/case-st...

Kubernetes提供的服務(wù)

讓我們來(lái)看看是什么功能及特性讓Kubernetes吸引到業(yè)界的如此關(guān)注。

Kubernetes的核心是以容器為中心的管理環(huán)境。它代表用戶的工作負(fù)載來(lái)編排計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)。這提供了平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）的簡(jiǎn)單性和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）的靈活性，并實(shí)現(xiàn)了跨基礎(chǔ)架構(gòu)提供商的可移植性。Kubernetes不僅僅是一個(gè)編排系統(tǒng)。實(shí)際上，它讓用戶不再需要“編排”?！熬幣拧钡募夹g(shù)定義是“執(zhí)行定義的工作流程”：首先執(zhí)行A，然后運(yùn)行B，然后運(yùn)行C。而有了Kubernetes之后，Kubernetes由一組獨(dú)立的、可組合的控制流程組成，這些流程可將當(dāng)前狀態(tài)持續(xù)推向所需狀態(tài)。而你是如何從A進(jìn)行到C的，在此無(wú)關(guān)緊要。而且，用戶也不再需要集中控制，整個(gè)系統(tǒng)也變得更易于使用、功能更強(qiáng)大、可擴(kuò)展性更佳。

Kubernetes的基本概念

要使用Kubernetes，您可以使用Kubernetes API對(duì)象來(lái)描述集群的所需狀態(tài)：您想要運(yùn)行的應(yīng)用程序或服務(wù)，它們使用的容器鏡像、副本數(shù)量，您希望提供的網(wǎng)絡(luò)和磁盤(pán)資源等等。您可以通過(guò)使用Kubernetes API——kubectl（通常通過(guò)命令行界面）創(chuàng)建對(duì)象來(lái)設(shè)置所需的狀態(tài)。您還可以直接使用Kubernetes API與集群交互，并設(shè)置或修改所需的狀態(tài)。

設(shè)置完所需狀態(tài)后，Kubernetes控制面板會(huì)讓集群的當(dāng)前狀態(tài)與所需狀態(tài)相匹配。為此，Kubernetes會(huì)自動(dòng)執(zhí)行各種任務(wù)，例如啟動(dòng)或重新啟動(dòng)容器、擴(kuò)展給定應(yīng)用程序的副本數(shù)量等等。

基本的Kubernetes對(duì)象包括： - 節(jié)點(diǎn) - Pod - 服務(wù) - 卷 - 命名空間

此外，Kubernetes包含許多稱為controller的高級(jí)抽象。controller基于基本對(duì)象構(gòu)建，并提供其他功能和便利的特性。它們包括：

ReplicaSet

Deployment

StatefulSet

DaemonSet

Job

下文中我們會(huì)逐個(gè)介紹這些概念，然后再嘗試一些動(dòng)手練習(xí)。

節(jié) 點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)（ Node）是Kubernetes中的worker machine，以前稱為minion。節(jié)點(diǎn)可以是虛擬機(jī)（VM）或物理機(jī)（具體取決于集群）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含運(yùn)行pod所需的服務(wù)，并由主組件管理。你可以這樣理解節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)對(duì)于pod就像是Hypervisor對(duì)于虛擬機(jī)。

Pod

Pod是Kubernetes的基本構(gòu)建塊，它是您創(chuàng)建或部署的Kubernetes對(duì)象模型中最小和最簡(jiǎn)單的單元。一個(gè)Pod代表著一個(gè)部署單元：Kubernetes中的單個(gè)應(yīng)用程序?qū)嵗?，可能包含單個(gè)容器或少量緊密組合并共享資源的容器。

Docker是Kubernetes Pod中最常用的容器運(yùn)行時(shí)，但Pods也支持其他容器運(yùn)行時(shí)。

Kubernetes集群中的Pod主要以兩種方式使用：第一種是運(yùn)行單個(gè)容器的Pod ?！皁ne-container-per-Pod”模式是最常見(jiàn)的Kubernetes用例; 在這種情況下，您可以將Pod視為單個(gè)容器的打包，由Kubernetes而非容器來(lái)管理 Pods。第二種是運(yùn)行多個(gè)需要協(xié)同工作的容器的Pod。一個(gè)Pod可能包含了一個(gè)應(yīng)用程序，這個(gè)應(yīng)用程序是由多個(gè)緊密耦合并且需要共享資源的容器組成的。這些共存的容器可能形成一個(gè)單一的內(nèi)聚服務(wù)單元——一個(gè)容器負(fù)責(zé)從共享卷將文件公開(kāi)，而另一個(gè)多帶帶的“sidecar”容器負(fù)責(zé)刷新或更新這些文件。該P(yáng)od 將這些容器和存儲(chǔ)資源一起封裝為一個(gè)可管理的實(shí)體。

Pod為其組成容器提供兩種共享資源：網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)：每個(gè)Pod都分配了一個(gè)唯一的IP地址。一個(gè)Pod中的所有容器都共享網(wǎng)絡(luò)命名空間，包括IP地址和網(wǎng)絡(luò)端口。Pod內(nèi)的容器可以使用localhost相互通信。當(dāng)Pod內(nèi)的容器與Pod外的實(shí)體通信時(shí)，它們必須協(xié)調(diào)如何使用共享網(wǎng)絡(luò)資源（例如端口）。

存儲(chǔ)：Pod可以指定一組共享存儲(chǔ)卷。Pod中的所有容器都可以訪問(wèn)共享卷，允許這些容器共享數(shù)據(jù)。如果需要重新啟動(dòng)其中一個(gè)容器，卷還可以讓Pod中的持久數(shù)據(jù)一直保存著。

服 務(wù)

Kubernetes Pods不是不變的，它們被創(chuàng)建又被殺死后并不會(huì)重生。即使每個(gè)Pod都有自己的IP地址，你也不能完全指望它會(huì)隨著時(shí)間推移卻永不改變。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，如果一組Pods（比如說(shuō)后端）為Kubernetes集群中的另一組Pods（比如說(shuō)前端）提供了功能，那些前端pod如何能夠與后端pod保持可靠的通信？

這就是服務(wù)發(fā)揮作用的地方。

Kubernetes服務(wù)定義了一個(gè)邏輯集Pods和訪問(wèn)它們的策略（有時(shí)稱為微服務(wù)），通常由Label Selector確定。

例如，如果你有一個(gè)帶有3個(gè)Pod的后端應(yīng)用程序，那些pod是可替代的，前端并不關(guān)心它們使用哪個(gè)后端。雖然Pods組成后端集的實(shí)際情況可能會(huì)發(fā)生變化，但前端客戶端不應(yīng)該知道這一點(diǎn)，也不需要跟蹤后端列表本身。該Service抽象可實(shí)現(xiàn)這種分離。

對(duì)那些處于同樣的Kubernetes集群中的應(yīng)用，Kubernetes提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的Endpoints API，每當(dāng)服務(wù)中的一套Pods改變時(shí)，API就會(huì)相應(yīng)地更新。對(duì)于集群外的應(yīng)用程序，Kubernetes提供基于虛擬IP的橋接器，Services可將其重定向到后端Pods。

卷

容器中的磁盤(pán)文件是不是永久的，這會(huì)給運(yùn)行在容器中的應(yīng)用程序帶來(lái)一些問(wèn)題。首先，當(dāng)容器崩潰時(shí)，它將由Kubernetes重新啟動(dòng)，但文件會(huì)丟失，因?yàn)槿萜骺偸且愿蓛魻顟B(tài)啟動(dòng)的。其次，當(dāng)在一個(gè)pod中運(yùn)行多個(gè)容器時(shí)，通常需要在這些容器之間共享文件。Kubernetes Volume就是來(lái)解決這兩個(gè)問(wèn)題的。

從本質(zhì)上講，卷只是一個(gè)目錄，可能包含一些數(shù)據(jù)，在Pod中，它可以訪問(wèn)容器。該目錄是如何形成的、支持它的介質(zhì)是什么以及它的內(nèi)容，是由所使用的特定卷類型決定的。

Kubernetes卷具有明確的生命周期，與創(chuàng)建它的Pod的生命周期相同?？偠灾粋€(gè)卷超過(guò)了在Pod中運(yùn)行的任何容器，并且在容器重啟時(shí)保留了數(shù)據(jù)。通常，當(dāng)一個(gè)Pod不再存在時(shí)，卷也將不復(fù)存在。Kubernetes支持多種類型的卷，并且Pod可以同時(shí)使用任意數(shù)量的卷。

命名空間

Kubernetes支持由同一物理集群支持的多個(gè)虛擬集群。這些虛擬集群稱為命名空間。

命名空間提供了名稱范圍。在一個(gè)命名空間內(nèi)，每個(gè)資源名稱都需要是唯一的，不過(guò)跨命名空間時(shí)就沒(méi)有這種要求了。

沒(méi)有必要只是為了分離略有不同的資源而使用多個(gè)命名空間，比如說(shuō)同一軟件的不同版本：可以用標(biāo)簽來(lái)區(qū)分同一命名空間內(nèi)的不同資源。

ReplicaSet

ReplicaSet確保一次運(yùn)行指定數(shù)量的pod副本。換句話說(shuō)，ReplicaSet確保pod或同類pod組始終可用。但是，Deployment是一個(gè)更高級(jí)別的概念，它可以管理ReplicaSets，并為Pods提供聲明性更新以及許多其他有用的功能。因此，除非您需要自定義更新編排或根本不需要更新，否則我建議您使用Deployments而不是直接使用ReplicaSets。

這實(shí)際上意味著您可能永遠(yuǎn)不需要直接操縱ReplicaSet對(duì)象，而是可以使用Deployment作為替代。

Deployment

Deployment controller為Pods和ReplicaSets提供聲明性更新。

您在Deployment對(duì)象中描述了所需狀態(tài)，Deployment controller就將以受控速率將現(xiàn)階段實(shí)際狀態(tài)更改為所需狀態(tài)。您可以定義Deployments來(lái)創(chuàng)建新的ReplicaSets，或刪除現(xiàn)有的Deployments并使用新的Deployments來(lái)使用所有資源。

StatefulSets

StatefulSet用于管理有狀態(tài)應(yīng)用程序，它管理一組Pods的部署和擴(kuò)展，并提供有關(guān)這些Pod 的排序和唯一性的保證。

StatefulSet的運(yùn)行模式和controller相同。您可以在StatefulSet對(duì)象中定義所需的狀態(tài)，StatefulSet controller就會(huì)進(jìn)行各種必要的更新以從當(dāng)前狀態(tài)到達(dá)更新為所需狀態(tài)。和Deployment類似，StatefulSet管理那些基于相同容器規(guī)范的Pods。與Deployment不同的是，StatefulSet為每個(gè)Pods保留一個(gè)粘性身份。這些Pods是根據(jù)相同的規(guī)范創(chuàng)建的，但不可互換：每個(gè)都有一個(gè)永久的標(biāo)識(shí)符，不論如何重新調(diào)度，這個(gè)標(biāo)識(shí)都保持不變。

DaemonSet

DaemonSet確保所有（或某些）節(jié)點(diǎn)運(yùn)行Pod的副本。隨著節(jié)點(diǎn)添加到群集中，Pod會(huì)隨之添加。當(dāng)將節(jié)點(diǎn)從集群中刪除后，Pods就成為了垃圾。此時(shí)，刪除一個(gè)DaemonSet就將清理它所創(chuàng)建的Pods。

DaemonSet的一些典型用途有：

在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行集群存儲(chǔ)daemon，例如glusterd、ceph。

在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行日志收集daemon，例如fluentd或logstash。

在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行節(jié)點(diǎn)監(jiān)控daemon，例如Prometheus Node Exporter或collectd。

Job

job創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)pod，并確保在需要的時(shí)候成功終止指定數(shù)量的pod。Pods成功完成后，job會(huì)追蹤順利完成的情況。當(dāng)達(dá)到指定數(shù)量時(shí)，job本身的任務(wù)就完成了。刪除Job將清除它所創(chuàng)建的Pods。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是創(chuàng)建一個(gè)Job對(duì)象，以便可靠地運(yùn)行一個(gè)對(duì)象Pod。如果第一個(gè)Pod失敗或被刪除（例如由于節(jié)點(diǎn)硬件故障或節(jié)點(diǎn)重啟），那么該Job對(duì)象將啟動(dòng)一個(gè)新Pod。

實(shí)際操作中的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了Kubernetes中的關(guān)鍵對(duì)象及概念了，很明顯，想要玩轉(zhuǎn)Kubernetes需要了解大量的信息。當(dāng)你嘗試使用Kubernetes時(shí)，可能會(huì)遇到如下挑戰(zhàn)：

如何在不同的基礎(chǔ)架構(gòu)中一致地部署？

如何跨多個(gè)集群（和名稱空間）實(shí)現(xiàn)和管理訪問(wèn)控制？

如何與中央身份驗(yàn)證系統(tǒng)集成？

如何分區(qū)集群以更有效地使用資源？

如何管理多租戶、多個(gè)專用和共享集群？

如何創(chuàng)建高可用集群？

如何跨集群/命名空間實(shí)施安全策略？

如何良好地進(jìn)行監(jiān)控，以確保有足夠的可見(jiàn)性來(lái)檢測(cè)和解決問(wèn)題？

如何跟上Kubernetes快速發(fā)展的步伐？

這就是Rancher可以幫助您的地方。Rancher是一個(gè)100%開(kāi)源的容器管理平臺(tái)，用于在生產(chǎn)中運(yùn)行Kubernetes。通過(guò)Rancher，你可以：

擁有易于使用的kubernetes配置和部署界面;

跨多個(gè)集群和云的基礎(chǔ)架構(gòu)管理;

自動(dòng)部署最新的kubernetes版本;

工作負(fù)載、RBAC、政策和項(xiàng)目管理;

24x7企業(yè)級(jí)支持。

Rancher可以成為一個(gè)單一控制點(diǎn)，而您可以在多種、多個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行多個(gè)Kubernetes集群：

上手Rancher和Kubernetes

現(xiàn)在讓我們看看如何在Rancher的幫助下輕松使用前文描述的Kubernetes對(duì)象。首先，您需要一個(gè)Rancher實(shí)例。按照本指南，在幾分鐘之內(nèi)即可啟動(dòng)一個(gè)Rancher實(shí)例并使用它創(chuàng)建一個(gè)Kubernetes集群：

https://rancher.com/docs/ranc...

啟動(dòng)集群后，您應(yīng)該在Rancher中看到Kubernetes集群的資源：

要從第一個(gè)Kubernetes對(duì)象——節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，請(qǐng)單擊頂部菜單上的Nodes。你應(yīng)該可以組成了你的Kubernetes集群的Nodes的整體情況：

在那里，您還可以看到已從Kubernetes集群部署到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的pod的數(shù)量。這些pod由Kubernetes和Rancher內(nèi)部系統(tǒng)使用。通常情況下你不需要處理那些。

下面讓我們繼續(xù)Pod的例子。要做到這一點(diǎn)，轉(zhuǎn)到Kubernetes集群的Default項(xiàng)目，然后進(jìn)入Workloads選項(xiàng)卡。下面讓我們部署一個(gè)工作負(fù)載。點(diǎn)擊Deploy并將Name和Docker image設(shè)置為nginx，剩下的一切都使用默認(rèn)值，然后點(diǎn)擊Launch。

創(chuàng)建后，Workloads選項(xiàng)卡會(huì)顯示nginx工作負(fù)載。

如果單擊nginx工作負(fù)載，您將會(huì)看到Rancher實(shí)際創(chuàng)建了一個(gè)Deployment，就像Kubernetes推薦的那樣用來(lái)管理ReplicaSet，您還將看到該ReplicaSet創(chuàng)建的Pod：

現(xiàn)在你有一個(gè)Deployment，它將確保我們所需的狀態(tài)在集群中正確顯示?，F(xiàn)在，點(diǎn)擊Scale附近+號(hào)，將此Workload擴(kuò)容到3。一旦你這樣做，你應(yīng)該能立即看到另外2個(gè)Pods被創(chuàng)建出來(lái)，另外還多了2個(gè)ReplicaSet來(lái)縮放事件。使用Pod右側(cè)菜單，嘗試刪除其中一個(gè)pod，并注意ReplicaSet是如何重新創(chuàng)建它以匹配所需狀態(tài)的。

現(xiàn)在，您的應(yīng)用程序已啟動(dòng)并運(yùn)行，并且已經(jīng)擴(kuò)展到3個(gè)實(shí)例。下一個(gè)問(wèn)題是，您如何訪問(wèn)它？在這里，我們將嘗試使用下一個(gè)Kubernetes對(duì)象——服務(wù)。為了暴露我們的nginx工作負(fù)載，我們需要先編輯它，從Workload右側(cè)菜單中選擇Edit。您將看到Deploy Workload頁(yè)面，且已填好了您的nginx工作負(fù)載的詳細(xì)信息：

請(qǐng)注意，現(xiàn)在您有3個(gè)pod在Scalable Deployment旁邊，但是當(dāng)您啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)值為1。這是因?yàn)槟愕臄U(kuò)展工作剛完成不久。

現(xiàn)在單擊Add Port，并按如下所示填充值：

將Publish the container port值設(shè)置為80;

Protocol仍為TCP;

將As a值設(shè)置為L(zhǎng)ayer-4 Load Balancer;

將On listening port值設(shè)置為80。

然后自信地點(diǎn)擊Upgrade吧！這將在您的云提供商中創(chuàng)建一個(gè)外部負(fù)載均衡器，并將流量引至您的Kubernetes集群內(nèi)的nginx Pods中。要對(duì)此進(jìn)行測(cè)試，請(qǐng)?jiān)俅卧L問(wèn)nginx工作負(fù)載概述頁(yè)面，現(xiàn)在您應(yīng)該看到Endpoints旁的80/tcp鏈接：

如果點(diǎn)擊80/tcp，它會(huì)導(dǎo)向您剛剛創(chuàng)建的負(fù)載均衡器的外部IP，并且向您展示一個(gè)默認(rèn)的nginx頁(yè)面，確認(rèn)一切都按預(yù)期正常工作。

至此，你已經(jīng)搞定了上半篇文章中介紹的大多數(shù)Kubernetes對(duì)象。你可以在Rancher中好好玩玩卷和命名空間，相信您一定能很快掌握如何通過(guò)Rancher更簡(jiǎn)單快捷地使用它們。至于StatefulSet、DaemonSet和Job，它們和Deployments非常類似，你同樣可以在Workloads選項(xiàng)卡中通過(guò)選擇Workload type來(lái)創(chuàng)建它們。

結(jié) 語(yǔ)

讓我們回顧一下你在上面的動(dòng)手練習(xí)中所做的一切。你已經(jīng)創(chuàng)建了我們描述的大多數(shù)Kubernetes對(duì)象：

1、最開(kāi)始，你在Rancher中創(chuàng)建了kubernetes集群；

2、然后你瀏覽了集群的Nodes；

3、你創(chuàng)造了一個(gè)Workload；

4、你已經(jīng)看到了一個(gè)Workload實(shí)際上創(chuàng)建了3個(gè)獨(dú)立的Kubernetes對(duì)象：一個(gè)Deployment管理著 ReplicaSet，同時(shí)按需保持著所需數(shù)量的Pods正常運(yùn)行；

5、在那之后你擴(kuò)展了你的Deployment數(shù)量，并觀察它是如何改變了ReplicaSet并相應(yīng)地?cái)U(kuò)展Pods的數(shù)量的；

6、最后你創(chuàng)建了一個(gè)Load Balancer類型的Service類型，用于平衡Pods之間的客戶端請(qǐng)求。

所有這些都可以通過(guò)Rancher輕松完成，您只需進(jìn)行一些點(diǎn)擊的操作，無(wú)需在本地安裝任何軟件來(lái)復(fù)制身份驗(yàn)證配置或在終端中運(yùn)行命令行。您只需一個(gè)瀏覽器，玩轉(zhuǎn)Kubernetes唾手可得。