Docker 不香吗，为啥还要 K8s？

2020年8月11日 380点热度 0人点赞 0条评论

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本文来源：51CTO技术栈

Docker 虽好用，但面对强大的集群，成千上万的容器，突然感觉不香了。

这时候就需要我们的主角 Kubernetes 上场了，先来了解一下 K8s 的基本概念，后面再介绍实践，由浅入深步步为营。

关于 K8s 的基本概念我们将会围绕如下七点展开：

Docker 的管理痛点
什么是 K8s？
云架构 & 云原生
K8s 架构原理
K8s 核心组件
K8s 的服务注册与发现
关键问题

Docker 的管理痛点

如果想要将 Docker 应用于庞大的业务实现，是存在困难的编排、管理和调度问题。

于是，我们迫切需要一套管理系统，对 Docker 及容器进行更高级更灵活的管理。

Kubernetes 应运而生！Kubernetes，名词源于希腊语，意为「舵手」或「飞行员」。

Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目，建立在 Google 在大规模运行生产工作负载方面拥有十几年的经验的基础上，结合了社区中最好的想法和实践。

K8s 是 Kubernetes 的缩写，用 8 替代了「ubernete」，下文我们将使用简称。

什么是 K8s ？

K8s 是一个可移植的、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。

K8s 拥有一个庞大且快速增长的生态系统。K8s 的服务、支持和工具广泛可用。

通过 K8s 我们可以：

快速部署应用
快速扩展应用
无缝对接新的应用功能
节省资源，优化硬件资源的使用

K8s 有如下特点：

可移植：支持公有云，私有云，混合云，多重云 multi-cloud。
可扩展：模块化，插件化，可挂载，可组合。
自动化：自动部署，自动重启，自动复制，自动伸缩/扩展。

云架构 & 云原生

①云和 K8s 是什么关系

云就是使用容器构建的一套服务集群网络，云由很多的大量容器构成。K8s 就是用来管理云中的容器。

②常见几类云架构

常见几类云架构如上图所示：

On-Premises（本地部署）。
IaaS（基础设施即服务）：用户：租用（购买|分配权限）云主机，用户不需要考虑网络，DNS，硬件环境方面的问题；运营商：提供网络，存储，DNS，这样服务就叫做基础设施服务。
PaaS（平台即服务）：MySQL/ES/MQ/...
SaaS（软件即服务）：钉钉，财务管理。
Serverless：无服务，不需要服务器。站在用户的角度考虑问题，用户只需要使用云服务器即可，在云服务器所在的基础环境，软件环境都不需要用户关心。

如果觉得不好理解，推荐阅读这篇文章：如何通俗解释 IaaS、PaaS、SaaS 的区别：

https://www.zhihu.com/question/21641778/answer/62523535

可以预见：未来服务开发都是 Serverless，企业都构建了自己的私有云环境，或者是使用公有云环境。

③云原生

为了让应用程序（项目，服务软件）都运行在云上的解决方案，这样的方案叫做云原生。

云原生有如下特点：

容器化，所有服务都必须部署在容器中
微服务，Web 服务架构式服务架构
CI/CD
DevOps

K8s 架构原理

①K8s 架构

概括来说 K8s 架构就是一个 Master 对应一群 Node 节点。下面我们来逐一介绍 K8s 架构图中的 Master 和 Node。

Master 节点结构如下：

apiserver 即 K8s 网关，所有的指令请求都必须要经过 apiserver。
Scheduler 调度器，使用调度算法，把请求资源调度到某一个 Node 节点。
Controller 控制器，维护 K8s 资源对象。
etcd 存储资源对象。

Node 节点结构如下：

Kubelet 在每一个 Node 节点都存在一份，在 Node 节点上的资源操作指令由 Kubelet 来执行。
Kube-proxy 代理服务，处理服务间负载均衡。
Pod 是 K8s 管理的基本单元（最小单元），Pod 内部是容器，K8s 不直接管理容器，而是管理 Pod。
Docker 运行容器的基础环境，容器引擎。
Fluentd 日志收集服务。

在介绍完 K8s 架构后，我们又引入了很多技术名词。不要着急，先有整体概念，再各个击破。请耐心阅读下文，相信你一定会有不一样的收获。

K8s 核心组件

①K8s 组件

K8s 是用来管理容器，但是不直接操作容器，最小操作单元是 Pod （间接管理容器）：

一个 Master 有一群 Node 节点与之对应。
Master 节点不存储容器，只负责调度、网管、控制器、资源对象存储。
容器的存储在 Node 节点，容器是存储在 Pod 内部的）。
Pod 内部可以有一个容器，或者多个容器。
Kubelet 负责本地 Pod 的维护。
Kube-proxy 负责负载均衡，在多个 Pod 之间来做负载均衡。

②Pod 是什么？

解释如下：

Pod 也是一个容器，这个容器中装的是 Docker 创建的容器，Pod 用来封装容器的一个容器，Pod 是一个虚拟化分组。
Pod 相当于独立主机，可以封装一个或者多个容器。

Pod 有自己的 IP 地址、主机名，相当于一台独立沙箱环境。

③Pod 到底用来干什么？

通常情况下，在服务部署时候，使用 Pod 来管理一组相关的服务。一个 Pod 中要么部署一个服务，要么部署一组有关系的服务。

一组相关的服务是指：在链式调用的调用连路上的服务。

④Web 服务集群如何实现？

实现服务集群：只需要复制多方 Pod 的副本即可，这也是 K8s 管理的先进之处，K8s 如果继续扩容，只需要控制 Pod 的数量即可，缩容道理类似。

⑤Pod 底层网络，数据存储是如何进行的？

具体如下：

Pod 内部容器创建之前，必须先创建 Pause 容器。
服务容器之间访问 localhost ，相当于访问本地服务一样，性能非常高。

⑥ReplicaSet 副本控制器

控制 Pod 副本「服务集群」的数量，永远与预期设定的数量保持一致即可。

当有 Pod 服务宕机时候，副本控制器将会立马重新创建一个新的 Pod，永远保证副本为设置数量。

副本控制器：标签选择器-选择维护一组相关的服务（它自己的服务）

ReplicationController 副本控制器：单选。
ReplicaSet 副本控制器：单选，复合选择。

selector：
    app = web
    Release = stable

在新版的 K8s 中，建议使用 ReplicaSet 作为副本控制器，ReplicationController 不再使用了。

⑦Deployment 部署对象

Deployment 部署对象如下：

服务部署结构模型
滚动更新

ReplicaSet 副本控制器控制 Pod 副本的数量。但是，项目的需求在不断迭代、不断的更新，项目版本将会不停的的发版。版本的变化，如何做到服务更新？

部署模型：

ReplicaSet 不支持滚动更新，Deployment 对象支持滚动更新，通常和 ReplicaSet 一起使用。
Deployment 管理 ReplicaSet，RS 重新建立新的 RS，创建新的 Pod。

⑧MySQL 使用容器化部署，存在什么样的问题？

问题如下：

容器是生命周期的，一旦宕机，数据丢失
Pod 部署，Pod 有生命周期，数据丢失

对于 K8s 来说，不能使用 Deployment 部署有状态服务。

通常情况下，Deployment 被用来部署无状态服务，那么对于有状态服务的部署，使用 StatefulSet 进行有状态服务的部署。

什么是有状态服务？

有实时的数据需要存储。
有状态服务集群中，把某一个服务抽离出去，一段时间后再加入机器网络，如果集群网络无法使用。

什么是无状态服务？

没有实时的数据需要存储。
无状态服务集群中，把某一个服务抽离出去，一段时间后再加入机器网络，对集群服务没有任何影响。

⑨StatefulSet

为了解决有状态服务使用容器化部署的一个问题：

部署模型
有状态服务

StatefulSet 保证 Pod 重新建立后，Hostname 不会发生变化，Pod 就可以通过 Hostname 来关联数据。

K8s 的服务注册与发现

①Pod 的结构是怎样的？

结构如下：

Pod 相当于一个容器，Pod 有独立 IP 地址，也有自己的 Hostname，利用 Namespace 进行资源隔离，独立沙箱环境。
Pod 内部封装的是容器，可以封装一个，或者多个容器（通常是一组相关的容器）。

②Pod 网络

具体如下：

Pod 有自己独立的 IP 地址。
Pod 内部容器之间访问采用 Localhost 访问。

Pod 内部容器访问是 Localhost，Pod 之间的通信属于远程访问。

③Pod 是如何对外提供服务访问的？

Pod 是虚拟的资源对象（进程），没有对应实体（物理机，物理网卡）与之对应，无法直接对外提供服务访问。

那么该如何解决这个问题呢？Pod 如果想要对外提供服务，必须绑定物理机端口。

也就是说在物理机上开启端口，让这个端口和 Pod 的端口进行映射，这样就可以通过物理机进行数据包的转发。

概括来说：先通过物理机 IP+Port 进行访问，再进行数据包转发。

④一组相关的 Pod 副本，如何实现访问负载均衡？

我们先明确一个概念，Pod 是一个进程，是有生命周期的。宕机、版本更新，都会创建新的 Pod。

这时候 IP 地址会发生变化，Hostname 会发生变化，使用 Nginx 做负载均衡就不太合适了。

所以我们需要依赖 Service 的能力。

⑤Service 如何实现负载均衡？

简单来说，Service 资源对象包括如下三部分：

Pod IP：Pod 的 IP 地址。
Node IP：物理机 IP 地址。
Cluster IP：虚拟 IP ，是由 K8s 抽象出的 Service 对象，这个 Service 对象就是一个 VIP 的资源对象。

⑥Service VIP 更深入原理探讨

具体如下：

Service 和 Pod 都是一个进程，Service 也不能对外网提供服务。
Service 和 Pod 之间可以直接进行通信，它们的通信属于局域网通信。
把请求交给 Service 后，Service 使用 iptable，ipvs 做数据包的分发。

⑦Service 对象是如何和 Pod 进行关联的？

具体如下：

不同的业务有不同的 Service。
Service 和 Pod 通过标签选择器进行关联。

selector：
    app=x 选择一组订单的服务 pod ，创建一个 service；
    通过 endpoints 存放一组 pod ip；

Service 通过标签选择器选择一组相关的副本，然后创建一个 Service。

⑧Pod 宕机、发布新的版本的时候，Service 如何发现 Pod 已经发生了变化？

每个 Pod 中都有 Kube-Proxy，监听所有 Pod。如果发现 Pod 有变化，就动态更新（etcd 中存储）对应的 IP 映射关系。

关键问题

①企业使用 K8s 主要用来做什么？

有如下三个方面：

自动化运维平台，创业型公司，中小型企业，使用 K8s 构建一套自动化运维平台，自动维护服务数量，保持服务永远和预期的数据保持一致性，让服务可以永远提供服务。这样最直接的好处就是降本增效。
充分利用服务器资源，互联网企业，有很多服务器资源「物理机」，为了充分利用服务器资源，使用 K8s 构建私有云环境，项目运行在云。这在大型互联网公司尤为重要。
服务的无缝迁移，项目开发中，产品需求不停的迭代，更新产品。这就意味着项目不停的发布新的版本，而 K8s 可以实现项目从开发到生产无缝迁移。