打開(kāi)這篇文章的同學(xué)，想必對 Docker 都不會(huì )陌生。Docker 是一種虛擬容器技術(shù)，它上手比較簡(jiǎn)單，只需在宿主機上起一個(gè) Docker Engine，然后就能愉快的玩耍了，如：拉鏡像、起容器、掛載數據、映射端口等等。相對于 Kubernetes(K8S)的上手，可謂簡(jiǎn)單很多。

　　那么 K8S 是什么，又為什么上手難度大?K8S 是一個(gè)基于容器技術(shù)的分布式集群管理系統，是谷歌幾十年來(lái)大規模應用容器技術(shù)的經(jīng)驗積累和升華的一個(gè)重要成果。所以為了能夠支持大規模的集群管理，它承載了很多的組件，而且分布式本身的復雜度就很高。又因為 K8S 是谷歌出品的，依賴(lài)了很多谷歌自己的鏡像，所以對于國內的同學(xué)環(huán)境搭建的難度又增加了一層。

　　下面，我們帶著(zhù)問(wèn)題，一步步來(lái)看 K8S 中到底有哪些東西?

　　首先，既然是個(gè)分布式系統，那勢必有多個(gè) Node 節點(diǎn)(物理主機或虛擬機)，它們共同組成一個(gè)分布式集群，并且這些節點(diǎn)中會(huì )有一個(gè) Master 節點(diǎn)，由它來(lái)統一管理 Node 節點(diǎn)。

　　如圖所示：

　　問(wèn)題一：主節點(diǎn)和工作節點(diǎn)是如何通信的呢?

　　首先，Master 節點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，會(huì )運行一個(gè) kube-apiserver 進(jìn)程，它提供了集群管理的 API 接口，是集群內各個(gè)功能模塊之間數據交互和通信的中心樞紐，并且它頁(yè)提供了完備的集群安全機制(后面還會(huì )講到)。

　　在 Node 節點(diǎn)上，使用 K8S 中的 kubelet 組件，在每個(gè) Node 節點(diǎn)上都會(huì )運行一個(gè) kubelet 進(jìn)程，它負責向 Master 匯報自身節點(diǎn)的運行情況，如 Node 節點(diǎn)的注冊、終止、定時(shí)上報健康狀況等，以及接收 Master 發(fā)出的命令，創(chuàng )建相應 Pod。

　　在 K8S 中，Pod 是最基本的操作單元，它與 docker 的容器有略微的不同，因為 Pod 可能包含一個(gè)或多個(gè)容器(可以是 docker 容器)，這些內部的容器是共享網(wǎng)絡(luò )資源的，即可以通過(guò) localhost 進(jìn)行相互訪(fǎng)問(wèn)。

　　關(guān)于 Pod 內是如何做到網(wǎng)絡(luò )共享的，每個(gè) Pod 啟動(dòng)，內部都會(huì )啟動(dòng)一個(gè) pause 容器(google的一個(gè)鏡像)，它使用默認的網(wǎng)絡(luò )模式，而其他容器的網(wǎng)絡(luò )都設置給它，以此來(lái)完成網(wǎng)絡(luò )的共享問(wèn)題。

　　如圖所示：

　　問(wèn)題二：Master 是如何將 Pod 調度到指定的 Node 上的?

　　該工作由 kube-scheduler 來(lái)完成，整個(gè)調度過(guò)程通過(guò)執行一些列復雜的算法最終為每個(gè) Pod 計算出一個(gè)最佳的目標 Node，該過(guò)程由 kube-scheduler 進(jìn)程自動(dòng)完成。常見(jiàn)的有輪詢(xún)調度(RR)。當然也有可能，我們需要將 Pod 調度到一個(gè)指定的 Node 上，我們可以通過(guò)節點(diǎn)的標簽(Label)和 Pod 的 nodeSelector 屬性的相互匹配，來(lái)達到指定的效果。

　　如圖所示：

　　關(guān)于標簽(Label)與選擇器(Selector)的概念，后面會(huì )進(jìn)一步介紹

　　問(wèn)題三：各節點(diǎn)、Pod 的信息都是統一維護在哪里的，由誰(shuí)來(lái)維護?

　　從上面的 Pod 調度的角度看，我們得有一個(gè)存儲中心，用來(lái)存儲各節點(diǎn)資源使用情況、健康狀態(tài)、以及各 Pod 的基本信息等，這樣 Pod 的調度來(lái)能正常進(jìn)行。

　　在 K8S 中，采用 etcd 組件 作為一個(gè)高可用強一致性的存儲倉庫，該組件可以?xún)戎迷?K8S 中，也可以外部搭建供 K8S 使用。

　　集群上的所有配置信息都存儲在了 etcd，為了考慮各個(gè)組件的相對獨立，以及整體的維護性，對于這些存儲數據的增、刪、改、查，統一由 kube-apiserver 來(lái)進(jìn)行調用，apiserver 也提供了 REST 的支持，不僅對各個(gè)內部組件提供服務(wù)外，還對集群外部用戶(hù)暴露服務(wù)。

　　外部用戶(hù)可以通過(guò) REST 接口，或者 kubectl 命令行工具進(jìn)行集群管理，其內在都是與 apiserver 進(jìn)行通信。

　　如圖所示：

　　問(wèn)題四：外部用戶(hù)如何訪(fǎng)問(wèn)集群內運行的 Pod ?

　　前面講了外部用戶(hù)如何管理 K8S，而我們更關(guān)心的是內部運行的 Pod 如何對外訪(fǎng)問(wèn)。使用過(guò)Docker 的同學(xué)應該知道，如果使用 bridge 模式，在容器創(chuàng )建時(shí)，都會(huì )分配一個(gè)虛擬 IP，該 IP 外部是沒(méi)法訪(fǎng)問(wèn)到的，我們需要做一層端口映射，將容器內端口與宿主機端口進(jìn)行映射綁定，這樣外部通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)宿主機的指定端口，就可以訪(fǎng)問(wèn)到內部容器端口了。

　　那么，K8S 的外部訪(fǎng)問(wèn)是否也是這樣實(shí)現的?答案是否定的，K8S 中情況要復雜一些。因為上面講的 Docker 是單機模式下的，而且一個(gè)容器對外就暴露一個(gè)服務(wù)。在分布式集群下，一個(gè)服務(wù)往往由多個(gè) Application 提供，用來(lái)分擔訪(fǎng)問(wèn)壓力，而且這些 Application 可能會(huì )分布在多個(gè)節點(diǎn)上，這樣又涉及到了跨主機的通信。

　　這里，K8S 引入了 Service 的概念，將多個(gè)相同的 Pod 包裝成一個(gè)完整的 service 對外提供服務(wù)，至于獲取到這些相同的 Pod，每個(gè) Pod 啟動(dòng)時(shí)都會(huì )設置 labels 屬性，在 Service 中我們通過(guò)選擇器 Selector，選擇具有相同 Name 標簽屬性的 Pod，作為整體服務(wù)，并將服務(wù)信息通過(guò) Apiserver 存入 etcd 中，該工作由 Service Controller 來(lái)完成。同時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)上會(huì )啟動(dòng)一個(gè) kube-proxy 進(jìn)程，由它來(lái)負責服務(wù)地址到 Pod 地址的代理以及負載均衡等工作。

　　如圖所示：

　　問(wèn)題五：Pod 如何動(dòng)態(tài)擴容和縮放?

　　既然知道了服務(wù)是由 Pod 組成的，那么服務(wù)的擴容也就意味著(zhù) Pod 的擴容。通俗點(diǎn)講，就是在需要時(shí)將 Pod 復制多份，在不需要后，將 Pod 縮減至指定份數。K8S 中通過(guò) Replication Controller 來(lái)進(jìn)行管理，為每個(gè) Pod 設置一個(gè)期望的副本數，當實(shí)際副本數與期望不符時(shí)，就動(dòng)態(tài)的進(jìn)行數量調整，以達到期望值。期望數值可以由我們手動(dòng)更新，或自動(dòng)擴容代理來(lái)完成。

　　如圖所示：

　　問(wèn)題六：各個(gè)組件之間是如何相互協(xié)作的?

　　最后，講一下 kube-controller-manager 這個(gè)進(jìn)程的作用。我們知道了 ectd 是作為集群數據的存儲中心， apiserver 是管理數據中心，作為其他進(jìn)程與數據中心通信的橋梁。而 Service Controller、Replication Controller 這些統一交由 kube-controller-manager 來(lái)管理，kube-controller-manager 作為一個(gè)守護進(jìn)程，每個(gè) Controller 都是一個(gè)控制循環(huán)，通過(guò) apiserver 監視集群的共享狀態(tài)，并嘗試將實(shí)際狀態(tài)與期望不符的進(jìn)行改變。關(guān)于 Controller，manager 中還包含了 Node 節點(diǎn)控制器(Node Controller)、資源配額管控制器(ResourceQuota Controller)、命名空間控制器(Namespace Controller)等。

　　如圖所示：

　　總結

　　本文通過(guò)問(wèn)答的方式，沒(méi)有涉及任何深入的實(shí)現細節，從整體的角度，概念性的介紹了 K8S 中涉及的基本概念，其中使用相關(guān)的包括有：

　　Node

　　Pod

　　Label

　　Selector

　　Replication Controller

　　Service Controller

　　ResourceQuota Controller

　　Namespace Controller

　　Node Controller

　　以及運行進(jìn)程相關(guān)的有：

　　kube-apiserver

　　kube-controller-manager

　　kube-scheduler

　　kubelet

　　kube-proxy

　　pause

　　這也是我學(xué)習 K8S 后對其整體架構的一次總結，因為剛上手時(shí)，閱讀官方文檔，確實(shí)被如此多的內容搞得有點(diǎn)暈，所在在這里進(jìn)行了簡(jiǎn)單的梳理。文中有理解不到位的地方，歡迎指正!

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