我花了10个小时,写出了这篇K8S架构解析

互联网技术飞速发展的今天,为了承载请求的高并发和业务的多样性,微服务的架构成了各个公司的标配。

图片来自 Pexels

每个微服务通过 Docker 进行发布,随着业务的发展,系统中遍布着各种各样的容器。于是,容器的资源调度,部署运行,扩容缩容就是我们要面临的问题。

基于 Kubernetes 作为容器集群的管理平台被广泛应用,今天我们一起来看看 Kubernetes 的架构中有那些常用的组件以及运行原理。

Kubernetes 架构概述

Kubernetes 是用来管理容器集群的平台。既然是管理集群,那么就存在被管理节点,针对每个 Kubernetes 集群都由一个 Master 负责管理和控制集群节点。

我们通过 Master 对每个节点 Node 发送命令。简单来说,Master 就是管理者,Node 就是被管理者。

Node 可以是一台机器或者一台虚拟机。在 Node 上面可以运行多个 Pod,Pod 是 Kubernetes 管理的最小单位,同时每个 Pod 可以包含多个容器(Docker)。

通过下面的 Kubernetes 架构简图可以看到 Master 和 Node 之间的关系:

Kubernetes 架构简图

通常我们都是通过 kubectl 对 Kubernetes 下命令的,它通过 APIServer 去调用各个进程来完成对 Node 的部署和控制。

APIServer 的核心功能是对核心对象(例如:Pod,Service,RC)的增删改查操作,同时也是集群内模块之间数据交换的枢纽。

它包括了常用的 API,访问(权限)控制,注册,信息存储(etcd)等功能。在它的下面我们可以看到 Scheduler,它将待调度的 Pod 绑定到 Node 上,并将绑定信息写入 etcd 中。

etcd 包含在 APIServer 中,用来存储资源信息。接下来就是 Controller Manager 了,如果说 Kubernetes 是一个自动化运行的系统,那么就需要有一套管理规则来控制这套系统。

Controller Manager 就是这个管理者,或者说是控制者。它包括 8 个 Controller,分别对应着副本,节点,资源,命名空间,服务等等。

紧接着,Scheduler 会把 Pod 调度到 Node 上,调度完以后就由 kubelet 来管理 Node 了。

kubelet 用于处理 Master 下发到 Node 的任务(即 Scheduler 的调度任务),同时管理 Pod 及 Pod 中的容器。

在完成资源调度以后,kubelet 进程也会在 APIServer 上注册 Node 信息,定期向 Master 汇报 Node 信息,并通过 cAdvisor 监控容器和节点资源。

由于,微服务的部署都是分布式的,所以对应的 Pod 以及容器的部署也是。为了能够方便地找到这些 Pod 或者容器,引入了 Service(kube-proxy)进程,它来负责反向代理和负载均衡的实施。

上面就是 Kubernetes 架构的简易说明,涉及到了一些核心概念以及简单的信息流动。

将一些功能收录到了 APIServer 中,这个简图比官网的图显得简单一些,主要是方便大家记忆。

后面我们会用一个简单的例子,带大家把 Kubernetes 的概念的由来做深入的了解。

从一个例子开始

假设使用 Kubernetes 部署 Tomcat 和 MySQL 服务到两个 Node 上面。其中 Tomcat 服务生成两个实例也就是生成两个 Pod,用来对其做水平扩展。

MySQL 只部署一个实例,也就是一个 Pod。可以通过外网访问 Tomcat,而 Tomcat 可以在内网访问 MySQL。

例子示意图

这里我们假设 Kubernetes 和 Docker 的安装都已经完成,并且镜像文件都已经准备好了。重点看 Kubernetes 如何部署和管理容器。

kubectl 和 APIServer

既然我们要完成上面的例子,接下来就要部署两个应用。

首先,根据要部署的应用建立 Replication Controller(RC)。RC 是用来声明应用副本的个数,也就是 Pod 的个数。

按照上面的例子,Tomcat 的 RC 就是 2,MySQL 的 RC 就是 1。

由于 kubectl 作为用户接口向 Kubernetes 下发指令,那么指令是通过“.yaml”的配置文件编写的。

定义 mysql-rc.yaml 的配置文件来描述 MySQL 的 RC:

apiVersion: V1
kind: ReplicationController
metadata:
 name: mysql#RC的名称,全局唯一
spec:
 replicas:1 #Pod 副本的期待数量
selector :
app: mysql
 template: #Pod模版,用这个模版来创建Pod
metadata:
 labels:
app:mysql#Pod副本的标签
spec:
 containers:#容器定义部分
     -name:mysql
Image:mysql#容器对应的DockerImage
      Ports:
      -containerPort:3306#容器应用监听的端口号
      Env:#注入容器的环境变量
      -name:MYSQL_ROOT_PASSWORD
      Value:”123456”

从上面的配置文件可以看出,需要对这个 RC 定义一个名字,以及期望的副本数,以及容器中的镜像文件。然后通过 kubectl 作为客户端的 cli 工具,执行这个配置文件。

通过 kubectl 执行 RC 配置文件

执行了上面的命令以后,Kubernetes 会帮助我们部署副本 MySQL 的 Pod 到 Node。

此时先不着急看结果,回到最开始的架构图,可以看到 kubectl 会向 Master 中的 APIServer 发起命令,看看 APIServer 的结构和信息的传递吧。

Kubernetes API Server 通过一个名为 kube-apiserver 的进程提供服务,该进程运行在 Master 上。

可以通过 Master 的 8080 端口访问 kube-apiserver 进程,它提供 REST 服务。

因此可以通过命令行工具 kubectl 来与 Kubernetes APIServer 交互,它们之间的接口是 RESTful API。

APIServer 的架构从上到下分为四层:

  • API 层: 主要以 REST 方式提供各种 API 接口,针对 Kubernetes 资源对象的 CRUD 和 Watch 等主要 API,还有健康检查、UI、日志、性能指标等运维监控相关的 API。

  • 访问控制层: 负责身份鉴权,核准用户对资源的访问权限,设置访问逻辑(Admission Control)。

  • 注册表层: 选择要访问的资源对象。PS:Kubernetes 把所有资源对象都保存在注册表(Registry)中,例如:Pod,Service,Deployment 等等。

  • etcd 数据库: 保存创建副本的信息。用来持久化 Kubernetes 资源对象的 Key-Value 数据库。

APIServer 分层架构图

当 kubectl 用 Create 命令建立 Pod 时,是通过 APIServer 中的 API 层调用对应的 RESTAPI 方法。

之后会进入权限控制层,通过 Authentication 获取调用者身份,Authorization 获取权限信息。

AdmissionControl 中可配置权限认证插件,通过插件来检查请求约束。例如:启动容器之前需要下载镜像,或者检查具备某命名空间的资源。

还记得 mysql-rc.yaml 中配置需要生成的 Pod 的个数为 1。到了 Registry 层会从 CoreRegistry 资源中取出 1 个 Pod 作为要创建的 Kubernetes 资源对象。

然后将 Node,Pod 和 Container 信息保存在 etcd 中去。这里的 etcd 可以是一个集群,由于里面保存集群中各个 Node/Pod/Container 的信息,所以必要时需要备份,或者保证其可靠性。

Controller Manager,Scheduler 和 kubelet

前面通过 kubectl 根据配置文件,向 APIServer 发送命令,在 Node 上面建立 Pod 和 Container。

在 APIServer,经过 API 调用,权限控制,调用资源和存储资源的过程。实际上还没有真正开始部署应用。

这里需要 Controller Manager,Scheduler 和 kubelet 的协助才能完成整个部署过程。

在介绍他们协同工作之前,要介绍一下在 Kubernetes 中的监听接口。从上面的操作知道,所有部署的信息都会写到 etcd 中保存。

实际上 etcd 在存储部署信息的时候,会发送 Create 事件给 APIServer,而 APIServer 会通过监听(Watch)etcd 发过来的事件。其他组件也会监听(Watch)APIServer 发出来的事件。

Kubernetes 就是用这种 List-Watch 的机制保持数据同步的,如上图:

  • 这里有三个 List-Watch,分别是 kube-controller-manager(运行在Master),kube-scheduler(运行在 Master),kublete(运行在 Node)。 他们在进程已启动就会监听(Watch)APIServer 发出来的事件。

  • kubectl 通过命令行,在 APIServer 上建立一个 Pod 副本。

  • 这个部署请求被记录到 etcd 中,存储起来。

  • 当 etcd 接受创建 Pod 信息以后,会发送一个 Create 事件给 APIServer。

  • 由于 Kubecontrollermanager 一直在监听 APIServer 中的事件。此时 APIServer 接受到了 Create 事件,又会发送给 Kubecontrollermanager。

  • Kubecontrollermanager 在接到 Create 事件以后,调用其中的 Replication Controller 来保证 Node 上面需要创建的副本数量。

    上面的例子 MySQL 应用是 1 个副本,Tomcat 应用是两个副本。一旦副本数量少于 RC 中定义的数量,Replication Controller 会自动创建副本。总之它是保证副本数量的 Controller。PS:扩容缩容的担当。

  • 在 Controller Manager 创建 Pod 副本以后,APIServer 会在 etcd 中记录这个 Pod 的详细信息。例如在 Pod 的副本数,Container 的内容是什么。

  • 同样的 etcd 会将创建 Pod 的信息通过事件发送给 APIServer。

  • 由于 Scheduler 在监听(Watch)APIServer,并且它在系统中起到了“承上启下”的作用,“承上”是指它负责接收创建的 Pod 事件,为其安排 Node;“启下”是指安置工作完成后,Node 上的 kubelet 服务进程接管后继工作,负责 Pod 生命周期中的“下半生”。

    换句话说,Scheduler 的作用是将待调度的 Pod 按照调度算法和策略绑定到集群中 Node 上,并将绑定信息写入 etcd 中。

  • Scheduler 调度完毕以后会更新 Pod 的信息,此时的信息更加丰富了。除了知道 Pod 的副本数量,副本内容。还知道部署到哪个 Node 上面了。

  • 同样,将上面的 Pod 信息更新到 etcd 中,保存起来。

  • etcd 将更新成功的事件发送给 APIServer。

  • 注意这里的 kubelet 是在 Node 上面运行的进程,它也通过 List-Watch 的方式监听(Watch)APIServer 发送的 Pod 更新的事件。实际上,在第 9 步的时候创建 Pod 的工作就已经完成了。

    为什么 kubelete 还要一直监听呢?原因很简单,假设这个时候 kubectl 发命令,需要把原来的 MySQL 的 1 个 RC 副本扩充成 2 个。那么这个流程又会触发一遍。

    作为 Node 的管理者 kubelet 也会根据最新的 Pod 的部署情况调整 Node 端的资源。

    又或者 MySQL 应用的 RC 个数没有发生变化,但是其中的镜像文件升级了,kubelet 也会自动获取最新的镜像文件并且加载。

通过上面 List-Watch 的介绍大家发现了,除了之前引入的 kubectl 和 APIServer 以外又引入了 Controller Manager,Scheduler 和 kubelet。

这里给大家介绍一下他们的作用和原理:

聚焦 Scheduler,Controller Manager,kubelet

Controller Manager

Kubernetes 需要管理集群中的不同资源,所以针对不同的资源要建立不同的 Controller。

每个 Controller 通过监听机制获取 APIServer 中的事件(消息),它们通过 API Server 提供的(List-Watch)接口监控集群中的资源,并且调整资源的状态。

可以把它想象成一个尽职的管理者,随时管理和调整资源。比如 MySQL 所在的 Node 意外宕机了,Controller Manager 中的 Node Controller 会及时发现故障,并执行修复流程。

在部署了成百上千微服务的系统中,这个功能极大地协助了运维人员。从此可以看出,Controller Manager 是 Kubernetes 资源的管理者,是运维自动化的核心。

它分为 8 个 Controller,上面我们介绍了 Replication Controller,这里我们把其他几个都列出来,就不展开描述了。

Controller Manager 中不同的 Controller 负责对不同资源的监控和管理

Scheduler 与 kubelet

Scheduler 的作用是,将待调度的 Pod 按照算法和策略绑定到 Node 上,同时将信息保存在 etcd 中。

如果把 Scheduler 比作调度室,那么这三件事就是它需要关注的,待调度的 Pod、可用的 Node,调度算法和策略。

简单地说,就是通过调度算法/策略把 Pod 放到合适的 Node 中去。此时 Node 上的 kubelet 通过 APIServer 监听到 Scheduler 产生的 Pod 绑定事件,然后通过 Pod 的描述装载镜像文件,并且启动容器。

也就是说 Scheduler 负责思考,Pod 放在哪个 Node,然后将决策告诉 kubelet,kubelet 完成 Pod 在 Node 的加载工作。

说白了,Scheduler 是 boss,kubelet 是干活的工人,他们都通过 APIServer 进行信息交换。

Scheduler 与 kubelet 协同工作图

Service 和 kubelet

经历上面一系列的过程,终于将 Pod 和容器部署到 Node 上了。

MySQL 部署成功

作为部署在 Kubernetes 中,Pod 如何访问其他的 Pod 呢?答案是通过 Kubernetes 的 Service 机制。

在 Kubernetes 中的 Service 定义了一个服务的访问入口地址(IP+Port)。Pod 中的应用通过这个地址访问一个或者一组 Pod 副本。

Service 与后端 Pod 副本集群之间是通过 Label Selector 来实现连接的。Service 所访问的这一组 Pod 都会有同样的 Label,通过这样的方法知道这些 Pod 属于同一个组。

Pod 通过 Service 访问其他 Pod

写 MySQL 服务的配置文件(mysql-svc.yaml)如下:

apiVersion : v1
kind: Service #说明创建资源对象的类型是Service
metadata:
 name: mysql#Service全局唯一名称
spec:
prots:
-port: 3306#Service的服务端口号
 selector:#Service对应的Pod标签,用来给Pod分类
   app: mysql

按照惯例运行 kubectl,创建 Service:

再用 getsvc 命令检查 Service 信息:

这里的 Cluster-IP 169.169.253.143 是由 Kubernetes 自动分配的。当一个 Pod 需要访问其他的 Pod 的时候就需要通过 Service 的 Cluster-IP 和 Port。

也就是说 Cluster-IP 和 Port 是 Kubernetes 集群的内部地址,是提供给集群内的 Pod 之间访问使用的,外部系统是无法通过这个 Cluster-IP 来访问 Kubernetes 中的应用的。

上面提到的 Service 只是一个概念,而真正将 Service 落实的是 kube-proxy。

只有理解了 kube-proxy 的原理和机制,我们才能真正理解 Service 背后的实现逻辑。

在 Kubernetes 集群的每个 Node 上都会运行一个 kube-proxy 服务进程,我们可以把这个进程看作 Service 的负载均衡器,其核心功能是将到 Service 的请求转发到后端的多个 Pod 上。

此外,Service 的 Cluster-IP 与 NodePort 是 kube-proxy 服务通过 iptables 的 NAT 转换实现的。kube-proxy 在运行过程中动态创建与 Service 相关的 iptables 规则。

由于 iptables 机制针对的是本地的 kube-proxy 端口,所以在每个 Node 上都要运行 kube-proxy 组件。

因此在 Kubernetes 集群内部,可以在任意 Node 上发起对 Service 的访问请求。

集群内部通过 kube-proxy(Service)访问其他 Pod

正如 MySQL 服务,可以被 Kubernetes 内部的 Tomcat 调用,那么 Tomcat 如何被 Kubernetes 外部调用?

先生成配置文件,myweb-rc.yaml 看看:

apiVersion: V1
kind: ReplicationController
metadata:
 name: myweb#RC的名称,全局唯一
spec:
 replicas:2#Pod 副本的期待数量,这里的数量是2,需要建立两个Tomcat的副本
selector :
app: myweb
 template: #Pod模版,用这个模版来创建Pod
metadata:
 labels:
app:myweb#Pod副本的标签
spec:
 containers: #容器定义部分
     -name:mysql
Image:kubeguide/tomcat-app:v1#容器对应的DockerImage
      Ports:
      -containerPort:8080#容器应用监听的端口号

在 kubectl 中使用 Create 建立 myweb 副本。

副本创建完毕以后,创建对应的服务配置文件 myweb-svc.yaml。

apiVersion : v1
kind: Service #说明创建资源对象的类型是Service
metadata:
 name: myweb#Service全局唯一名称
spec:
prots:
-port: 8080#Service的服务端口号
nodePort: 30001#这个就是外网访问Kubernetes内部应用的端口。
 selector: #Service对应的Pod标签,用来给Pod分类
   app: myweb

同样在 kubectl 中运行 Create 命令,建立 Service 资源。

从上面的配置文件可以看出,Tomcat 的 Service 中多了一个 nodePort 的配置,值为 30001。

也就是说外网通过 30001 这个端口加上 NodeIP 就可以访问 Tomcat 了。

运行命令之后,得到一个提示,大致意思是“如果你要将服务暴露给外网使用,你需要设置防火墙规则让 30001 端口能够通行。”

由于 Cluster-IP 是一个虚拟的 IP,仅供 Kubernetes 内部的 Pod 之间的通信。

Node 作为一个物理节点,因此需要使用 Node-IP 和 nodePort 的组合来从 Kubernetes 外面访问内部的应用。

如果按照上面的配置,部署了两个 Tomcat 应用,当外网访问时选择那个 Pod 呢?这里需要通过 Kubernetes 之外的负载均衡器来实现的。

Kubernetes 之外的负载均衡器

可以通过 Kubernetes 的 LoadBlancerService 组件来协助实现。通过云平台申请创建负载均衡器,向外暴露服务。

目前 LoadBlancerService 组件支持的云平台比较完善,比如国外的 GCE、DigitalOcean,国内的阿里云,私有云 OpenStack 等等。

从用法上只要把 Service 的 type=NodePort 改为 type=LoadBalancer,Kubernetes 就会自动创建一个对应的 Load Balancer 实例并返回它的 IP 地址供外部客户端使用。

至此,MySQL(RC 1)和 Tomcat(RC 2)已经在 Kubernetes 部署了。并在 Kubernetes 内部 Pod 之间是可以互相访问的,在外网也可以访问到 Kubernetes 内部的 Pod。

Pod 在 Kubernetes 内互相访问,外网访问 Pod

另外,作为资源监控 Kubernetes 在每个 Node 和容器上都运行了 cAdvisor。它是用来分析资源使用率和性能的工具,支持 Docker 容器。

kubelet 通过 cAdvisor 获取其所在 Node 及容器(Docker)的数据。cAdvisor 自动采集 CPU、内存、文件系统和网络使用的统计信息。

kubelet 作为 Node 的管理者,把 cAdvisor 采集上来的数据通过 RESTAPI 的形式暴露给 Kubernetes 的其他资源,让他们知道 Node/Pod 中的资源使用情况。

总结

由于微服务的迅猛发展,Kubernetes 作为微服务治理平台被广泛应用。由于其发展时间长,包含服务功能多我们无法一一列出。

因此,从一个简单的创建应用副本的例子入手,介绍了各个重要组件的概念和基本原理。

Kubernetes 是用来管理容器集群的,Master 作为管理者,包括 APIServer,Scheduler,Controller Manager。

Node作为副本部署的载体,包含多个 Pod,每个 Pod 又包含多个容器(container)。用户通过 kubectl 给 Master 中的 APIServer 下部署命令。

命令主体是以“.yaml”结尾的配置文件,包含副本的类型,副本个数,名称,端口,模版等信息。

APIServer 接受到请求以后,会分别进行以下操作:权限验证(包括特殊控制),取出需要创建的资源,保存副本信息到etcd。

APIServer 和 Controller Manager,Scheduler 以及 kubelete 之间通过 List-Watch 方式通信(事件发送与监听)。

Controller Manager 通过 etcd 获取需要创建资源的副本数,交由 Scheduler 进行策略分析。

最后 kubelet 负责最终的 Pod 创建和容器加载。部署好容器以后,通过 Service 进行访问,通过 cAdvisor 监控资源。

作者:崔皓

简介:十六年开发和架构经验,曾担任过惠普武汉交付中心技术专家,需求分析师,项目经理,后在创业公司担任技术/产品经理。善于学习,乐于分享。目前专注于技术架构与研发管理。

编辑:陶家龙、孙淑娟

征稿:有投稿、寻求报道意向技术人请联络 editor@51cto.com

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