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Kubernetes初探:原理及实践应用
 
作者 张俊 火龙果软件  发布于 2014-11-04
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Kubernetes是Google开源的Docker容器集群管理系统,为容器化的应用提供资源调度、部署运行、服务发现、扩容缩容等整一套功能,本文旨在梳理其架构、概念及基本工作流,并通过一个示例应用介绍如何使用Kubernetes。

Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统。它构建Ddocker技术之上,为容器化的应用提供资源调度、部署运行、服务发现、扩容缩容等整一套功能,本质上可看作是基于容器技术的mini-PaaS平台。本文旨在梳理Kubernetes的架构、概念及基本工作流,并且通过运行一个简单的示例应用来介绍如何使用Kubernetes。以下伟原文:

总体概览

如下图所示是我初步阅读文档和源代码之后整理的总体概览,基本上可以从如下三个维度来认识Kubernetes。

操作对象

Kubernetes以RESTFul形式开放接口,用户可操作的REST对象有三个:

  • pod:是Kubernetes最基本的部署调度单元,可以包含container,逻辑上表示某种应用的一个实例。比如一个web站点应用由前端、后端及数据库构建而成,这三个组件将运行在各自的容器中,那么我们可以创建包含三个container的pod。
  • service:是pod的路由代理抽象,用于解决pod之间的服务发现问题。因为pod的运行状态可动态变化(比如切换机器了、缩容过程中被终止了等),所以访问端不能以写死IP的方式去访问该pod提供的服务。service的引入旨在保证pod的动态变化对访问端透明,访问端只需要知道service的地址,由service来提供代理。
  • replicationController:是pod的复制抽象,用于解决pod的扩容缩容问题。通常,分布式应用为了性能或高可用性的考虑,需要复制多份资源,并且根据负载情况动态伸缩。通过replicationController,我们可以指定一个应用需要几份复制,Kubernetes将为每份复制创建一个pod,并且保证实际运行pod数量总是与该复制数量相等(例如,当前某个pod宕机时,自动创建新的pod来替换)。

可以看到,service和replicationController只是建立在pod之上的抽象,最终是要作用于pod的,那么它们如何跟pod联系起来呢?这就要引入label的概念:label其实很好理解,就是为pod加上可用于搜索或关联的一组key/value标签,而service和replicationController正是通过label来与pod关联的。如下图所示,有三个pod都有label为"app=backend",创建service和replicationController时可以指定同样的label:"app=backend",再通过label selector机制,就将它们与这三个pod关联起来了。例如,当有其他frontend pod访问该service时,自动会转发到其中的一个backend pod。

功能组件

如下图所示是官方文档里的集群架构图,一个典型的master/slave模型。

master运行三个组件:

  • apiserver:作为kubernetes系统的入口,封装了核心对象的增删改查操作,以RESTFul接口方式提供给外部客户和内部组件调用。它维护的REST对象将持久化到etcd(一个分布式强一致性的key/value存储)。
  • scheduler:负责集群的资源调度,为新建的pod分配机器。这部分工作分出来变成一个组件,意味着可以很方便地替换成其他的调度器。
  • controller-manager:负责执行各种控制器,目前有两类:
    • endpoint-controller:定期关联service和pod(关联信息由endpoint对象维护),保证service到pod的映射总是最新的。
    • replication-controller:定期关联replicationController和pod,保证replicationController定义的复制数量与实际运行pod的数量总是一致的。

slave(称作minion)运行两个组件:

  • kubelet:负责管控docker容器,如启动/停止、监控运行状态等。它会定期从etcd获取分配到本机的pod,并根据pod信息启动或停止相应的容器。同时,它也会接收apiserver的HTTP请求,汇报pod的运行状态。
  • proxy:负责为pod提供代理。它会定期从etcd获取所有的service,并根据service信息创建代理。当某个客户pod要访问其他pod时,访问请求会经过本机proxy做转发。

工作流

上文已经提到了Kubernetes中最基本的三个操作对象:pod, replicationController及service。 下面分别从它们的对象创建出发,通过时序图来描述Kubernetes各个组件之间的交互及其工作流。

使用示例

最后,让我们进入实战模式,这里跑一个最简单的单机示例(所有组件运行在一台机器上),旨在打通基本流程。

搭建环境

第一步,我们需要Kuberntes各组件的二进制可执行文件。有以下两种方式获取: 

  • 下载源代码自己编译:

  • 直接下载人家已经编译打包好的tar文件:

自己编译源码需要先安装好golang,编译完之后在kubernetes/_output/release-tars文件夹下可以得到打包文件。直接下载的方式不需要安装其他软件,但可能得不到最新的版本。

第二步,我们还需要etcd的二进制可执行文件,通过如下方式获取:

etcd

scheduler

controller-manager

kubelet

创建pod

搭好了运行环境后,就可以提交pod了。首先编写pod描述文件,保存为redis.json:

然后,通过命令行工具kubecfg提交:

提交完后,通过kubecfg查看pod状态:

Status是Running表示pod已经在容器里运行起来了,可以用"docker ps"命令来查看容器信息:

创建replicationController

然后,通过命令行工具kubecfg提交:

提交完后,通过kubecfg查看replicationController状态:

同时,1个pod也将被自动创建出来,即使我们故意删除该pod,replicationController也将保证创建1个新pod。 

   
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