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玄貓（BlackCat）

Kubernetes容器自動化管理與生產環境最佳化

本文探討 Kubernetes 如何簡化容器管理流程，包含自動化佈署、更新、擴充套件以及網路隔離和安全等關鍵導向。文章解析了 Kubernetes 的核心元件及其在容器生命週期中的角色，並探討了控制平面節點和計算節點的區別，以及如何透過滾動更新確保應用程式的高用性。

容器技術 DevOps
Kubernetes 容器協調 自動化佈署 水平擴充套件 垂直擴充套件 叢集管理

Kubernetes 提供了自動化容器管理的解決方案，有效解決了傳統手動佈署的繁瑣和易錯問題。透過 kubectl 命令，開發者可以輕鬆地佈署和更新應用程式，無論容器數量或機器規模。Kubernetes 的滾動更新機制更進一步提升了應用程式的高用性，確保服務在更新過程中不中斷。此外，Kubernetes 也支援水平和垂直擴充套件，可以根據應用程式負載動態調整資源，並透過叢集自動擴充套件器自動增加虛擬機器，滿足生產環境的需求。網路隔離和 RBAC 功能則強化了容器間的通訊安全和多租戶環境下的存取控制，保障了應用程式的安全性。最後，Kubernetes 提供了 Persistent Volumes 和 Persistent Volume Claims 機制，簡化了狀態工作負載的管理，並允許設定資源配額，最佳化資源使用效率。

Kubernetes基礎：自動化容器管理與生產環境最佳化

在沒有Kubernetes的情況下，佈署新版本的容器需要手動執行多項操作，包括docker pull、docker stop、docker delete和docker run等命令。這些操作需要在每台執行容器的伺服器上重複執行，不僅繁瑣且容易出錯。幸運的是，Kubernetes能夠自動化這些流程，大幅簡化容器管理。

自動化佈署與更新

Kubernetes提供了強大的佈署和回復功能，能夠透過單一命令更新所有機器的容器。例如，使用以下命令即可更新應用程式的容器版本：

$ kubectl set image deploy/myapp myapp_container=myapp:1.0.0

這個命令會將名為myapp_container的容器更新至1.0.0版本，無論該容器執行在一台機器還是數百台機器上。Kubernetes還原生支援滾動更新（rolling updates），確保在更新過程中應用程式保持高用性，不會因更新而中斷服務。

內容解密：

  1. kubectl set image 命令：用於更新現有佈署中的容器映像版本。
  2. deploy/myapp：指定要更新的佈署名稱。
  3. myapp_container=myapp:1.0.0：將名為myapp_container的容器映像更新為myapp:1.0.0版本。
  4. 滾動更新：Kubernetes預設使用滾動更新策略，逐步替換舊版本的容器，確保服務不中斷。

自動擴充套件容器

在生產環境中，應用程式需要根據負載變化動態調整資源，以確保高用性和負載平衡。Kubernetes支援兩種擴充套件方式：

  • 垂直擴充套件：增加單個容器的計算資源。
  • 水平擴充套件：增加容器的數量，並透過負載平衡分配流量。

圖示說明：Pod的垂直擴充套件與水平擴充套件

此圖示展示了垂直擴充套件和水平擴充套件的主要區別。Kubernetes能夠自動化這兩種擴充套件方式，當叢集資源不足時，甚至可以透過叢集自動擴充套件器（cluster autoscaler）自動新增虛擬機器。

網路隔離與安全

在多租戶環境中，確保容器之間的通訊安全至關重要。Kubernetes透過以下功能實作網路隔離：

  • Pod網路：Kubernetes為Pod建立虛擬網路疊加層，預設情況下，同一Pod內的容器可以直接通訊，而不同Pod之間的容器則被隔離。
  • 網路策略：允許定義詳細的網路策略，限制Pod之間的通訊，進一步增強安全性。

根據角色的存取控制（RBAC）

在多使用者環境中，Kubernetes透過RBAC功能實作細粒度的存取控制：

  • 使用者角色：定義不同的使用者角色，並分配給使用者或群組，控制其對叢集資源的存取許可權。
  • 服務帳戶：為Pod分配服務帳戶，並繫結相應的角色，確保Pod僅擁有執行任務所需的最小許可權。

狀態工作負載管理

對於需要持久化儲存的應用程式，Kubernetes提供了Persistent Volumes（PVs）和Persistent Volume Claims（PVCs）機制，將儲存資源的管理與應用程式分離，簡化了狀態工作負載的管理。

資源管理

Kubernetes允許管理員設定資源配額（Resource Quotas），限制名稱空間或Pod的資源使用量，防止單個應用程式佔用過多資源，影響其他應用程式的正常運作。

Kubernetes架構：從容器映像檔到執行中的Pod

在前一章中，我們從功能的角度介紹了Kubernetes的基本概念。現在，讓我們探討其技術細節。本章將探討Kubernetes如何管理分散在不同機器上的容器。

Kubernetes元件

Kubernetes由多個分散式元件組成，每個元件在容器的執行過程中扮演特定的角色。為了了解每個元件的角色，我們將跟隨容器的生命週期，從建立命令的執行到容器在叢集中的實際執行。

本章將涵蓋以下主要主題：

  • Kubernetes的名稱由來
  • 控制平面節點與計算節點的區別
  • Kubernetes元件
  • 控制平面元件
  • 計算節點元件
  • 探索kubectl命令列工具和YAML語法
  • 如何實作Kubernetes的高用性

技術需求

要繼續本章的內容，需要具備以下技術需求：

  • 對Linux作業系統的基本理解以及如何在Linux中執行基本操作
  • 一台或多台Linux機器

Kubernetes的名稱由來

Kubernetes的名字源自希臘語中的“kubernētēs”，意指舵手或飛行員。這個航海術語代表著能夠熟練駕駛和導航船舶的人。這個名字的選擇與Kubernetes在引導和協調容器化應用程式佈署和管理方面的作用相吻合。

除了正式名稱外，Kubernetes在社群中通常被稱為“K8s”。這個暱稱源自於透過計算“K”和“s”之間的八個字母來縮寫這個單詞。這種簡寫方式不僅簡化了溝通，也為Kubernetes生態系統中的討論增添了一絲非正式的氣氛。

控制平面節點與計算節點的區別

要執行Kubernetes，您需要Linux機器，在Kubernetes中稱為節點。節點可以是實體機器，也可以是雲端供應商上的虛擬機器，例如EC2例項。Kubernetes中有兩種型別的節點：

  • 控制平面節點（也稱為主節點）
  • 計算節點（也稱為工作節點）

主節點和工作節點

在不同的上下文中，您可能會遇到“主節點”和“工作節點”這兩個術語，這些術語曾經用於描述分散式系統中角色的傳統層次分佈。在這種設定中，“主”節點監督並分配任務給“工作”節點。然而，這些術語可能帶有歷史和文化內涵，可能被視為不敏感或不合適。為了回應這種擔憂，Kubernetes社群已選擇用“控制平面節點”（或控制器節點）取代這些術語，用於表示負責管理叢集整體狀態的元件集合。同樣，“節點”或“計算節點”現在用於取代“工作”來識別叢集中執行請求任務或執行應用程式工作負載的個別機器。

控制平面負責維護Kubernetes叢集的狀態，而計算節點則負責執行包含應用程式的容器。

#### 內容解密：

此段落主要闡述了Kubernetes叢集中的兩種主要節點型別：控制平面節點和計算節點。控制平面節點負責管理叢集的整體狀態，包括排程和管理容器，而計算節點則負責實際執行容器和應用程式。這種分工使得Kubernetes能夠高效地管理和協調分散式系統中的資源。

Kubernetes架構詳解

Kubernetes的架構設計旨在提供一個高效、靈活且可擴充套件的容器協調平台。透過將控制平面與計算節點分離，Kubernetes能夠更好地管理和協調叢集中的資源，從而實作應用的高效佈署和管理。

此圖示說明瞭控制平面節點如何管理計算節點，以及容器如何被排程和執行在Pod中。

#### 內容解密：

此Plantuml圖表展示了Kubernetes叢集中的基本架構關係。控制平面節點負責管理和排程，而計算節點則實際執行容器。Pod是Kubernetes中佈署和管理的最小單位，它包含了一個或多個容器。這種架構設計使得Kubernetes能夠高效地管理和協調分散式系統中的資源。

Kubernetes 叢集架構：Linux 與 Windows 容器的整合應用

Kubernetes 提供了一個彈性的環境，能夠支援 Linux 和 Windows 容器在同一叢集中執行。值得注意的是，雖然 Kubernetes 叢集能夠同時容納 Linux 和 Windows 機器，但無法在 Linux 工作節點上啟動 Windows 容器，反之亦然。為了達到最佳效能，必須在叢集中適當平衡 Linux 和 Windows 機器的組態。

Kubernetes 元件及其職責

Kubernetes 本身是一個分散式應用，由多個小型專案組成，這些專案均使用 Go 語言開發。建立一個完整的 Kubernetes 叢集需要個別安裝和組態各個元件，以確保它們之間的無縫通訊。在生產環境中，為了滿足高用性、負載平衡、分散式運算和擴充套件性等需求，這些元件應當分佈在不同的主機上。

控制平面元件與計算節點元件

Kubernetes 的元件可分為兩大類別：控制平面元件和計算節點元件。控制平面元件負責維護整個叢集的狀態和操作，而計算節點元件則負責執行應用程式容器，直接與容器執行時（如 containerd 或 Docker）互動。

Kubernetes 架構設計

由於 Kubernetes 的分散式特性，控制平面元件可以分佈在多台機器上。這種設計使得叢集具有高用性和可擴充套件性。計算節點的設定相對簡單，只需在標準機器上安裝支援的容器執行時和計算節點元件，即可加入叢集並執行容器。

元件分佈與高用性

將控制平面和計算節點元件分佈在不同機器上，可以提高叢集的可用性和擴充套件性。Kubernetes 的元件設計為無狀態、易於擴充套件，並且能夠跨多台主機分佈，從而避免單點故障。

Kubernetes 叢集的典型架構

下圖展示了一個典型的 Kubernetes 叢集架構，包括控制平面節點和計算節點：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Kubernetes容器自動化管理與生產環境最佳化

package "Kubernetes Cluster" {
    package "Control Plane" {
        component [API Server] as api
        component [Controller Manager] as cm
        component [Scheduler] as sched
        database [etcd] as etcd
    }

    package "Worker Nodes" {
        component [Kubelet] as kubelet
        component [Kube-proxy] as proxy
        package "Pods" {
            component [Container 1] as c1
            component [Container 2] as c2
        }
    }
}

api --> etcd : 儲存狀態
api --> cm : 控制迴圈
api --> sched : 調度決策
api --> kubelet : 指令下達
kubelet --> c1
kubelet --> c2
proxy --> c1 : 網路代理
proxy --> c2

note right of api
  核心 API 入口
  所有操作經由此處
end note

@enduml

此圖示說明瞭控制平面如何管理和排程多個計算節點上的容器。

Kubernetes 核心元件

Kubernetes 叢集的核心元件包括：

  • kube-apiserver：提供 Kubernetes API，作為叢集的前端介面。
  • kube-scheduler：負責排程 Pod 到適當的節點上。
  • kube-controller-manager：執行各種控制器，確保叢集狀態符合預期。
  • etcd：一個分散式鍵值儲存，用於儲存叢集的所有組態和狀態資訊。
  • 容器執行環境：如 Docker 或 containerd，負責執行容器。

這些元件共同工作，確保 Kubernetes 叢集的正常運作。

內容解密：
  1. Kubernetes 的分散式特性使其具有高度的可擴充套件性和可用性。
  2. 控制平面元件負責叢集的管理和排程，而計算節點元件則負責執行實際的容器。
  3. 將元件分佈在多台機器上有助於避免單點故障，提高系統的穩定性。
  4. Kubernetes 的核心元件包括 kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager 等，它們共同協作以確保叢集的正常運作。

Kubernetes 架構解析：從容器映像檔到執行中的 Pod

控制平面元件

控制平面元件負責維護叢集的狀態。這些元件應安裝在控制平面節點上。它們記錄了由 Kubernetes 叢集執行的容器清單或叢集中的機器數量。管理員與 Kubernetes 互動時，就是與控制平面元件互動。主要元件包括：

  • kube-apiserver
  • etcd
  • kube-scheduler
  • kube-controller-manager
  • cloud-controller-manager

計算節點元件

計算節點元件負責與容器執行環境互動，以根據控制平面元件的指示啟動容器。這些元件必須安裝在執行支援的容器執行環境的 Linux 機器上，通常不會直接與這些元件互動。Kubernetes 叢集可以包含數百或數千個計算節點。主要元件包括：

  • kubelet
  • kube-proxy
  • 容器執行環境

外掛元件

外掛元件利用 Kubernetes 資源（如 DaemonSet、Deployment 等）來實作叢集功能。由於這些功能在叢集層級執行，名稱空間的外掛資源通常位於 kube-system 名稱空間中。常見的外掛元件包括：

  • DNS
  • Web UI（儀錶板）
  • 容器資源監控
  • 叢集層級日誌記錄
  • 網路外掛

受管理的 Kubernetes 叢集中的控制平面

與自行管理的 Kubernetes 叢集不同，Amazon EKS、Google GKE 等雲端服務會處理大多數 Kubernetes 控制平面元件的安裝和組態。它們提供對 Kubernetes 端點的存取，或可選地提供 kube-apiserver 端點，而不會暴露有關底層機器或已組態的負載平衡器的詳細資訊。

kube-apiserver 的角色

Kubernetes 中最重要的元件是稱為 kube-apiserver 的 REST API，它暴露了所有 Kubernetes 功能。使用者透過 kubectl 命令列工具、直接 API 呼叫或 Kubernetes 儀錶板（Web UI）與 Kubernetes 互動。

kube-apiserver 是控制平面的一部分，用 Go 語言編寫，其原始碼在 GitHub 上以 Apache 2.0 許可證開放。要與 Kubernetes 互動，只需向 kube-apiserver 傳送 HTTP 請求。無論是建立、刪除還是更新容器，都透過使用正確的 HTTP 動詞對適當的 kube-apiserver 端點進行呼叫。

kube-apiserver 遵循 REST 標準，透過 HTTP 端點展示功能，可以使用 HTTP 協定的不同方法（如 GET、POST、PUT、PATCH 和 DELETE）進行存取。結合 HTTP 方法和路徑，可以對由路徑標識的資源執行方法指定的各種操作。

REST 標準提供了相當大的靈活性，可以透過新增路徑輕鬆擴充套件任何 REST API。通常，REST API 使用資料儲存來管理物件或資源的狀態。

Kubernetes 使用 etcd 來儲存狀態。etcd 是一個開源的分散式鍵值儲存，用於儲存和管理分散式系統執行所需的關鍵資訊。

// 範例程式碼：簡單的 REST API 結構
package main

import (
    "encoding/json"
    "fmt"
    "net/http"

    "github.com/gorilla/mux"
)

type APIServer struct {
    addr string
}

func (s *APIServer) Run() {
    router := mux.NewRouter()
    router.HandleFunc("/api/resources", s.getResources).Methods("GET")
    fmt.Println("API server listening on", s.addr)
    http.ListenAndServe(s.addr, router)
}

func (s *APIServer) getResources(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // 處理取得資源的邏輯
    resources := []string{"resource1", "resource2"}
    json.NewEncoder(w).Encode(resources)
}

func main() {
    server := &APIServer{addr: ":8080"}
    server.Run()
}

程式碼解析：

  1. 建立了一個簡單的 REST API 結構，使用 Go 語言和 gorilla/mux 路由器。
  2. 定義了一個 APIServer 結構體，包含位址列位。
  3. Run 方法啟動 API 伺服器並監聽指定地址。
  4. getResources 方法處理取得資源的請求，並以 JSON 格式傳回資源清單。

詳細解析：

  • REST API 結構：使用 gorilla/mux 建立了一個簡單的 REST API 結構，能夠處理不同的 HTTP 請求。
  • APIServer 結構體：定義了一個 APIServer 結構體，包含一個位址列位，用於指定伺服器的監聽地址。
  • Run 方法：啟動 API 伺服器並監聽指定地址，使用 http.ListenAndServe 方法。
  • getResources 方法：處理取得資源的請求，傳回一個資源清單，並使用 json.NewEncoder 將其編碼為 JSON 格式。

這種設計使得 API 伺服器能夠靈活地處理不同的請求，並以結構化的方式傳回資料。

Kubernetes架構深度解析：從容器映像檔到執行中的Pod

Kubernetes叢集的核心在於其REST API，而kube-apiserver正是這個API的具體實作。作為Kubernetes叢集的中心樞紐，kube-apiserver負責處理所有與叢集相關的操作，並且與其他元件進行互動。

REST API的基本特性

REST API具有以下幾個關鍵特性：

  • 根據HTTP協定：REST API依賴於HTTP協定，這使得它能夠在幾乎所有支援HTTP的環境中運作。
  • 資源定義：透過URL路徑來定義資源，例如Pod、ReplicaSet、PersistentVolume等。
  • 操作定義：使用HTTP方法（如GET、POST、PUT、DELETE）來對資源執行不同的操作。
  • 狀態管理：資源的狀態儲存在資料函式庫中，例如etcd。

kube-apiserver的工作原理

kube-apiserver是Kubernetes叢集中的一個無狀態元件，它將叢集的狀態儲存在etcd資料函式庫中。這意味著你可以透過在多台機器上佈署kube-apiserver並使用負載平衡器來水平擴充套件它，而不會丟失任何資料。

當你下載kube-apiserver時，你會得到一個可以直接在Linux機器上執行的Go編譯二進位制檔案。Kubernetes開發者已經定義了一組與容器管理、網路和計算相關的資源，這些資源直接捆綁在二進位制檔案中。

部分Kubernetes資源範例

  • Pod：Kubernetes中最小的可佈署單元，可以包含一個或多個容器。
  • ReplicaSet：確保指定數量的Pod副本始終執行。
  • PersistentVolume：提供持久化的儲存資源。
  • NetworkPolicy：控制Pod之間的網路流量。
  • Deployment：管理Pod的佈署和更新。

這些資源都有對應的URL路徑，透過改變HTTP方法可以實作不同的操作，例如建立、更新或刪除資源。

如何執行kube-apiserver

有兩種主要的方式來執行kube-apiserver：

  1. 以容器映像檔執行：這是推薦的方法，透過下載適當的映像檔並在容器中執行。
  2. 下載並安裝二進位制檔案，使用systemd單元檔案執行。

在哪裡執行kube-apiserver

kube-apiserver應該執行在控制平面節點上，因為它是控制平面的一部分。確保將其安裝在一台專門用於控制平面操作的強壯機器上。

為什麼需要獨立擴充套件kube-apiserver

隨著叢集規模的擴大，更多的計算節點會向kube-apiserver傳送HTTP請求，以瞭解叢集的狀態或更新它。因此，需要獨立擴充套件kube-apiserver以應對增加的負載。

由於kube-apiserver是無狀態的，你可以透過將其佈署在多台機器後面，並使用負載平衡器來水平擴充套件它。當使用這種設定時，你可以透過呼叫API負載平衡器的端點來與kube-apiserver互動。

技術深度解析與未來趨勢

Kubernetes的架構設計使其具有高度的可擴充套件性和彈性。隨著容器化和微服務架構的普及，Kubernetes作為容器協調工具的需求將持續增長。未來，我們可能會看到更多針對特定工作負載最佳化的Kubernetes發行版，以及更強大的安全和網路功能。