K8s新手系列之K8s架构

应用部署方式演变

在部署应用程序的方式上,主要经历了三个时代:

传统部署

互联网早期,会直接将应用程序部署在物理机上

优点:简单,不需要其它技术的参与缺点:不能为应用程序定义资源使用边界,很难合理地分配计算资源,而且程序之间容易产生影响

虚拟化部署

可以在一台物理机上运行多个虚拟机,每个虚拟机都是独立的一个环境

优点:程序环境不会相互产生影响,提供了一定程度的安全性缺点:增加了操作系统,浪费了部分资源

容器化部署

与虚拟化类似,但是共享了操作系统

优点:可以保证每个容器拥有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等运行应用程序所需要的资源都被容器包装,并和底层基础架构解耦容器化的应用程序可以跨云服务商、跨Linux操作系统发行版进行部署

容器化部署方式给带来很多的便利,但是也会出现一些问题,比如说:

  • 一个容器故障停机了,怎么样让另外一个容器立刻启动去替补停机的容器
  • 当并发访问量变大的时候,怎么样做到横向扩展容器数量

这些容器管理的问题统称为容器编排问题,为了解决这些容器编排问题,就产生了一些容器编排的软件:

  • Swarm:Docker自己的容器编排工具
  • Mesos:Apache的一个资源统一管控的工具,需要和Marathon结合使用
  • Kubernetes:Google开源的的容器编排工具

K8s简介

K8s全称叫做kubernetes。是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案,是谷歌严格保密十几年的秘密武器----Borg系统的一个开源版本,于2014年9月发布第一个版本,2015年7月发布第一个正式版本。

kubernetes的本质是一组服务器集群,它可以在集群的每个节点上运行特定的程序,来对节点中的容器进行管理。目的是实现资源管理的自动化,主要提供了如下的主要功能:

  • 自我修复:一旦某一个容器崩溃,能够在1秒中左右迅速启动新的容器
  • 弹性伸缩:可以根据需要,自动对集群中正在运行的容器数量进行调整
  • 服务发现:服务可以通过自动发现的形式找到它所依赖的服务
  • 负载均衡:如果一个服务起动了多个容器,能够自动实现请求的负载均衡
  • 版本回退:如果发现新发布的程序版本有问题,可以立即回退到原来的版本
  • 存储编排:可以根据容器自身的需求自动创建存储卷

K8s架构描述

一个K8s集群主要由控制(master)节点和工作(node)节点构成,每个节点上都会安装不同的组件。

master节点:

master节点是整个集群的控制平面,负责集群的决策、管理,其由几个组件构成:

  • kube-apiserver:k8s集群资源操作的唯一入口,接收用户通过kubectl输入的命令,提供认证、授权、API注册和发现等机制
  • etcd:分布式键值存储数据库,持久化保存集群所有状态数据(如 Pod、节点、配置等),简单点来说就是负责存储集群中各种资源对象的信息
  • kube-scheduler:负责集群资源调度,按照预定的调度策略将Pod调度到相应的node节点上
  • kube-controller-manager:负责维护集群的状态,比如程序部署安排,故障检测、自动扩展、滚动更新等,简单点来说就是确保集群实际状态与期望状态一致。
  • cloud-controller-manager(可选):对接云服务商(如 AWS、Azure、GCP),处理云平台相关逻辑。管理负载均衡器、存储卷、节点生命周期(如自动扩缩容)。仅在使用云服务时启用,本地环境无需此组件。

node节点:

node节点是整个集群的数据平台,负责为容器提供运行环境,简单点来说node节点就是负责干活的,其由几个节点构成:

  • kubelet:管理Pod的生命周期和上报当前节点的状态。
  • kube-proxy:负责Pod的访问路由及负载均衡实现
  • 容器运行时环境:负责拉取镜像、运行容器。其中主要包含Docker、Containerd等组件,通过 CRI(Container Runtime Interface)与 kubelet 交互。

K8s单master架构

下图是一个K8s单master架构图,当一个master节点宕机之后,整个集群处于不可用的状态。

K8s多master架构

下图是一个K8s多master架构图,当一个master节点宕机之后,可以通过VIP飘移实现集群的高可用

K8s常用术语

OCI:

OCI(Open Container Initiative)是指开放容器标准,它是一个轻量级、开放的治理结构,致力于围绕容器格式和运行时创建开放的行业标准

通过支持OCI规范,Kubernetes可以与多种容器运行时兼容,这使得K8s在容器编排和管理方面更加灵活和强大。

CRI

CRI(Container Runtime Interface)是Kubernetes定义的一组与容器运行时进行交互的接口。

CRI是Kubernetes用来与容器运行时进行交互的标准接口。它定义了一套RPC(远程过程调用)API,这些API被用来管理容器的生命周期。

目前实现了CRI spec的Runtime有Docker Engine、containerd、CRI-O、Mirantis Container Runtime(Docker企业版)等。

已经弃用的有docker-shim

2020年k8s宣布弃用docker-shim,2022年k8s的1.24版本正式弃用docker-shim,这个时候如果容器使用docker的话,需要单独部署docker-shim。

所以在1.24版本之后推荐使用containerd做为容器运行时环境

CNI:

CNI(Container Network Interface)是一个规范和框架,它允许Kubernetes通过插件化的方式集成各种网络解决方案,以实现集群内部容器之间的网络通信。

支持的网络模式:Overlay Network,Underlay Network,flannel,calico,cannel,cilium