架构

我们看下 k8s 集群的架构，从左到右，分为两部分，第一部分是 Master 节点（也就是图中的 Control Plane），第二部分是 Node 节点。

Master 节点一般包括四个组件，apiserver、scheduler、controller-manager、etcd，他们分别的作用是什么：

Apiserver：上知天文下知地理，上连其余组件，下接ETCD，提供各类 api 处理、鉴权，和 Node 上的 kubelet 通信等，只有 apiserver 会连接 ETCD。
Controller-manager：控制各类 controller，通过控制器模式，致力于将当前状态转变为期望的状态，里所有资源对象的自动化控制中心，可以将其理解为资源对象的“大总管”。。
Scheduler：负责资源调度（Pod调度）的进程，相当于公交公司的“调度室”。
Etcd：整个集群的数据库，也可以不部署在 Master 节点，单独搭建。

Node 节点一般也包括三个组件，docker，kube-proxy，kubelet

Docker：具体跑应用的载体，负责本机的容器创建和管理工作。
Kube-proxy：主要负责网络的打通，早期利用 iptables，现在使用 ipvs技术。
Kubelet：agent 负责Pod对应的容器的创建、启停等任务，同时与Master密切协作，实现集群管理的基本功能。几乎所有资源对象都可以通过Kubernetes提供的kubectl工具（或者API编程调用）执行增、删、改、查等操作并将其保存在etcd中持久化存储。

Kubernetes里的所有资源对象都可以采用YAML或者JSON格式的文件来定义或描述，

总结一下就是 k8s 集群是一个由两部分组件 Master 和 Node 节点组成的架构，其中 Master 节点是整个集群的大脑，Node 节点来运行 Master 节点调度的应用，我们后续会以一个具体的调度例子来解释这些组件的交互过程。

master

node

Node可以在运行期间动态增加到Kubernetes集群中，前提是在这个节点上已经正确安装、配置和启动了上述关键进程，在默认情况下kubelet会向Master注册自己，这也是Kubernetes推荐的Node管理方式。一旦Node被纳入集群管理范围，kubelet进程就会定时向Master汇报自身的情报，例如操作系统、Docker版本、机器的CPU和内存情况，以及当前有哪些Pod在运行等，这样Master就可以获知每个Node的资源使用情况，并实现高效均衡的资源调度策略。而某个Node在超过指定时间不上报信息时，会被Master判定为“失联”，Node的状态被标记为不可用（Not Ready），随后Master会触发“工作负载大转移”的自动流程。

命令

//查看所有nodes
kubectl get nodes
//查看某个Node的详细信息
kubectl describe node <node_name>
//动态修改rc的副本数量
kubectl scale rc redis-slave --replicas=3

pod

Pod是Kubernetes最重要的基本概念，上图是Pod的组成示意图，我们看到每个Pod都有一个特殊的被称为“根容器”的Pause容器。Pause容器对应的镜像属于Kubernetes平台的一部分，除了Pause容器，每个Pod还包含一个或多个紧密相关的用户业务容器。

为什么Kubernetes会设计出一个全新的Pod的概念并且Pod有这样特殊的组成结构？ 原因之一：在一组容器作为一个单元的情况下，我们难以简单地对“整体”进行判断及有效地行动。比如，一个容器死亡了，此时算是整体死亡么？是N/M的死亡率么？引入业务无关并且不易死亡的Pause容器作为Pod的根容器，以它的状态代表整个容器组的状态，就简单、巧妙地解决了这个难题。原因之二：Pod里的多个业务容器共享Pause容器的IP，共享Pause容器挂接的Volume，这样既简化了密切关联的业务容器之间的通信问题，也很好地解决了它们之间的文件共享问题。Kubernetes为每个Pod都分配了唯一的IP地址，称之为Pod IP，一个Pod里的多个容器共享Pod IP地址。Kubernetes要求底层网络支持集群内任意两个Pod之间的TCP/IP直接通信，这通常采用虚拟二层网络技术来实现，例如Flannel、OpenvSwitch等，因此我们需要牢记一点：在Kubernetes里，一个Pod里的容器与另外主机上的Pod容器能够直接通信。

每个Pod都可以对其能使用的服务器上的计算资源设置限额，当前可以设置限额的计算资源有CPU与Memory两种，其中CPU的资源单位为CPU（Core）的数量，是一个绝对值而非相对值。

对于绝大多数容器来说，一个CPU的资源配额相当大，所以在Kubernetes里通常以千分之一的CPU配额为最小单位，用m来表示。通常一个容器的CPU配额被定义为100～300m，即占用0.1～0.3个CPU。由于CPU配额是一个绝对值，所以无论在拥有一个Core的机器上，还是在拥有48个Core的机器上，100m这个配额所代表的CPU的使用量都是一样的。与CPU配额类似，Memory配额也是一个绝对值，它的单位是内存字节数。

在Kubernetes里，一个计算资源进行配额限定时需要设定以下两个参数。

Requests：该资源的最小申请量，系统必须满足要求。
Limits：该资源最大允许使用的量，不能被突破，当容器试图使用超过这个量的资源时，可能会被Kubernetes“杀掉”并重启。

通常，我们会把Requests设置为一个较小的数值，符合容器平时的工作负载情况下的资源需求，而把Limit设置为峰值负载情况下资源占用的最大量。

分类

普通pod

普通的Pod一旦被创建，就会被放入etcd中存储，随后会被Kubernetes Master调度到某个具体的Node上并进行绑定（Binding），随后该Pod被对应的Node上的kubelet进程实例化成一组相关的Docker容器并启动。在默认情况下，当Pod里的某个容器停止时，Kubernetes会自动检测到这个问题并且重新启动这个Pod（重启Pod里的所有容器），如果Pod所在的Node宕机，就会将这个Node上的所有Pod重新调度到其他节点上。

静态pod

它并没被存放在Kubernetes的etcd存储里，而是被存放在某个具体的Node上的一个具体文件中，并且只在此Node上启动、运行。

label

Label（标签）是Kubernetes系统中另外一个核心概念。一个Label是一个key=value的键值对，其中key与value由用户自己指定。Label可以被附加到各种资源对象上，例如Node、Pod、Service、RC等，一个资源对象可以定义任意数量的Label，同一个Label也可以被添加到任意数量的资源对象上。Label通常在资源对象定义时确定，也可以在对象创建后动态添加或者删除。

我们可以通过给指定的资源对象捆绑一个或多个不同的Label来实现多维度的资源分组管理功能，以便灵活、方便地进行资源分配、调度、配置、部署等管理工作。例如，部署不同版本的应用到不同的环境中；监控和分析应用（日志记录、监控、告警）等。

Replication Controller

RC是Kubernetes系统中的核心概念之一，简单来说，它其实定义了一个期望的场景，即声明某种Pod的副本数量在任意时刻都符合某个预期值，所以RC的定义包括如下几个部分。

Pod期待的副本数量。
用于筛选目标Pod的Label Selector。
当Pod的副本数量小于预期数量时，用于创建新Pod的Pod模板（template）。

在我们定义了一个RC并将其提交到Kubernetes集群中后，Master上的ControllerManager组件就得到通知，定期巡检系统中当前存活的目标Pod，并确保目标Pod实例的数量刚好等于此RC的期望值，如果有过多的Pod副本在运行，系统就会停掉一些Pod，否则系统会再自动创建一些Pod。可以说，通过RC，Kubernetes实现了用户应用集群的高可用性，并且大大减少了系统管理员在传统IT环境中需要完成的许多手工运维工作（如主机监控脚本、应用监控脚本、故障恢复脚本等）。

滚动升级

应用升级时，通常会使用一个新的容器镜像版本替代旧版本。我们希望系统平滑升级，比如在当前系统中有10个对应的旧版本的Pod，则最佳的系统升级方式是旧版本的Pod每停止一个，就同时创建一个新版本的Pod，在整个升级过程中此消彼长，而运行中的Pod数量始终是10个，几分钟以后，当所有的Pod都已经是新版本时，系统升级完成。通过RC机制，Kubernetes很容易就实现了这种高级实用的特性，被称为“滚动升级”（Rolling Update）

Replica Set

官方解释其为“下一代的RC”。Replica Set与RC当前的唯一区别是，Replica Sets支持基于集合的Label selector（Set-based selector），而RC只支持基于等式的Label Selector（equality-based selector），这使得Replica Set的功能更强。

kubectl命令行工具适用于RC的绝大部分命令同样适用于Replica Set。此外，我们当前很少单独使用Replica Set，它主要被Deployment这个更高层的资源对象所使用，从而形成一整套Pod创建、删除、更新的编排机制。我们在使用Deployment时，无须关心它是如何创建和维护Replica Set的，这一切都是自动发生的。

特性与作用

在大多数情况下，我们通过定义一个RC实现Pod的创建及副本数量的自动控制。
在RC里包括完整的Pod定义模板。
RC通过Label Selector机制实现对Pod副本的自动控制。
通过改变RC里的Pod副本数量，可以实现Pod的扩容或缩容。
通过改变RC里Pod模板中的镜像版本，可以实现Pod的滚动升级。

Deployment

Deployment是Kubernetes在1.2版本中引入的新概念，用于更好地解决Pod的编排问题。为此，Deployment在内部使用了Replica Set来实现目的，无论从Deployment的作用与目的、YAML定义，还是从它的具体命令行操作来看，我们都可以把它看作RC的一次升级，两者的相似度超过90%。

Deployment相对于RC的一个最大升级是我们可以随时知道当前Pod“部署”的进度。实际上由于一个Pod的创建、调度、绑定节点及在目标Node上启动对应的容器这一完整过程需要一定的时间，所以我们期待系统启动N个Pod副本的目标状态，实际上是一个连续变化的“部署过程”导致的最终状态。

使用场景

创建一个Deployment对象来生成对应的Replica Set并完成Pod副本的创建。
检查Deployment的状态来看部署动作是否完成（Pod副本数量是否达到预期的值）。◎ 更新Deployment以创建新的Pod（比如镜像升级）。
如果当前Deployment不稳定，则回滚到一个早先的Deployment版本。
暂停Deployment以便于一次性修改多个PodTemplateSpec的配置项，之后再恢复Deployment，进行新的发布。
扩展Deployment以应对高负载。◎ 查看Deployment的状态，以此作为发布是否成功的指标。
清理不再需要的旧版本ReplicaSets。

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