經過實例快速掌握k8s（Kubernetes）核心概念

容器技術是微服務技術的核心技術之一，並隨着微服務的流行而迅速成爲主流。Docker是容器技術的先驅和奠定者，它出現以後迅速佔領市場，幾乎成了容器的代名詞。但它在開始的時候並無很好地解決容器的集羣問題。Kubernetes抓住了這個機遇，以容器編排者（Container Orchestration）的身份出現，對容器集羣進行管理和調度，如今已經戰勝了Docker成爲了容器技術事實上的標準。固然K8s內部仍是須要Docker的，但它的功能範圍被大大壓縮了，只是負責底層的容器引擎和鏡像（Docker Image）管理，成爲了容器體系中不可缺乏, 但沒有存在感的一部分。而絕大部分的對外接口都是由k8s來負責。

K8s核心對象：

相對於簡單易學的Docker來講，k8s系統龐雜並且概念衆多，同一個功能有不少不一樣方法來完成，讓你無所適從，學習起來要困難的多。對於普通碼農來說不須要創建完整的生產環境，只須要搭建一個本地開發環境，這時你只須要了解k8s的核心概念就夠了，這樣能夠大大縮短學習時間。k8s的一切都是對象（Object），它的核心概念一共只有4個，Pod，部署（Deployment），服務（Service）和節點（Node）。另外再加上一個容器鏡像（Docker Image），這個是Docker引擎的核心。掌握了這五個核心概念，就對容器技術有了基本瞭解，打下了紮實的基礎。

Windows安裝環境：

Windows10的Windows 10企業版, 專業版, 和教育版是能夠支持直接安裝K8s的，但電腦是要支持Hyper-V的, 詳見這裏。因爲個人Windows是家庭版，只能先安裝虛擬機（VirtualBox），再在虛擬機上安裝k8s。我用的k8s是Minikube，是k8s的簡化版。另外還安裝了Vagrant（它是管理虛擬機的一個軟件）做爲界面來管理VirtualBox。

容器鏡像（Docker Image）:

任何程序都在容器中運行，k8s支持多種容器，其中Docker是最流行的。容器鏡像（Docker Image）是一個以文件形式存在的運行環境，它的裏面是分層的，每一層都在上一層的基礎上不斷疊加新的功能。容器鏡像是由Dockerfile建立的。Dockerfile是一個文件，裏面包含一組已經定義好的Docker命令（與Linux命令比較類似）。當運行Dockerfile時，裏面的命令被依次執行，最後生成須要的容器鏡像。你再調用Docker命令（Docker run）運行容器鏡像來生成Docker容器，完成以後，應用程序就已經在容器裏部署好了。這種方式可以保證每次獲得的環境都是同樣的。容器比虛擬機強的地方在於，它佔用系統資源更少，生成時間更短。建立一個容器的耗時通常是秒級的，而虛擬機是分鐘級的。容器鏡像的建立效率取決於它的大小，通常來說容器鏡像越小，它的生成時間越短。 下面就是一個「nginx」的Dockerfile示例。

FROM alpine:3.2
EXPOSE 80 443
RUN apk add --update nginx && \
rm -rf /var/cache/apk/* && \
mkdir -p /tmp/nginx/client-body
COPY ./nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf
VOLUME ["/etc/nginx/sites-enabled", "/etc/nginx/certs", "/etc/nginx/conf.d"]
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

任何Dockerfile的第一句老是「FROM 。。。」，就是要建立一個Linux的運行環境。通常有如下幾種：

• FROM ubuntu:18.04： 按照Linux的具體版原本建立鏡像，這樣的Linux運行環境是比較完整的，鏡像的大小是百兆級別的。
• FROM alpine:latest : alpine是一個 精簡了的Linux運行環境，它的大小是十兆級別的。
• FROM scratch : scratch是最小Linux運行環境，建立很是快，但它的問題是你不能經過shell登陸到容器內部，所以我通常不用它。

當用Vagrant管理虛擬機時，能夠先用Vagrant命令啓動虛擬機，而後敲入vagrant ssh，進入虛擬機，系統顯示：

PS E:\app2\kub> vagrant ssh
Last login: Sat Sep 28 06:56:11 2019 from 10.0.2.2

而後鍵入「docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx」運行Nginx鏡像。"docker-nginx"是容器的名字，「--name」是名字的參數選項。「-p」表示端口映射，把虛擬機的「8001」端口映射到容器的「80」端口（Nginx的缺省端口）。「nginx」是鏡像的名字，若是本地沒有找到「Nginx」鏡像，系統會自動從Docker鏡像庫裏下載Nginx鏡像到本地，而後再運行，這個鏡像有比較完整的Linux系統，所以文件比較大（100M），但也能夠湊活着用。命令運行以後，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:~$ docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx

這時Nginx已經運行，但尚未任何請求，控制檯沒有輸出。若是名字爲「docker-nginx」的容器之前已經被運行，那麼你須要刪除原來的，再運行上面命令。能夠先敲入「docker ps -a」找到全部運行過的容器，再敲入「docker rm 1ec2e3d63537」進行刪除，其中「 1ec2e3d63537」是容器ID.

切換到另外一個虛擬機窗口，敲入curl localhost:8001，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:/usr/bin$ curl localhost:8001
...
<h1>Welcome to nginx!</h1>
...

這時就出現了Nginx的首頁，表示Docker容器中的Nginx已經正常運行。

換回原容器顯示窗口，這時有了請求，控制檯輸出Nginx日誌。

vagrant@ubuntu-xenial:~$ docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx
172.17.0.1 - - [28/Sep/2019:07:02:25 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 612 "-" "curl/7.47.0" "-"

這時已驗證Docker鏡像是好的，敲入「CTRL-C」退出。

Pod:

Pod是k8是的最基本概念，你能夠把它當作是對容器（container）的一個封裝，用來管理容器。一個Pod裏能夠管理有一個或多個容器，但通常是一個。Pod裏的全部容器都共享Pod的資源和網絡。當一個Pod不能知足用戶需求時，你能夠把Pod做爲複製的最小單元來複製出一個一樣的Pod來處理用戶請求。Pod支持多種容器，不過通常是用Docker。你能夠用單獨的Pod配置文件建立Pod, 也能夠把Pod的配置信息放在其餘的對象（例如Deployment）的配置文件裏面，並與其餘對象一塊兒建立，後者更爲常見。每個Pod都有一個惟一的IP地址，Pod一旦生成就能夠經過IP地址進行訪問。但通常不這麼作，而是經過服務（Service）去間接地去訪問。下面就是Pod的配置文件。它的解釋放在後面的Deployment裏面。

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  labels:
        app: nginx-app
spec:
  containers:
    - name: nginx-container
      image: nginx:latest
  restartPolicy: Never

Pod模板（Pod Templates）

Pod模板是嵌入在其餘K8s對象（Object）中的Pod的配置說明，例如Replication Controllers, Jobs, 和DaemonSets. 這時，Pod不是單首創建的，而是由其它對象來建立，其中最經常使用的是Deployment。

部署（Deployment）:

Deployment是比Pod更高一層的對象，它的主要做用是管理Pod集羣，它裏面能夠有一個或多個Pod, 每個Pod在功能上都是等同的。通常在Deployment裏配置多個Pod以實現負載均衡和容錯。在配置Deployment時，你須要指定Pod拷貝的個數，Deployment會自動管理它裏面的Pod。當某個Pod宕機時，Deployment能自動複製一個新的Pod並替換宕機的Pod，

下面就是Deployment的配置文件（nginx-deployment.yaml）。在正方形灰框內（從template開始）的是嵌入在Deployment裏的Pod的設置，灰框上面的是部署（Deployment）的設置。當你運行這個配置文件時，它會建立一個Deployment，同時也會建立嵌入在裏面的Pod。這就是爲何咱們通常不須要單獨的Pod的配置文件，由於已經把它嵌入在了Deployment裏了。

鍵入「kubectl create -f nginx-deployment.yaml」來運行這個部署，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:~/dockerimages/kubernetes/nginx$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml
deployment.apps/nginx-deployment created

這時部署已經成功，如今就能夠訪問它了。每一個Pod都有本身的k8s集羣內部IP地址，咱們這時只能在K8s內部用IP地址進行訪問。鍵入下面命令查看Pod地址，裏面有兩個「Nginx」Pod，由於Deployment裏面是兩個Pod的集羣。

vagrant@ubuntu-xenial:~/nginx$ kubectl get pods -o=custom-columns=NAME:.metadata.name,IP:.status.podIP
NAME                                IP
hello-minikube-856979d68c-74c65     172.17.0.3
nginx-deployment-77fff558d7-bhbbt   172.17.0.10
nginx-deployment-77fff558d7-v6zqw   172.17.0.9

打開另外一個窗口，連入虛擬機，而後鍵入如下命令「kubectl exec -ti hello-minikube-856979d68c-74c65 -- /bin/sh」登陸到k8s集羣內部，就能訪問Nginx了。這裏「hello-minikube-856979d68c-74c65」是"Minikube"Pod的名字。「172.17.0.10」是其中一個Pod的內部IP地址。

vagrant@ubuntu-xenial:~$ kubectl exec -ti hello-minikube-856979d68c-74c65 -- /bin/sh
# curl 172.17.0.10

服務（Service）:

Service是最上層的k8s的對象，能夠當作咱們日常說的微服務。對服務來說最重要的就是服務註冊和發現。在k8s中，Service就是用來實現這個功能的。下面就是Service的配置文件（nginx-service.yaml）。通常來講調用服務須要知道三個東西，IP地址，協議和端口，例如"http://10.0.2.1:80". 但咱們不想用IP，而是用名字來尋址，這就須要DNS。DNS在k8s集羣內部實現了基於服務名的尋址。下面是Service的配置文件。Service經過「selector」來與Pod進行綁定，這裏它把請求轉發給標籤「app」是「nginx-app」的Pod。「nodePort」給服務建立了一個外部能夠訪問的端口，這樣在虛擬機上就能夠直接訪問服務，而沒必要登陸到k8s集羣裏。

運行如下命令「kubectl create -f nginx-service.yaml」建立服務。

vagrant@ubuntu-xenial:~/$ kubectl create -f nginx-service.yaml
service/nginx-service created

服務建立完成以後，調用如下命令顯示當前的全部服務， 如今就有了「nginx-service」服務。「80」是服務的內部端口，「30163」是服務的外部端口。

vagrant@ubuntu-xenial:~/$ kubectl get services
NAME            TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes      ClusterIP   10.96.0.1      <none>        443/TCP        35d
nginx-service   NodePort    10.109.7.249   <none>        80:30163/TCP   18s

由於已經經過「NodePort」對外開放了端口，如今沒必要登陸到k8s內部，在虛擬機上就能夠訪問服務了. 你能夠鍵入「localhost」

curl localhost:30163

Service 和Deployment的區別：

Deployment是用來管理集羣的，與Pod綁定，但你不能直接訪問Deployment。服務（Service）是爲了方便用名字（而不是IP地址）訪問。但這也只是在集羣內部。你能夠登陸k8s集羣內部，而後鍵入下面命令訪問服務，但在虛擬機上（k8s外面）就不行, 這時只能用IP地址。由於DNS只是在k8s內部才起做用。

# curl nginx-service

節點（Node）：

Node剛開始接觸時容易和Pod搞混，但它至關於虛擬機或物理機，而Pod至關於容器。全部的的Pod或容器都是部署在Node上面。Minikube只支持單Node，但你能夠在它裏面部署多個Pod。下面是Node示意圖。

圖片來源

k8s核心概念之間的關係：

對象間關係：

下面是k8s的一個簡單結構圖：

圖片來源

圖中每一個菱形是一個Node，中間的Node是Master Node，其他三個是Worker Node。Master Node負責管理Worker Node。 Worker Node是真正幹活的Node。Master Node裏有各類控制器，Deployment就是由控制器來管理的，它在中間的管理Node裏，他裏面有兩個部署，A和B，分別對應服務A和服務B。「服務A」部署在最下面的Node裏，它裏面只有一個Pod。「服務B」部署在上面的兩個Node裏，左邊的Node只有一個Pod，右邊的Node有兩個Pod，這是一個有三個Pod的集羣。當一個部署裏有多個Pod時，通常是把它們部署在不一樣的Node上，這樣即便一個Node宕機，Deployment仍然可用。

對象綁定：

下圖是介紹對象之間如何綁定的關係圖。

圖片來源

每一個對象都有多個標籤（Label），「app」就是一個用來標識Pod對象的標籤。圖裏有兩個Pod，它們的「app」標籤的值分別爲「A」和「B」，其中Pod 「B」是集羣，而Pod 「A」不是。服務（Service）和部署（Deployment）都經過標籤選擇器（Label Selector）來綁定與之匹配的Pod。

附錄：

你最好是已經安裝了k8s和Docker環境，那就能夠依次運行本文中的示例。若是你沒有環境，新建一個也不難。若是你不肯意建立環境, k8s的官網有一個練習環境，能夠直接用來運行命令，詳見這裏

索引：

1. Kubernetes
2. Docker
3. Windows
4. Minikube
5. Kubernetes Basics