k8s的介绍

1 应用部署方式的演变

1.1 应用部署方式的演变

在部署应用程序的方式上，主要经历了三个时代：

  • 1⃣️ 传统部署
    • 互联网早期，会直接将应用部署在物理机上。
    • 优点：简单，不需要其他的技术参与。
    • 缺点：不能为应用程序定义资源的使用边界，很难合理的分配计算机资源，而且程序之间容易产生影响。
  • 2⃣️ 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，提供了一定程序上的安全性。
    • 缺点：增加了操作系统，浪费了部分资源。
  • 3⃣️ 容器化部署：
    • 和虚拟化类似，但是共享了操作系统。
    • 优点：
      • ①可以保证每个容器拥有自己的文件系统、CPU、内存和进程空间等。
      • ②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。
      • ③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。

1.2 容器化部署方式产生的问题及解决方案

容器化部署方式带来了很多的便利，但是也会带来一些问题，比如：

  • 一旦容器故障停机了，怎么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。
  • Kubernetes：Google开源的容器编排工具。

2 kubernetes简介

Kubernetes，是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案，是Google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。它的目的就是实现资源管理的自动化，主要提供了如下的功能：

  • 自我修复：一旦某一个容器崩溃，能够在1秒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：如果一个服务启动了多个容器，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。
  • ……

3 kubernetes组件

3.1 Kubernetes组件介绍

一个kubernetes集群主要由控制节点（master）、工作节点（node）构成，每个节点上都会安装不同的组件。

  • 控制节点（master）：集群的控制平面，负责集群的决策。

    • API Server：集群操作的唯一入口，接收用户输入的命令，提供认证、授权、API注册和发现等机制。
    • 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。
    • ControllerManager：负责维护集群的状态，比如程序部署安排、故障检测、自动扩展和滚动更新等。
    • Etcd：负责存储集群中各种资源对象的信息。

  • 工作节点（node）：集群的数据平面，负责为容器提供运行环境。

    • Kubelet：负责维护容器的生命周期，即通过控制Docker，来创建、更新、销毁容器。
    • KubeProxy：负责提供集群内部的服务发现和负载均衡。
    • Docker：负责节点上容器的各种操作。

k8s组件.jpg

3.2 kubernetes组件调用关系的应用示例

以部署一个Nginx服务来说明Kubernetes系统各个组件调用关系：

  • 1⃣️ 首先需要明确，一旦Kubernetes环境启动之后，master和node都会将自身的信息存储到etcd数据库中。
  • 2⃣️ 一个Nginx服务的安装请求首先会被发送到master节点上的API Server组件。
  • 3⃣️ API Server组件会调用Scheduler组件来决定到底应该把这个服务安装到那个node节点上。此时，它会从etcd中读取各个node节点的信息，然后按照一定的算法进行选择，并将结果告知API Server。
  • 4⃣️ API Server调用Controller-Manager去调用Node节点安装Nginx服务。
  • 5⃣️ Kubelet接收到指令后，会通知Docker，然后由Docker来启动一个Nginx的Pod。Pod是Kubernetes的最小操作单元，容器必须跑在Pod中。
  • 6⃣️ 一个Nginx服务就运行了，如果需要访问Nginx，就需要通过kube-proxy来对Pod产生访问的代理，这样，外界用户就可以访问集群中的Nginx服务了。

4 kubernetes概念

  • Master：集群控制节点，每个集群要求至少有一个Master节点来负责集群的管控。
  • Node：工作负载节点，由Master分配容器到这些Node工作节点上，然后Node节点上的Docker负责容器的运行。
  • Pod：Kubernetes的最小控制单元，容器都是运行在Pod中的，一个Pod中可以有一个或多个容器。
  • Controller：控制器，通过它来实现对Pod的管理，比如启动Pod、停止Pod、伸缩Pod的数量等等。
  • Service：Pod对外服务的统一入口，其下面可以维护同一类的多个Pod。
  • Label：标签，用于对Pod进行分类，同一类Pod会拥有相同的标签。
  • NameSpace：命名空间，用来隔离Pod的运行环境。

k8s集群环境的搭建

1 环境规划

1.1 集群类型

Kubernetes集群大致分为两类：一主多从和多主多从。

  • 一主多从：一个Master节点和多台Node节点，搭建简单，但是有单机故障风险，适合用于测试环境。
  • 多主多从：多台Master和多台Node节点，搭建麻烦，安全性高，适合用于生产环境。

集群搭建类型.png

为了测试方便，本次搭建的是一主多从类型的集群。

1.2 安装方式

kubernetes有多种部署方式，目前主流的方式有kubeadm、minikube、二进制包。

  • minikube：一个用于快速搭建单节点的kubernetes工具。
  • kubeadm：一个用于快速搭建kubernetes集群的工具。
  • 二进制包：从官网上下载每个组件的二进制包，依次去安装，此方式对于理解kubernetes组件更加有效。
  • 我们需要安装kubernetes的集群环境，但是又不想过于麻烦，所以选择kubeadm方式。

1.3 主机规划

角色 IP地址 操作系统 配置
Master 192.168.18.100 CentOS7.8+，基础设施服务器 2核CPU，2G内存，50G硬盘
Node1 192.168.18.101 CentOS7.8+，基础设施服务器 2核CPU，2G内存，50G硬盘
Node2 192.168.18.102 CentOS7.8+，基础设施服务器 2核CPU，2G内存，50G硬盘

2 环境搭建

2.1 前言

本次环境搭建需要三台CentOS服务器（一主二从），然后在每台服务器中分别安装Docker（18.06.3）、kubeadm（1.18.0）、kubectl（1.18.0）和kubelet（1.18.0）。

没有特殊说明，就是三台机器都需要执行。

2.2 环境初始化

2.2.1 检查操作系统的版本

检查操作系统的版本（要求操作系统的版本至少在7.5以上）：

cat /etc/redhat-release

环境初始化之检查操作系统版本.png

2.2.2 关闭防火墙和禁止防火墙开机启动

关闭防火墙：

systemctl stop firewalld

禁止防火墙开机启动：

systemctl disable firewalld

环境初始化之关闭防火墙和禁止防火墙开机启动.png

2.2.3 设置主机名

设置主机名：

hostnamectl set-hostname <hostname>

设置192.168.18.100的主机名：

hostnamectl set-hostname k8s-master
  • 设置192.168.18.101的主机名：
hostnamectl set-hostname k8s-node1
  • 设置192.168.18.102的主机名：
hostnamectl set-hostname k8s-node2

2.2.4 主机名解析

为了方便后面集群节点间的直接调用，需要配置一下主机名解析，企业中推荐使用内部的DNS服务器。

cat >> /etc/hosts << EOF
192.168.18.100 k8s-master
192.168.18.101 k8s-node1
192.168.18.102 k8s-node2
EOF

2.2.5 时间同步

kubernetes要求集群中的节点时间必须精确一致，所以在每个节点上添加时间同步：

yum install ntpdate -y

ntpdate time.windows.com

2.2.6 关闭selinux

查看selinux是否开启：

getenforce

永久关闭selinux，需要重启：

sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config

临时关闭selinux，重启之后，无效：

setenforce 0

2.2.7 关闭swap分区

永久关闭swap分区，需要重启：

sed -ri 's/.*swap.*/#&/' /etc/fstab

临时关闭swap分区，重启之后，无效：：

swapoff -a

2.2.8 将桥接的IPv4流量传递到iptables的链

  • 在每个节点上将桥接的IPv4流量传递到iptables的链：
cat > /etc/sysctl.d/k8s.conf << EOF
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
net.ipv4.ip_forward = 1
vm.swappiness = 0
EOF

# 加载br_netfilter模块
modprobe br_netfilter

# 查看是否加载
lsmod | grep br_netfilter

# 生效
sysctl --system

2.2.9 开启ipvs

在kubernetes中service有两种代理模型，一种是基于iptables，另一种是基于ipvs的。ipvs的性能要高于iptables的，但是如果要使用它，需要手动载入ipvs模块。

在每个节点安装ipset和ipvsadm：

yum -y install ipset ipvsadm

在所有节点执行如下脚本：

cat > /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules <<EOF
#!/bin/bash
modprobe -- ip_vs
modprobe -- ip_vs_rr
modprobe -- ip_vs_wrr
modprobe -- ip_vs_sh
modprobe -- nf_conntrack_ipv4
EOF

授权、运行、检查是否加载：

chmod 755 /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules && bash /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules && lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4

检查是否加载：

lsmod | grep -e ipvs -e nf_conntrack_ipv4

2.2.10 重启三台机器

重启三台Linux机器：

reboot

2.3 每个节点安装Docker、kubeadm、kubelet和kubectl

2.3.1 安装Docker

安装Docker：

wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo -O /etc/yum.repos.d/docker-ce.repo

yum -y install docker-ce-18.06.3.ce-3.el7

systemctl enable docker && systemctl start docker

docker version

设置Docker镜像加速器：

sudo mkdir -p /etc/docker

sudo tee /etc/docker/daemon.json <<-'EOF'
{
  "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"], 
  "registry-mirrors": ["https://b9pmyelo.mirror.aliyuncs.com"], 
  "live-restore": true,
  "log-driver":"json-file",
  "log-opts": {"max-size":"500m", "max-file":"3"}
}
EOF

sudo systemctl daemon-reload

sudo systemctl restart docker

2.3.2 添加阿里云的YUM软件源

由于kubernetes的镜像源在国外，非常慢，这里切换成国内的阿里云镜像源：

cat > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo << EOF
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=0
repo_gpgcheck=0
gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg
EOF

2.3.3 安装kubeadm、kubelet和kubectl

由于版本更新频繁，这里指定版本号部署：

yum install -y kubelet-1.18.0 kubeadm-1.18.0 kubectl-1.18.0

为了实现Docker使用的cgroup drvier和kubelet使用的cgroup drver一致，建议修改"/etc/sysconfig/kubelet"文件的内容：

vim /etc/sysconfig/kubelet

# 修改
KUBELET_EXTRA_ARGS="--cgroup-driver=systemd"
KUBE_PROXY_MODE="ipvs"

设置为开机自启动即可，由于没有生成配置文件，集群初始化后自动启动：

systemctl enable kubelet

2.4 查看k8s所需镜像

查看k8s所需镜像：

kubeadm config images list

查看k8s所需镜像.png

2.5 部署k8s的Master节点

部署k8s的Master节点（192.168.18.100）：

# 由于默认拉取镜像地址k8s.gcr.io国内无法访问，这里需要指定阿里云镜像仓库地址
kubeadm init \
  --apiserver-advertise-address=192.168.18.100 \
  --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
  --kubernetes-version v1.18.0 \
  --service-cidr=10.96.0.0/12 \
  --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

部署k8s的Master节点1.png

部署k8s的Master节点2.png

根据提示消息，在Master节点上使用kubectl工具：

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

2.6 部署k8s的Node节点

  • 根据提示，在192.168.18.101和192.168.18.102上添加如下的命令：
kubeadm join 192.168.18.100:6443 --token jv039y.bh8yetcpo6zeqfyj \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:3c81e535fd4f8ff1752617d7a2d56c3b23779cf9545e530828c0ff6b507e0e26

部署k8s的Node节点.png

默认的token有效期为24小时，当过期之后，该token就不能用了，这时可以使用如下的命令创建token：

kubeadm token create --print-join-command

# 生成一个永不过期的token
kubeadm token create --ttl 0 --print-join-command

2.7 部署CNI网络插件

根据提示，在Master节点上使用kubectl工具查看节点状态：

kubectl get nodes

根据提示，在Master节点使用kubectl工具查看节点状态.png

kubernetes支持多种网络插件，比如flannel、calico、canal等，任选一种即可，本次选择flannel，如果网络不行，可以使用本人提供的📎kube-flannel.yml，当然，你也可以安装calico，请点这里📎calico.yaml，推荐安装calico。

  • 在Master节点上获取flannel配置文件(可能会失败，如果失败，请下载到本地，然后安装)：
wget https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

使用配置文件启动flannel：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

查看部署CNI网络插件进度：

kubectl get pods -n kube-system

查看部署CNI网络插件进度.png

再次在Master节点使用kubectl工具查看节点状态：

kubectl get nodes

根据提示，在Master节点使用kubectl工具查看节点状态.png

查看集群健康状况：

kubectl get cs

查看集群健康状况1.png

kubectl cluster-info

查看集群健康状况2.png

3 服务部署

3.1 前言

在Kubernetes集群中部署一个Nginx程序，测试下集群是否正常工作。

3.2 步骤

部署Nginx：

kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.14-alpine

暴露端口：

kubectl expose deployment nginx --port=80 --type=NodePort

查看服务状态：

kubectl get pods,svc

查看服务状态.png

浏览器访问Nginx.png

4 kubernetes中kubectl命令自动补全

yum install -y bash-completion
source /usr/share/bash-completion/bash_completion
source <(kubectl completion bash)
echo “source <(kubectl completion bash)” >> ~/.bashrc
 vim /root/.bashrc 
source /usr/share/bash-completion/bash_completion
source <(kubectl completion bash)
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