【Kubernetes系列】第1篇 架构及组件介绍

1. Kubernetes简介

Kubernetes是谷歌开源的容器集群管理系统，是Google多年大规模容器管理技术Borg的开源版本，主要功能包括:

• 基于容器的应用部署、维护和滚动升级
• 负载均衡和服务发现
• 跨机器和跨地区的集群调度
• 自动伸缩
• 无状态服务和有状态服务
• 广泛的Volume支持
• 插件机制保证扩展性

Kubernetes发展非常迅速，已经成为容器编排领域的领导者。

2. Kubernetes 架构及组件介绍

2.1 kubernetes 架构

Kubernetes架构如图所示：

Kubernetes主要由以下几个核心组件构成：

• etcd 保存整个集群的状态；
• apiserver 提供了资源操作的唯一入口，并提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制；
• controller manager 负责维护集群的状态，比如故障检测、自动扩展、滚动更新等；
• scheduler 负责资源的调度，按照预定的调度策略将实例（Pod）调度到相应的主机上；
• kubelet 负责维护容器的生命周期，同时也负责存储卷和网络的管理；
• container runtime 负责镜像管理以及容器的真正执行，在我们系统中指的是Docker
• kube-proxy 负责为应用提供集群内部的服务发现和负载均衡

推荐的插件

• helm - kubernetes包管理工具
• kube-dns/coreDNS 负责为整个集群提供DNS服务
• Ingress Controller 为服务提供外网入口
• Heapster 提供资源监控
• Dashboard 提供GUI
• Federation 提供跨可用区的集群
• Fluentd-elasticsearch 提供集群日志采集、存储与查询

2.2 Kubernetes组件介绍

2.2.1 etcd

etcd是基于Raft一致性算法开发的分布式key-value存储，可用于服务发现、共享配置以及一致性保障（如数据库选主、分布式锁等）

etcd主要功能：

• 基本的key-value存储
• 监听机制
• key的过期及续约机制，用于监控和服务发现
• 原子CAS和CAD，用于分布式锁和leader选举

Etcd基于RAFT的一致性

leader节点选举方法

• 初始启动时，节点处于follower状态并被设定一个election timeout，如果在这一时间周期内没有收到来自leader的心跳检测，节点将发起选举，将自己切换为candidate（候选人）节点之后，向集群中的其他follow节点发送请求，询问其是否选举自己为leader
• 当收到来自集群中过半数节点的接受投票后，节点即成为leader，开始接收保存client的数据并向其他的follower节点同步日志。如果没有达成一致，则candidate节点随机选择一个等待时间（150ms ～ 300ms）再次发起投票，得到集群中半数以上的follower接受的candidate将成为leader
• leader节点依靠定时向follower节点发送心跳检测来保持其地位
• 任何时候如果其他follower在election timeout期间没有收到来自leader的心跳检测，同样会将自己的状态切换为candidate并发起选举。每成功选举一次，新leader的步进数（Term）都会比之前leader的步进数加1

失效处理

• leader失效：其他没有收到心跳检测的节点将发起新的选举，当leader恢复后由于步进数小自动成为follower（日志会被新leader的日志覆盖）
• follower节点不可用：follower节点不可用的情况相对比较容易解决。因为集群中的日志内容始终是从leader节点同步，只要这一节点再次加入集群时重新从leader节点处复制日志即可
• 多个候选人（candidate）：冲突后candidate将随机选择一个等待时间（150ms ～ 300ms）再次发起投票，得到集群中半数以上的follower接受的candidate将成为leader

讲到这里可能有同学发现Etcd和Zookeeper、Consul等一致性协议实现框架有些类似，的确这些中间件是比较类似的，关于其中的异同点，大家可以自行查阅资料。

2.2.2 kube-apiserver

kube-apiserver是Kubernetes最重要的核心组件之一，主要提供了如下功能：

• 提供集群管理的REST API接口，包括认证授权、数据校验以及集群状态变更等
• 提供同其他模块之间的数据交互(其他模块通过API Server查询或修改数据，只有API Server才直接操作etcd)

2.2.3 kube-scheduler

kube-scheduler负责分配调度Pod到集群内的节点上，它监听kube-apiserver，查询还未分配Node的Pod，然后根据调度策略为这些Pod分配节点

通过以下三种方式可以指定Pod只运行在特定的Node节点上

• nodeSelector:只调度到匹配指定label的Node上
• nodeAffinity:功能更丰富的Node选择器，比如支持集合操作
• podAffinity:调度到满足条件的Pod所在的Node上

2.2.4 kube-controller-manager

kube-controller-manager是Kubernetes的大脑，通过kube-apiserver监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，它由一系列的控制器组成，这些控制器主要包括三组：

1. 必须启动的控制器

• eploymentController
• DaemonSetController
• NamesapceController
• ReplicationController
• RelicaSet
• JobController

...

1. 默认启动的控制器

• NodeController
• ServiceController
• PVBinderController

...

1. 默认禁止的可选控制器

• BootstrapSignerController
• TokenCleanerController

2.2.5 Kubelet

每个Node节点上都运行一个kubelet守护进程，默认监听10250端口，接收并执行master发来的指令，管理Pod及Pod中的容器。每个kubelet进程会在API Server上注册节点自身信息，定期向master节点汇报节点的资源使用情况

节点管理

主要是节点自注册和节点状态更新:

• Kubelet可以通过设置启动参数 --register-node 来确定是否向API Server注册自己;
• 如果Kubelet没有选择自注册模式，则需要用户自己配置Node资源信息，同时需要在Kubelet上配置集群中API Server的信息;
• Kubelet在启动时通过API Server注册节点信息，并定时向API Server发送节点状态消息，API Server在接收到新消息后，将信息写入etcd

容器健康检查

Pod通过两类探针检查容器的健康状态

• LivenessProbe 存活探针：通过该探针判断容器是否健康，告诉Kubelet一个容器什么时候处于不健康的状态。如果LivenessProbe探针探测到容器不健康，则kubelet将删除该容器，并根据容器的重启策略做相应的处理。如果一个容器不包含LivenessProbe探针，那么kubelet认为该容器的LivenessProbe探针返回的值永远是“Success”。
• ReadinessProbe 就绪探针：用于判断容器是否启动完成且准备接收请求。如果 ReadinessProbe 探针探测到失败，则Pod的状态将被修改。Endpoint Controller将从Service的Endpoint中删除包含该容器所在Pod的IP地址的Endpoint条目。

以下是Pod的启动流程：

2.2.6 kube-proxy

每台机器上都运行一个kube-proxy服务，它监听API Server中service和Pod的变化情况，并通过userspace、iptables、ipvs等proxier来为服务配置负载均衡

代理模式（proxy-mode）提供如下三种类型：

1）userspace

最早的负载均衡方案，它在用户空间监听一个端口，所有请求通过 iptables 转发到这个端口，然后在其内部负载均衡到实际的 Pod。service的请求会先从用户空间进入内核iptables，然后再回到用户空间（kube-proxy），由kube-proxy完成后端Endpoints的选择和代理工作，这样流量从用户空间进出内核带来的性能损耗是不可接受的，所以产生了iptables的代理模式

2）iptables:

iptables mode完全使用iptables来完成请求过滤和转发。但是如果集群中存在大量的Service/Endpoint，那么Node上的iptables rules将会非常庞大，添加或者删除iptables规则会引起较大的延迟。

3）ipvs:

为了解决存在大量iptables规则时的网络延迟的问题，Kubernetes引入了ipvs的模式，（ipvs是LVS - Linux Virtual Server 的重要组成部分，最早是由中国的章文嵩博士推出的一个开源项目，提供软件负载均衡的解决方案），下面是ipvs模式的原理图：