Kubernetes 的概述

Kubernetes集群的架构

师傅：控制节点

API服务器

•整个集群的API网关。相关应用程序为kube-apiserver。

•以基于http/https协议的REST风格提供，几乎所有功能都被抽象为与“资源”相关的“对象”。

•声明式API。仅用于声明对象的“最终状态”，特定的业务逻辑由与每个资源相关的控制器完成。

•无状态，数据存储在etcd中。

集群存储
•集群状态数据存储系统。通常指的是etcd。
•仅与API服务器进行交互。

控制器管理器
•负责实现由客户端通过API发送的最终状态声明，相应的应用程序为kube-controller-manager。
•API对象的“实际状态”通过一系列步骤由相关代码驱动，使其接近或等于“期望状态”，以循环方式工作。

调度器
•调度器。选择最适合Pod运行的节点（在当前情况下进行评估）。
•相关程序为kube-scheduler。

WorkerNode: 工作节点

Kubelet（又称节点代理）

• Kubelet是安装在每个工作节点上的Kubernetes集群代理，它负责执行主节点发送的命令，并管理通过调度器与当前节点上绑定的容器。

• 通过API服务器接收Pod资源定义，或者从节点的本地目录加载静态Pod配置。

• 使用符合CRI规范的容器运行时管理和监视与Pod相关的容器。

Kube Proxy（又称代理）

• Kube Proxy在每个工作节点上运行，专门将服务资源定义转换为节点的本地实现。

• iptables模式：将服务资源定义转换为适用于当前节点的iptables规则。

• ipvs模式：将服务资源定义转换为适用于ipvs和当前节点的一些iptables规则。

• 是通过服务网络传输到Pod网络的关键部分。

Kubernetes 插件

负责扩展Kubernetes集群功能的应用程序。通常以Pod的形式在Kubernetes集群上托管和执行。

必需的插件

• 网络插件：网络插件通过CNI接口为Pod提供专用的通信网络，并有多个实现。

• 集群DNS：集群DNS服务器，负责服务注册、发现和名称解析。目前的实现是CoreDNS。

重要的插件

• Ingress控制器：Ingress控制器为Ingress资源提供特定的实现，负责实现http/https协议的第7层路由和流量调度，并有多个实现。

• 仪表盘：基于Web的用户界面

• 指标监控系统：Prometheus

• 日志系统：ELK、PLG等。

Kubernetes应用编排的基本运行逻辑。

基本上，容器是一组共享网络、IPC和UTS命名空间以及存储资源的实体，可以被视为物理或虚拟机上的进程。

每个容器共享网络协议栈、网络设备、路由、IP地址、端口等，但挂载、PID和用户仍然是分离的。文件、进程和用户命名空间默认是分离的，PID共享需要明确声明。

每个Pod还可以将”卷”连接为外部存储，这些卷是与Pod的生命周期独立的，可以在Pod内的所有容器之间共享。通过资源清单，可以模拟”不变基础设施”，即在删除后可以通过重新创建来恢复。

在Pod的创建和更新过程中，采用了删除和重建的方法，从而有效地建立资产历史记录并容易地追溯状态。它是动态的，可以容忍意外情况，如错误删除或主机故障。

存储卷使数据能够保存在Pod的生命周期之外。

从设计的角度来看，只有具有非常密切关系的应用程序需要以不同容器的形式在同一个Pod中运行。

每个Pod的容器共享暂停命名空间，这是一个处于暂停状态且不占用资源的容器。其主要目的是为Pod提供需要添加到Pod容器中的命名空间，以供正常使用。

服务资源的设计逻辑 de

Pod需要支持服务发现机制，因为它是动态的，并且在重建后根据配置列表重新分配IP地址。

Kubernetes使用服务资源和DNS服务（CoreDNS）来进行服务发现。
• 服务可以为提供相同服务的Pod组提供负载均衡机制，并将其IP地址（也称为服务IP或集群IP）作为客户端流量的入口。
• Service对象存在于集群中的每个节点上，不会因为个别节点的故障而丢失，并可以为Pod提供固定的前端入口。
• 服务使用标签选择器（Label Selector）来过滤和匹配Pod对象的标签，以便发现Pod。只有具有与标签选择器过滤器匹配的标签的Pod会被检测到。

Pod和工作负载控制器

路由控制器通过标签选择器对Pod标签进行过滤处理，并完成相关联。

作为负载控制器的重心。
• 确保所选的Pod与目标数量完全匹配，并根据Pod模板创建不足数量的Pod，超出数量的则丢弃冗余对象。
• 根据配置定义的扩容和缩容。
• 根据策略和配置应用更新。

应用程序的部署

创建工作负载控制器对象，以确保适当数量的Pod对象运行。

创建一个Service对象，为Pod对象组提供固定访问入口。

请求访问 Service 对象的服务。

服务和集群外部的客户端之间的通信流量被称为北南流量，客户端是集群外部的进程。
• 集群中的 Pod 也可以与集群外部的服务进程进行通信。

Kubernetes网络的基本原理

Kubernetes网络模型。

节点内的路由模块、iptables/netfilter、ipvs 完成网络之间的流量传输。

节点网络是用于集群节点之间通信的网络。它负责与集群的外部终点进行通信。

各个节点的网络和地址不是由Kubernetes管理，而是在部署Kubernetes之前需要进行配置，因此管理员需要手动配置或借助宿主虚拟化管理程序来进行配置。

• Pod 网络是提供给集群中的 Pod 对象的网络。

虚拟网络需要通过Flannel、Calico和Cilium等CNI网络插件来实现。

• 服务网络: 当部署Kubernetes集群时指定，每个服务对象将从该网络中分配使用的地址。

服务对象的IP地址存在于相关的iptables或ipvs规则中。

由Kubernetes集群本身进行管理

Kubernetes集群的通信流程

在Kubernetes网络中，主要有四种通信流量：
• 容器之间的同一Pod内通信 – 回环接口
• Pod之间的通信
• Pod与服务之间的通信
• 集群外部流量与服务之间的通信

Pod网络需要依靠与CNI规范兼容的第三方网络插件进行完成，这些插件需要满足以下功能要求：
• 所有的Pod可以直接通信，无需经过NAT机制。
• 所有的节点可以直接与所有的Pod通信，无需使用NAT机制。
• 所有的Pod对象位于同一扁平网络上。