Kubernetes 基礎教學(一)原理介紹

Kubernetes 如何運作?什麼是 Pod?什麼是 Node?Master Node 的工作是什麼?

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Kubernetes(K8S)是一個可以幫助我們管理微服務(microservices)的系統,他可以自動化地部署及管理多台機器上的多個容器(Container)。

更進一步地說,Kubernetes 想解決的問題是:「手動部署多個容器到多台機器上並監測管理這些容器的狀態非常麻煩。」而 Kubernetes 要提供的解法: 提供一個平台以較高層次的抽象化去自動化操作與管理容器們。

打開 Kubernetes 的官網,我們可以看到關於 Kubernetes 服務的描述為:

Automated container deployment, scaling, and management

而白話來說,上面的描述表示他可以做到:

  • 同時部署多個容器到多台機器上(Deployment)
  • 服務的乘載量有變化時,可以對容器做自動擴展(Scaling)
  • 管理多個容器的狀態,自動偵測並重啟故障的容器(Management)

註:對於 Container 有點陌生的同學可以參考這篇基礎教學複習一下。

系列文目錄

Kubernetes 四元件

在了解 Kubernetes 如何幫助我們管理容器們前,我們先要由小到大依序了解組成 Kubernetes 的四種最基本的元件:Pod、Worker Node、Master Node、Cluster。

Pod

Kubernetes 運作的最小單位,一個 Pod 對應到一個應用服務(Application) ,舉例來說一個 Pod 可能會對應到一個 API Server。

  • 每個 Pod 都有一個身分證,也就是屬於這個 Pod 的 yaml
  • 一個 Pod 裡面可以有一個或是多個 Container,但一般情況一個 Pod 最好只有一個 Container
  • 同一個 Pod 中的 Containers 共享相同資源及網路,彼此透過 local port number 溝通

Worker Node

Kubernetes 運作的最小硬體單位,一個 Worker Node(簡稱 Node)對應到一台機器,可以是實體機如你的筆電、或是虛擬機如 AWS 上的一台 EC2 或 GCP 上的一台 Computer Engine。

每個 Node 中都有三個組件:kubelet、kube-proxy、Container Runtime。

小提醒:在 Worker Node 與 Master Node 的組件部分,因為 Kubernetes 本身其實都抽象的很好,所以在 Kubernetes 「基礎的」使用上如何不了解這些組建也不會有非常大的影響。

kubelet

  • 該 Node 的管理員,負責管理該 Node 上的所有 Pods 的狀態並負責與 Master 溝通

kube-proxy

  • 該 Node 的傳訊員,負責更新 Node 的 iptables,讓 Kubernetes 中不在該 Node 的其他物件可以得知該 Node 上所有 Pods 的最新狀態

Container Runtime

  • 該 Node 真正負責容器執行的程式,以 Docker 容器為例其對應的 Container Runtime 就是 Docker Engine

Master Node

Kubernetes 運作的指揮中心,可以簡化看成一個特化的 Node 負責管理所有其他 Node。一個 Master Node(簡稱 Master)中有四個組件:kube-apiserver、etcd、kube-scheduler、kube-controller-manager。

kube-apiserver

  • 管理整個 Kubernetes 所需 API 的接口(Endpoint),例如從 Command Line 下 kubectl 指令就會把指令送到這裏
  • 負責 Node 之間的溝通橋樑,每個 Node 彼此不能直接溝通,必須要透過 apiserver 轉介
  • 負責 Kubernetes 中的請求的身份認證與授權

etcd

  • 用來存放 Kubernetes Cluster 的資料作為備份,當 Master 因為某些原因而故障時,我們可以透過 etcd 幫我們還原 Kubernetes 的狀態

kube-controller-manager

  • 負責管理並運行 Kubernetes controller 的組件,簡單來說 controller 就是 Kubernetes 裡一個個負責監視 Cluster 狀態的 Process,例如:Node Controller、Replication Controller
  • 這些 Process 會在 Cluster 與預期狀態(desire state)不符時嘗試更新現有狀態(current state)。例如:現在要多開一台機器以應付突然增加的流量,那我的預期狀態就會更新成 N+1,現有狀態為 N,這時相對應的 controller 就會想辦法多開一台機器
  • controller-manager 的監視與嘗試更新也都需要透過訪問 kube-apiserver 達成

kube-scheduler

  • 整個 Kubernetes 的 Pods 調度員,scheduler 會監視新建立但還沒有被指定要跑在哪個 Node 上的 Pod,並根據每個 Node 上面資源規定、硬體限制等條件去協調出一個最適合放置的 Node 讓該 Pod 跑

Cluster

Kubernetes 中多個 Node 與 Master 的集合。基本上可以想成在同一個環境裡所有 Node 集合在一起的單位。

基本運作與安裝

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基本運作

接下來我們用一個簡單的問題「Kubernetes 是如何建立一個 Pod?」來複習整體 Kubernetes 的架構。上圖為一個簡易的 Kubernetes Cluster,通常一個 Cluster 中其實會有多個 Master 作為備援,但為了簡化我們只顯示一個。

當使用者要部署一個新的 Pod 到 Kubernetes Cluster 時,使用者要先透過 User Command(kubectl)輸入建立 Pod 的對應指令(下面會在解說如何實際動手操作來建立一個 Pod)。此時指令會經過一層確認使用者身份的認證後,傳遞到 Master Node 中的 API Server,API Server 會把指令備份到 etcd 。

接下來 controller-manager 會從 API Server 收到需要創建一個新的 Pod 的訊息,並檢查如果資源許可,就會建立一個新的 Pod。最後 Scheduler 在定期訪問 API Server 時,會詢問 controller-manager 是否有建置新的 Pod,如果發現新建立的 Pod 時,Scheduler 就會負責把 Pod 配送到最適合的一個 Node 上面。

雖然上面的基本運作看似複雜,但實際上我們在操作時,只要輸入一行指令後 Kubernetes 就會自動幫我們完成後續的動作。

安裝 Kubernetes

要實際動手在本機端體驗如何操作 Kubernetes 前,需要分別下載 Minikube、VirtualBox 以及 kubectl 三個套件。以下都以 MacOS 平台為主:

Minikube

  • 一個 Google 發佈的輕量級工具,讓開發者可以輕鬆體驗一個的 Kubernetes Cluster。Minikube 會在本機端建立 Virtual Machine,並在其中運行一個 Single-Node 的 Kubernetes Cluster
  • Github 下載

VirtualBox

  • 因為 Minikube 會透過 Virtual Machine 跑 Kubernetes,因此會需要先安裝一個跑虛擬化的工具,在這邊可以直接使用 VirtualBox
  • 官網載點

Kubectl

  • Kubectl 是 Kubernetes 的 Command Line 工具,我們之後會透過 Kubectl 去操作我們的 Kubernetes Cluster
  • 官網載點

下載好上面的三個東西後,在接下來的文章之中我們就要來實際透過 Kubernetes 在建立 Cluster 與 Pod 囉!

Kubernetes 基礎教學(二)實作範例:Pod、Service、Deployment、Ingress

Kubernetes 基礎教學(三)Helm 介紹與建立 Chart


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