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21如何使Docker和Kubernete结合发挥容器的最大价值？ ​

Docker 虽然在容器领域有着不可撼动的地位，然而在容器的编排领域，却有着另外一个事实标准，那就是 Kubernetes。本课时，我就带你一起来认识下 Kubernetes。

Kubernetes 的前生今世 ​

说起 Kubernetes，这一切还得从云计算这个词说起，云计算这个概念是 2006 年由 Google 提起的，近些年被提及的频率也越来越高。云计算从起初的概念演变为现在的 AWS、阿里云等实实在在的云产品（主要是虚拟机和相关的网络、存储服务），可见已经变得非常成熟和稳定。

正当大家以为云计算领域已经变成了以虚拟机为代表的云平台时，Docker 在 2013 年横空出世，Docker 提出了镜像、仓库等核心概念，规范了服务的交付标准，使得复杂服务的落地变得更加简单，之后 Docker 又定义了 OCI 标准，可以说在容器领域 Docker 已经成了事实的标准。

然而 Docker 诞生只是帮助我们定义了开发和交付标准，如果想要在生产环境中大批量的使用容器，还离不开的容器的编排技术。于是，在 2014 年 6 月 7 日，Kubernetes（Kubernetes 简称为 K8S，8 代表 ubernete 8个字母） 的第一个 commit（提交）拉开了容器编排标准定义的序幕。

Kubernetes 是舵手的意思，我们把 Docker 比喻成一个个集装箱，而 Kubernetes 正是运输这些集装箱的舵手。早期的 Kubernetes 主要参考 Google 内部的 Borg 系统，Kubernetes 刚刚诞生时，提出了 Pod、Sidecar 等概念，这些都是 Google 内部多年实战和沉淀所积累的精华。经过将近一年的沉淀和积累，Kubernetes 于 2015 年 7 月 21 日对外发布了第一个正式版本 v1.0，正式走入了大众的视线。

很荣幸，我也是在 2015 年下半年正式开始了 Kubernetes 和 Docker 的研发之路。时至今日，Kubernetes 经过 6 年的沉淀，已经成为了事实的编排技术标准。

接下来，我们就看来看看，究竟是什么样的架构使得 Kubernetes 在容器编排领域成为了王者？

Kubernetes 架构 ​

Kubernetes 采用声明式 API 来工作，所有组件的运行过程都是异步的，整个工作过程大致为用户声明想要的状态，然后 Kubernetes 各个组件相互配合并且努力达到用户想要的状态。

Kubernetes 采用典型的主从架构，分为 Master 和 Node 两个角色。

  • Mater 是 Kubernetes 集群的控制节点，负责整个集群的管理和控制功能。

  • Node 为工作节点，负责业务容器的生命周期管理。

整体架构如下图：

图 1 Kubernetes 架构图（来源：Kubernetes 官网）

Master 节点 ​

Master 节点负责对集群中所有容器的调度，各种资源对象的控制，以及响应集群的所有请求。Master 节点包含三个重要的组件： kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager。下面我对这三个组件逐一介绍。

  • kube-apiserver

kube-apiserver 主要负责提供 Kubernetes 的 API 服务，所有的组件都需要与 kube-apiserver 交互获取或者更新资源信息，它是 Kubernetes Master 中最前端组件。

kube-apiserver 的所有数据都存储在 etcd 中，etcd 是一种采用 Go 语言编写的高可用 Key-Value 数据库，由 CoreOS 开发。etcd 虽然不是 Kubernetes 的组件，但是它在 Kubernetes 中却扮演着至关重要的角色，它是 Kubernetes 的数据大脑。可以说 etcd 的稳定性直接关系着 Kubernetes 集群的稳定性，因此生产环境中 etcd 一定要部署多个实例以确保集群的高可用。

  • kube-scheduler

kube-scheduler 用于监听未被调度的 Pod，然后根据一定调度策略将 Pod 调度到合适的 Node 节点上运行。

  • kube-controller-manager

kube-controller-manager 负责维护整个集群的状态和资源的管理。例如多个副本数量的保证，Pod 的滚动更新等。每种资源的控制器都是一个独立协程。kube-controller-manager 实际上是一系列资源控制器的总称。

为了保证 Kubernetes 集群的高可用，Master 组件需要部署在多个节点上，由于 Kubernetes 所有数据都存在于 etcd 中，Etcd 是基于 Raft 协议实现，因此生产环境中 Master 通常建议至少三个节点（如果你想要更高的可用性，可以使用 5 个或者 7 个节点）。

Node 节点 ​

Node 节点是 Kubernetes 的工作节点，负责运行业务容器。Node 节点主要包含两个组件 ：kubelet 和 kube-proxy。

  • kubelet

Kubelet 是在每个工作节点运行的代理，它负责管理容器的生命周期。Kubelet 通过监听分配到自己运行的主机上的 Pod 对象，确保这些 Pod 处于运行状态，并且负责定期检查 Pod 的运行状态，将 Pod 的运行状态更新到 Pod 对象中。

  • kube-proxy

Kube-proxy 是在每个工作节点的网络插件，它实现了 Kubernetes 的 Service 的概念。Kube-proxy 通过维护集群上的网络规则，实现集群内部可以通过负载均衡的方式访问到后端的容器。

Kubernetes 的成功不仅得益于其优秀的架构设计，更加重要的是 Kubernetes 提出了很多核心的概念，这些核心概念构成了容器编排的主要模型。

Kubernetes 核心概念 ​

Kubernetes 这些概念是 Google 多年的技术沉淀和积累，理解 Kubernetes 的核心概念有助于我们更好的理解 Kubernetes 的设计理念。

（1）集群 ​

集群是一组被 Kubernetes 统一管理和调度的节点，被 Kubernetes 纳管的节点可以是物理机或者虚拟机。集群其中一部分节点作为 Master 节点，负责集群状态的管理和协调，另一部分作为 Node 节点，负责执行具体的任务，实现用户服务的启停等功能。

（2）标签（Label） ​

Label 是一组键值对，每一个资源对象都会拥有此字段。Kubernetes 中使用 Label 对资源进行标记，然后根据 Label 对资源进行分类和筛选。

（3）命名空间（Namespace） ​

Kubernetes 中通过命名空间来实现资源的虚拟化隔离，将一组相关联的资源放到同一个命名空间内，避免不同租户的资源发生命名冲突，从逻辑上实现了多租户的资源隔离。

（4）容器组（Pod） ​

Pod 是 Kubernetes 中的最小调度单位，它由一个或多个容器组成，一个 Pod 内的容器共享相同的网络命名空间和存储卷。Pod 是真正的业务进程的载体，在 Pod 运行前，Kubernetes 会先启动一个 Pause 容器开辟一个网络命名空间，完成网络和存储相关资源的初始化，然后再运行业务容器。

（5）部署（Deployment） ​

Deployment 是一组 Pod 的抽象，通过 Deployment 控制器保障用户指定数量的容器副本正常运行，并且实现了滚动更新等高级功能，当我们需要更新业务版本时，Deployment 会按照我们指定策略自动的杀死旧版本的 Pod 并且启动新版本的 Pod。

（6）状态副本集（StatefulSet） ​

StatefulSet 和 Deployment 类似，也是一组 Pod 的抽象，但是 StatefulSet 主要用于有状态应用的管理，StatefulSet 生成的 Pod 名称是固定且有序的，确保每个 Pod 独一无二的身份标识。

（7）守护进程集（DaemonSet） ​

DaemonSet 确保每个 Node 节点上运行一个 Pod，当我们集群有新加入的 Node 节点时，Kubernetes 会自动帮助我们在新的节点上运行一个 Pod。一般用于日志采集，节点监控等场景。

（8）任务（Job） ​

Job 可以帮助我们创建一个 Pod 并且保证 Pod 的正常退出，如果 Pod 运行过程中出现了错误，Job 控制器可以帮助我们创建新的 Pod，直到 Pod 执行成功或者达到指定重试次数。

（9）服务（Service） ​

Service 是一组 Pod 访问配置的抽象。由于 Pod 的地址是动态变化的，我们不能直接通过 Pod 的 IP 去访问某个服务，Service 通过在主机上配置一定的网络规则，帮助我们实现通过一个固定的地址访问一组 Pod。

（10）配置集（ConfigMap） ​

ConfigMap 用于存放我们业务的配置信息，使用 Key-Value 的方式存放于 Kubernetes 中，使用 ConfigMap 可以帮助我们将配置数据和应用程序代码分开。

（11）加密字典（Secret） ​

Secret 用于存放我们业务的敏感配置信息，类似于 ConfigMap，使用 Key-Value 的方式存在于 Kubernetes 中，主要用于存放密码和证书等敏感信息。

了解完 Kubernetes 的架构和核心概念，你是不是已经迫不及待地想要体验下了。下面就让我们动手安装一个 Kubernetes 集群，来体验下 Kubernetes 的强大之处吧。

安装 Kubernetes ​

Kubernetes 目前已经支持在多种环境下安装，我们可以在公有云，私有云，甚至裸金属中安装 Kubernetes。下面，我们通过 minikube 来演示一下如何快速安装和启动一个 Kubernetes 集群，minikube 是官方提供的一个快速搭建本地 Kubernetes 集群的工具，主要用于本地开发和调试。

下面，我以 Linux 平台为例，演示一下如何使用 minikube 安装一个 Kubernetes 集群。

如果你想要在其他平台使用 minikube 安装 Kubernetes，请参考官网安装教程。

在使用 minikube 安装 Kubernetes 之前，请确保我们的机器已经正确安装并且启动 Docker。

第一步，安装 minikube 和 kubectl。首先执行以下命令安装 minikube。

java
$ curl -LO https://github.com/kubernetes/minikube/releases/download/v1.13.1/minikube-linux-amd64
$ sudo install minikube-linux-amd64 /usr/local/bin/minikube

Kubectl 是 Kubernetes 官方的命令行工具，可以实现对 Kubernetes 集群的管理和控制。

我们使用以下命令来安装 kubectl：

java
$ curl -LO https://dl.k8s.io/v1.19.2/kubernetes-client-linux-amd64.tar.gz
$ tar -xvf kubernetes-client-linux-amd64.tar.gz
kubernetes/
kubernetes/client/
kubernetes/client/bin/
kubernetes/client/bin/kubectl
$ sudo install kubernetes/client/bin/kubectl /usr/local/bin/kubectl

第二步，安装 Kubernetes 集群。

执行以下命令使用 minikube 安装 Kubernetes 集群：

$ minikube start

执行完上述命令后，minikube 会自动帮助我们创建并启动一个 Kubernetes 集群。命令输出如下，当命令行输出 Done 时，代表集群已经部署完成。

第三步，检查集群状态。集群安装成功后，我们可以使用以下命令检查 Kubernetes 集群是否成功启动。

java
$ kubectl cluster-info
Kubernetes master is running at https://172.17.0.3:8443
KubeDNS is running at https://172.17.0.3:8443/api/v1/namespaces/kube-system/services/kube-dns:dns/proxy

To further debug and diagnose cluster problems, use 'kubectl cluster-info dump'.

执行kubectl cluster-info命令后，输出 "Kubernetes master is running" 表示我们的集群已经成功运行。

172.17.0.3 为演示环境机器的 IP 地址，这个 IP 会根据你的实际 IP 地址而变化。

创建第一个应用 ​

集群搭建好后，下面我们来试着使用 Kubernetes 来创建我们的第一个应用。

这里我们使用 Deployment 来定义应用的部署信息，使用 Service 暴露我们的应用到集群外部，从而使得我们的应用可以从外部访问到。

第一步，创建 deployment.yaml 文件，并且定义启动的副本数（replicas）为 3。

yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: hello-world
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: hello-world
  template:
    metadata:
      labels:
        app: hello-world
    spec:
      containers:
      - name: hello-world
        image: wilhelmguo/nginx-hello:v1
        ports:
        - containerPort: 80

第二步，发布部署文件到 Kubernetes 集群中。

java
$ kubectl create -f deployment.yaml

部署发布完成后，我们可以使用 kubectl 来查看一下 Pod 是否被成功启动。

java
$ kubectl get pod -o wide
NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
hello-world-57968f9979-xbmzt   1/1     Running   0          3m19s   172.18.0.7   minikube   <none>           <none>
hello-world-57968f9979-xq5w4   1/1     Running   0          3m18s   172.18.0.5   minikube   <none>           <none>
hello-world-57968f9979-zwvgg   1/1     Running   0          4m14s   172.18.0.6   minikube   <none>           <none>

这里可以看到 Kubernetes 帮助我们创建了 3 个 Pod 实例。

第三步，创建 service.yaml 文件，帮助我们将服务暴露出去，内容如下：

yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: hello-world
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
  selector:
    app: hello-world

然后执行如下命令在 Kubernetes 中创建 Service：

kubectl create -f service.yaml

服务创建完成后，Kubernetes 会随机帮助我们分配一个外部访问端口，可以通过以下命令查看服务信息：

java
$ kubectl  get service -o wide
NAME          TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE   SELECTOR
hello-world   NodePort    10.101.83.18   <none>        80:32391/TCP   12s   app=hello-world
kubernetes    ClusterIP   10.96.0.1      <none>        443/TCP        40m   <none>

由于我们的集群使用 minikube 安装，要想集群中的服务可以通过外部访问，还需要执行以下命令：

$ minikube service hello-world

输出如下：

可以看到 minikube 将我们的服务暴露在了 32391 端口上，我们通过 http://{YOUR-IP}:32391 可以访问到我们启动的服务，如下图所示。

图 2 服务请求结果

总结下，我们首先使用 Deployment 创建了三个 nginx-hello 的实例，然后使用 Service 的方式随机负载到后端的三个实例，并将服务通过 NodePort 的方式暴露在主机上，使得我们可以直接使用主机的端口访问到容器中的服务。

结语 ​

Kubernetes 从诞生到现在已经经历了 6 个年头，起初由于它的超前理念被世人误认为设计过度复杂，使得 Kubernetes 的入门门槛非常高。然而 6 年后的今天， Kubernetes 已经拥有了非常完善的社区和工具集，它可以帮助我们一键搭建 Kubernetes 集群，并且围绕 Kubernetes 构建的各种应用也是越来越丰富。

Kubernetes 的目标一直很明确，那就是对标 Borg，可以支撑数亿容器的运行。目前来看，要达到这个目标，Kubernetes 还有很长的路要走，但是当我们谈及云原生，谈及容器云时都必然会提到 Kubernetes，显然它已经成为容器编排的标准和标杆，目前大多数公有云也有支持 Kubernetes。容器的未来一定是美好的，而使用 Kubernetes 来调度容器则更是未来云计算的一个重要风向标。

那么，你的朋友中有没有人从事过 Kubernetes 或 Docker 相关的项目研发，现在这些项目发展得怎么样了呢？欢迎留言和我一起讨论容器圈创业那点事。

下一课时，我将为你带来 Docker 的综合实战案例，Docker 下如何实现镜像多阶级构建？