[云]Kubernetes 的基础知识

目标：

实践实验室涵盖 Kubernetes 的基础知识（这个句子的意思是在实验室中通过实践学习 Kubernetes 的基本概念） 在此过程中理解 Kubernetes 概念（这个句子的意思是在学习的过程中理解 Kubernetes 的相关概念）

议程： 开始使用 Kubernetes（这个句子的意思是介绍如何开始学习 Kubernetes）

改编自 Jérôme Petazzoni 的容器培训，可在 GitHub 上找到：https://github.com/jpetazzo/container.training

Jérôme Petazzoni（Jérôme Petazzoni 是一位知名的软件工程师和培训师）（GitHub 是一个面向开源及私有软件项目的托管平台）

开始使用 Kubernetes 容器化

Containerization

标准软件单元，可以打包您的代码及其所有依赖项，使应用程序能够在不同的计算环境中快速且可靠地运行。 —— Docker.com

（这个句子的意思是容器化是一种软件单元的标准化形式，它能够将代码和所有必需的依赖项打包起来，确保应用程序在转移到不同的计算环境时能够快速且稳定地运行。来源于 Docker.com，Docker 是一个支持容器化技术的平台，允许开发者打包应用及其依赖项到一个可移植的容器中，这些容器可以在任何机器上运行，无需担心依赖项问题。）

Dockerfile example

图片显示的是一个 Dockerfile，这是一个用来定义 Docker 容器如何被构建的文本文件。具体来说，这个 Dockerfile 包含了一系列的指令，用于构建一个运行 Node.js 应用的 Docker 容器。以下是每条指令的作用：

1. FROM node:18-alpine - 从 Docker Hub 上获取名为 node:18-alpine 的基础镜像。这个镜像基于 Alpine Linux，预装了 Node.js 版本 18。Alpine Linux 因其轻量级而被广泛用于 Docker 容器中。

2. WORKDIR /frontend - 设置工作目录为 /frontend。这是接下来的指令将在容器内部操作的默认目录。

3. COPY package.json ./ - 将宿主机（你的电脑）上的 package.json 文件复制到容器的工作目录。package.json 文件定义了 Node.js 项目的依赖。

4. RUN npm install - 运行 npm install 命令，根据 package.json 安装项目所需的所有依赖。

5. COPY . . - 将当前目录下的所有文件和目录复制到容器的工作目录。这通常包括你的应用代码和其他必要文件。

6. EXPOSE 3000 - 声明容器在运行时会监听端口 3000。这通常是应用程序运行的端口。

7. CMD npm run dev - 定义容器启动时执行的命令，这里是启动开发服务器。

这个 Dockerfile 的目的是为了创建一个可以在隔离环境中运行、开发和测试 Node.js 前端应用的容器。

疑惑：

现在： 如果我们运行容器的机器崩溃了怎么办？ 如果我们想分别容器化我们的前端和后端，并拥有多个容器，该怎么办？ 如果突然有流量高峰，我们想快速启动五个实例来均匀分配在负载均衡器后面，然后当比赛结束后杀掉其中三个实例以便我们可以缩减规模，我们该如何操作？ 我们如何协调这个部署、管理、自动化和扩展容器化应用程序的过程？

Kubernetes

是一个容器管理系统，它在一个集群上运行和管理容器化应用程序。那这到底意味着什么呢？

Kubernetes 的核心作用是自动化容器操作，包括部署、扩展、维护和运行多容器应用的生命周期管理。具体来说：

1. 集群管理：Kubernetes 允许您将物理或虚拟机组成一个集群。这个集群作为一个整体运行容器化的应用程序，提供更强大的计算能力。

2. 运行容器化应用：在 Kubernetes 中，您可以将应用程序和其依赖打包成容器，然后部署到集群上。Kubernetes 负责保证这些容器在集群的不同机器上正确运行。

3. 自动扩展和管理：Kubernetes 可以根据预设的规则自动调整应用程序的资源使用，比如在流量高峰自动增加应用实例数量，流量减少时自动减少实例。这种自动扩展帮助应用高效并稳定运行。

4. 容错处理：如果集群中的节点出现故障，Kubernetes 可以自动重启失败的容器，在其他正常节点上重新部署，确保应用持续可用。

简而言之，Kubernetes 像是一个自动化的容器管理员，

Kubernetes 是一个容器管理系统（Kubernetes 是一个用于自动部署、扩展和管理容器化应用程序的开源平台）

它在一个集群上运行和管理容器化应用程序

意思是 Kubernetes 能够在多台服务器组成的网络（即集群）上，自动运行和管理用于封装和运行应用程序的容器）

那这到底意味着什么呢？

Kubernetes 的核心作用是自动化容器操作，包括部署、扩展、维护和运行多容器应用的生命周期管理

（Kubernetes 主要用来自动化处理与容器相关的任务，比如部署新的应用、调整应用规模或维护应用的运行状态，以确保应用的持续运行和高效性）

Basic things we can ask Kubernetes to do

我们可以要求 Kubernetes 执行的基本操作：

1. 使用镜像启动 5 个容器（这意味着 Kubernetes 将根据给定的 Docker 镜像，启动 5 个运行相同应用的容器实例）

   atseashop/api:v1.3

2. 在这些容器前放置一个内部负载均衡器（负载均衡器将接收到的请求分发给后面运行的多个容器，以提高处理效率和可用性）
3. 使用镜像 atseashop/webfront.3 启动 10 个容器（同样地，这表示 Kubernetes 将根据另一个指定的 Docker 镜像启动 10 个容器实例）

   atseashop/webfront:v1.3

4. 在这些容器前放置一个公共负载均衡器（与内部负载均衡器类似，但它面向的是外部流量，可以直接从互联网接收请求）

如果是黑色星期五（或圣诞节），流量激增，增长我们的集群并添加容器

（在流量大幅增加的特殊日子，Kubernetes 可以自动增加更多容器来处理额外的网络请求，以避免服务器过载）

       5.新版本发布！用新的镜像替换我的容器

atseashop/webfront:v1.4

（当应用有新版本时，Kubernetes 可以将旧的容器逐一替换为新版本的容器，确保应用更新不影响服务） 在升级过程中继续处理请求；一次更新一个容器（这意味着 Kubernetes 可以实施滚动更新，逐步替换旧容器，从而在更新过程中不中断服务）

Overview

下面是各个组件的介绍：

控制平面（Control Plane）

控制平面的职责是管理集群的整体状态，包括调度应用程序、维护应用程序的所需状态、扩展应用程序等。

• API Server (api): Kubernetes API服务器，作为集群内所有组件交互的枢纽。（这个组件允许用户和内部Kubernetes组件与集群交互，是所有资源配置活动的前端）
• Scheduler (sched): 调度器，负责分配任务到合适的节点上。（这个组件根据预定的资源使用等需求，为新创建的容器自动选择最合适的节点）
• Controller Manager (c-m): 控制器管理器，运行控制器进程。（这些控制器确保集群的状态与您定义的期望状态相匹配，如维护正确的容器数量）
• etcd: 高可用键值存储，用于所有集群数据。（它存储了整个集群的状态，可以被看作是集群的"数据库"）

节点（Nodes）

节点是运行容器化应用的服务器，是Kubernetes集群的工作负载承载者。

• Kubelet (kubelet): 每个节点上的代理，用于确保容器在Pod中运行。（这个组件管理节点上的容器生命周期，如启动、停止容器，它按照 API Server 的指示管理其节点上的容器）
• Kube-Proxy (k-proxy): 网络代理，维护节点上的网络规则。（这个组件维护和管理节点上的网络通讯，如负载均衡和网络流量的转发）

其他组件

• Cloud provider API: 这通常是与Kubernetes集群集成的云服务提供商的API，用于管理跨集群资源的扩展。（这个接口允许 Kubernetes 集群与云提供商的服务交互，如自动扩展硬件资源）

控制平面（Control plane）

控制平面负责整个集群的管理和协调。

• kube-apiserver: Kubernetes 集群的 API 服务器，是管理和操作集群的通信枢纽。（此组件允许用户和系统组件与 Kubernetes 集群进行交互，它处理和响应 API 请求以及更新 etcd 的状态数据）
• kube-scheduler: 负责调度 Pods 到适合的计算机节点上。（调度器选择最适合的节点以运行未分配的 Pod，基于资源需求、策略约束、亲和性规格等因素）
• kube-controller-manager: 运行控制器，这些控制器通过 API 服务器监视集群的共享状态，并进行必要的更改以将当前状态向期望状态移动。（这些控制器负责处理集群中的常规任务，如复制控制、作业跟踪和更多）
• etcd: 一个轻量级、分布式的键值存储，用于保存所有集群数据，即 Kubernetes 的“真实来源”（etcd 存储集群的状态和元数据，是整个集群中数据的中心存储位置）

计算机（Compute machines）

这里描述的是运行 Kubernetes Pods 和容器的节点。

• kubelet: 在集群中的每个节点上运行的代理，它确保容器都在 Pod 中正常运行。（kubelet 是节点级别的管理者，负责启动、停止和维护容器的应用状态）
• kube-proxy: 网络代理，运行在每个节点上，维护节点的网络规则。（kube-proxy 处理节点上的网络通信，例如负载均衡和流量转发）
• Container runtime: 负责运行容器的底层软件。（这是实际运行容器的软件，如 Docker、containerd）

持久存储（Persistent storage）

用于存储应用数据，确保数据在 Pod 重启和替换后依然可用。

容器注册表（Container registry）

存储容器镜像的位置，Kubernetes 可以从这里拉取镜像以部署新的容器或更新现有的容器。

基础设施类型（Underlying infrastructure）

显示 Kubernetes 可以部署在哪些类型的基础设施上：

• 物理（Physical）: 直接部署在物理硬件上。
• 虚拟（Virtual）: 部署在虚拟机上。
• 私有云（Private）: 在私有云环境中部署。
• 公共云（Public）: 在公共云提供商上部署。
• 混合云（Hybrid）: 结合使用私有云和公共云。