Kubernetes系统架构简介

Together we will ensure that Kubernetes is a strong and open container management framework for any application and in any environment, whether in a private, public or hybrid cloud.

Urs Hölzle, Google

Kubernetes作为Docker生态圈中重要一员，是Google多年大规模容器管理技术的开源版本，是产线实践经验的最佳表现。如Urs Hölzle所说，无论是公有云还是私有云甚至混合云，Kubernetes将作为一个为任何应用，任何环境的容器管理框架无处不在。正因为如此， 目前受到各大巨头及初创公司的青睐，如Microsoft、VMWare、Red Hat、CoreOS、Mesos等，纷纷加入给Kubernetes贡献代码。随着Kubernetes社区及各大厂商的不断改进、发展，Kuberentes将成为容器管理领域的领导者。

接下来我们会用一系列文章逐一探索Kubernetes是什么、能做什么以及怎么做。

2. 什么是Kubernetes

Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统，其提供应用部署、维护、 扩展机制等功能，利用Kubernetes能方便地管理跨机器运行容器化的应用，其主要功能如下：

1) 使用Docker对应用程序包装(package)、实例化(instantiate)、运行(run)。

 

2) 以集群的方式运行、管理跨机器的容器。

3) 解决Docker跨机器容器之间的通讯问题。

4) Kubernetes的自我修复机制使得容器集群总是运行在用户期望的状态。

当前Kubernetes支持GCE、vShpere、CoreOS、OpenShift、Azure等平台，除此之外，也可以直接运行在物理机上。

接下来本文主要从以下几方面阐述Kubernetes：

1) Kubernetes的主要概念。

2) Kubernetes的构件，包括Master组件、Kubelet、Proxy的详细介绍。

3. Kubernetes主要概念 3.1. Pods

Pod是Kubernetes的基本操作单元，把相关的一个或多个容器构成一个Pod，通常Pod里的容器运行相同的应用。Pod包含的容器运行在同一个Minion(Host)上，看作一个统一管理单元，共享相同的volumes和network namespace/IP和Port空间。

3.2. Services

Services也是Kubernetes的基本操作单元，是真实应用服务的抽象，每一个服务后面都有很多对应的容器来支持，通过Proxy的port和服务selector决定服务请求传递给后端提供服务的容器，对外表现为一个单一访问接口，外部不需要了解后端如何运行，这给扩展或维护后端带来很大的好处。

3.3. Replication Controllers

Replication Controller确保任何时候Kubernetes集群中有指定数量的pod副本(replicas)在运行， 如果少于指定数量的pod副本(replicas)，Replication Controller会启动新的Container，反之会杀死多余的以保证数量不变。Replication Controller使用预先定义的pod模板创建pods，一旦创建成功，pod 模板和创建的pods没有任何关联，可以修改pod 模板而不会对已创建pods有任何影响，也可以直接更新通过Replication Controller创建的pods。对于利用pod 模板创建的pods，Replication Controller根据label selector来关联，通过修改pods的label可以删除对应的pods。Replication Controller主要有如下用法：

1) Rescheduling

如上所述，Replication Controller会确保Kubernetes集群中指定的pod副本(replicas)在运行， 即使在节点出错时。

2) Scaling

通过修改Replication Controller的副本(replicas)数量来水平扩展或者缩小运行的pods。

3) Rolling updates

Replication Controller的设计原则使得可以一个一个地替换pods来rolling updates服务。

4) Multiple release tracks

如果需要在系统中运行multiple release的服务，Replication Controller使用labels来区分multiple release tracks。

3.4. Labels

Labels是用于区分Pod、Service、Replication Controller的key/value键值对，Pod、Service、 Replication Controller可以有多个label，但是每个label的key只能对应一个value。Labels是Service和Replication Controller运行的基础，为了将访问Service的请求转发给后端提供服务的多个容器，正是通过标识容器的labels来选择正确的容器。同样，Replication Controller也使用labels来管理通过pod 模板创建的一组容器，这样Replication Controller可以更加容易，方便地管理多个容器，无论有多少容器。

4. Kubernetes构件

Kubenetes整体框架如下图3-1，主要包括kubecfg、Master API Server、Kubelet、Minion(Host)以及Proxy。

图3-1 Kubernetes High Level构件

4.1. Master

Master定义了Kubernetes 集群Master/API Server的主要声明，包括Pod Registry、Controller Registry、Service Registry、Endpoint Registry、Minion Registry、Binding Registry、RESTStorage以及Client, 是client(Kubecfg)调用Kubernetes API，管理Kubernetes主要构件Pods、Services、Minions、容器的入口。Master由API Server、Scheduler以及Registry等组成。从下图3-2可知Master的工作流主要分以下步骤：

1) Kubecfg将特定的请求，比如创建Pod，发送给Kubernetes Client。

2) Kubernetes Client将请求发送给API server。

3) API Server根据请求的类型，比如创建Pod时storage类型是pods，然后依此选择何种REST Storage API对请求作出处理。

4) REST Storage API对的请求作相应的处理。

5) 将处理的结果存入高可用键值存储系统Etcd中。

6) 在API Server响应Kubecfg的请求后，Scheduler会根据Kubernetes Client获取集群中运行Pod及Minion信息。

7) 依据从Kubernetes Client获取的信息，Scheduler将未分发的Pod分发到可用的Minion节点上。

下面是Master的主要构件的详细介绍：

图3-2 Master主要构件及工作流

3.1.1. Minion Registry