k8s简介、虚拟机快速搭建k8s集群、集群管理方式及K8S工作原理和组件介绍

1、k8s简介

1.1、部署方式的变迁

• 传统部署时代：
  • 在物理服务器上运行应用程序
  • 无法为应用程序定义资源边界
  • 导致资源分配问题

例如，如果在物理服务器上运行多个应用程序，则可能会出现一个应用程序占用大部分资源的情况， 结果可能导致其他应用程序的性能下降。 一种解决方案是在不同的物理服务器上运行每个应用程序，但是由于资源利用不足而无法扩展， 并且维护许多物理服务器的成本很高。

• 虚拟化部署时代：
  • 作为解决方案，引入了虚拟化
  • 虚拟化技术允许你在单个物理服务器的 CPU 上运行多个虚拟机（VM）
  • 虚拟化允许应用程序在 VM 之间隔离，并提供一定程度的安全
  • 一个应用程序的信息 不能被另一应用程序随意访问。
  • 虚拟化技术能够更好地利用物理服务器上的资源
  • 因为可轻松地添加或更新应用程序 ，所以可以实现更好的可伸缩性，降低硬件成本等等。
  • 每个 VM 是一台完整的计算机，在虚拟化硬件之上运行所有组件，包括其自己的操作系统。

缺点：虚拟层冗余导致的资源浪费与性能下降

• 容器部署时代：
  • 容器类似于 VM，但可以在应用程序之间共享操作系统（OS）。
  • 容器被认为是轻量级的。
  • 容器与 VM 类似，具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。
  • 由于它们与基础架构分离，因此可以跨云和 OS 发行版本进行移植。
  • 参照【Docker隔离原理- namespace 6项隔离（资源隔离）与 cgroups 8项资源限制（资源限制）】

裸金属：真正的物理服务器

容器优势：

• 敏捷性 敏捷应用程序的创建和部署：与使用 VM 镜像相比，提高了容器镜像创建的简便性和效率。
• 及时性 持续开发、集成和部署：通过快速简单的回滚（由于镜像不可变性），支持可靠且频繁的 容器镜像构建和部署。
• **解耦性：**关注开发与运维的分离：在构建/发布时创建应用程序容器镜像，而不是在部署时。 从而将应用程序与基础架构分离。
• 可观测性 可观察性不仅可以显示操作系统级别的信息和指标，还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
• 跨平台 跨开发、测试和生产的环境一致性：在便携式计算机上与在云中相同地运行。
• 可移植 跨云和操作系统发行版本的可移植性：可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地、 Google Kubernetes Engine 和其他任何地方运行。
• 简易性 以应用程序为中心的管理：提高抽象级别，从在虚拟硬件上运行 OS 到使用逻辑资源在 OS 上运行应用程序。
• 大分布式 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务：应用程序被分解成较小的独立部分， 并且可以动态部署和管理 - 而不是在一台大型单机上整体运行。
• 隔离性 资源隔离：可预测的应用程序性能。
• 高效性 资源利用：高效率和高密度

1.2、定义

Kubernetes 是一个可移植的、可扩展的开源平台，用于管理容器化的工作负载和服务，可促进声明式配置和自动化。 Kubernetes 拥有一个庞大且快速增长的生态系统。Kubernetes 的服务、支持和工具广泛可用。

1.3、Kubernetes提供的功能

• 服务发现和负载均衡
  Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址公开容器，如果进入容器的流量很大， Kubernetes 可以负载均衡并分配网络流量，从而使部署稳定。

• 存储编排
  Kubernetes 允许你自动挂载你选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等。

• 自动部署和回滚
  你可以使用 Kubernetes 描述已部署容器的所需状态，它可以以受控的速率将实际状态 更改为期望状态。例如，你可以自动化 Kubernetes 来为你的部署创建新容器， 删除现有容器并将它们的所有资源用于新容器。

• 自动完成装箱计算
  Kubernetes 允许你指定每个容器所需 CPU 和内存（RAM）。 当容器指定了资源请求时，Kubernetes 可以做出更好的决策来管理容器的资源。

• 自我修复
  Kubernetes 重新启动失败的容器、替换容器、杀死不响应用户定义的 运行状况检查的容器，并且在准备好服务之前不将其通告给客户端。

• 密钥与配置管理
  Kubernetes 允许你存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 ssh 密钥。 你可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应用程序配置，也无需在堆栈配置中暴露密钥

为了生产环境的容器化大规模应用编排，必须有一个自动化的框架或系统

2、虚拟机快速搭建k8s集群

2.1、虚拟机配置（centos7 2G内存2个处理器）

建议最小硬件配置：2核CPU、2G内存、20G硬盘 服务器最好可以访问

名称	IP
master	192.168.40.128
node01	192.168.40.129
node02	192.168.40.130

2.2、基础环境准备

为三台虚拟机设置主机名
hostnamectl set-hostname k8s-master / k8s-node01 / k8s-node02 ==> 三台主机分别设置主机名
hostnamectl status
echo “127.0.0.1 $(hostname)” >> /etc/hosts

关闭 selinux
sed -i ‘s/enforcing/disabled/’ /etc/selinux/config
setenforce 0

关闭 swap
swapoff -a
sed -ri ‘s/.swap./#&/’ /etc/fstab

将桥接的 IPv4 流量传递到 iptables 的链
修改 /etc/sysctl.conf
如果有配置，则修改
sed -i “s#^net.ipv4.ip_forward.#net.ipv4.ip_forward=1#g" /etc/sysctl.conf
sed -i "s#^net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables.#net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables=1#g” /etc/sysctl.conf
sed -i “s#^net.bridge.bridge-nf-call-iptables.#net.bridge.bridge-nf-call-iptables=1#g" /etc/sysctl.conf
sed -i "s#^net.ipv6.conf.all.disable_ipv6.#net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=1#g” /etc/sysctl.conf
sed -i “s#^net.ipv6.conf.default.disable_ipv6.#net.ipv6.conf.default.disable_ipv6=1#g" /etc/sysctl.conf
sed -i "s#^net.ipv6.conf.lo.disable_ipv6.#net.ipv6.conf.lo.disable_ipv6=1#g” /etc/sysctl.conf
sed -i “s#^net.ipv6.conf.all.forwarding.*#net.ipv6.conf.all.forwarding=1#g” /etc/sysctl.conf
可能没有，追加
echo “net.ipv4.ip_forward = 1” >> /etc/sysctl.conf
echo “net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1” >> /etc/sysctl.conf
echo “net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1” >> /etc/sysctl.conf
echo “net.ipv6.conf.all.disable_ipv6 = 1” >> /etc/sysctl.conf
echo “net.ipv6.conf.default.disable_ipv6 = 1” >> /etc/sysctl.conf
echo “net.ipv6.conf.lo.disable_ipv6 = 1” >> /etc/sysctl.conf
echo “net.ipv6.conf.all.forwarding = 1” >> /etc/sysctl.conf
执行命令以应用
sysctl -p

2.3、docker安装（易踩坑）

# 1.卸载旧的版本
sudo yum remove docker \
                  docker-client \
                  docker-client-latest \
                  docker-common \
                  docker-latest \
                  docker-latest-logrotate \
                  docker-logrotate \
                  docker-engine
# 2.安装基本的安装包
sudo yum install -y yum-utils
# 3.设置镜像仓库
sudo yum-config-manager \
    --add-repo \
    https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo # 阿里云镜像
# 更像软件包索引  
yum makecache fast  
# 4.安装docker引擎
yum install docker-ce docker-ce-cli containerd.io  # docker-ce 社区版 ee 企业版
# 5.启动Docker
systemctl enable docker && systemctl start docker  # 代表启动成功
# 6.测试docker可以docker的常用命令
docker version
docker images
docker ps
# 7.配置镜像加速
#配置docker加速
cat > /etc/docker/daemon.json << EOF
{
  "registry-mirrors": ["https://b9pmyelo.mirror.aliyuncs.com"],"exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"]
}
EOF
# 重启docker
systemctl restart docker
# 查看docker信息
docker info

2.4、安装k8s组件

配置软件源

cat > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo << EOF
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=0
repo_gpgcheck=0
gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg
EOF

安装指定版本并启动

yum install -y kubelet-1.23.0 kubeadm-1.23.0 kubectl-1.23.0
systemctl enable kubelet && systemctl start kubelet

2.5、master节点部署

192.168.40.128换成自己主节点的IP地址

kubeadm init \
 --apiserver-advertise-address=192.168.40.128 \
 --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
 --kubernetes-version v1.23.0 \
 --service-cidr=10.96.0.0/12 \
 --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 \
 --ignore-preflight-errors=all

######按照提示继续######
## init完成后第一步：复制相关文件夹
## To start using your cluster,you need to run the following as a regular user:
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
## 导出环境变量
## Alternatively,if you are the root user,you can run:
export KUBECONFIG=/etc/kubernetes/admin.conf

2.6、部署网络插件

kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml

2.7、2台node节点的虚机加入主节点

##在两台node节点虚拟机上执行master节点kubeadm init 后生成的join代码
kubeadm join 192.168.40.128:6443 --token ixvxxd.oamu833eimbkvwt6 --discovery-token-ca-cert-hash sha256:fb6c95e8999315d12267287162973c08e319c731ac5f706d22199b2dfe08b8c2 
**建议先重启node上的kubeadm**
kubeadm reset

## 过期怎么办
kubeadm token create --print-join-command
kubeadm token create --ttl 0 --print-join-command
kubeadm join --token y1eyw5.ylg568kvohfdsfco --discovery-token-ca-cert-hash sha256: 6c35e4f73f72afd89bf1c8c303ee55677d2cdb1342d67bb23c852aba2efc7c73

2.8、验证集群是否部署成功

#获取所有节点
kubectl get nodes

#给节点打标签
## k8s中万物皆对象。node:机器  Pod：应用容器
###加标签
kubectl label node k8s-02 node-role.kubernetes.io/worker=''
###去标签
kubectl label node k8s-02 node-role.kubernetes.io/worker-
## k8s集群，机器重启了会自动再加入集群，master重启了会自动再加入集群控制中心

2.9、设置ipvs模式

k8s整个集群为了访问通；默认是用iptables,性能下（kube-proxy在集群之间同步iptables的内容）

#1、查看默认kube-proxy 使用的模式
kubectl logs -n kube-system kube-proxy-28xv4
#2、需要修改 kube-proxy 的配置文件,修改mode 为ipvs。默认iptables，但是集群大了以后就很慢
kubectl edit cm kube-proxy -n kube-system
修改如下
   ipvs:
      excludeCIDRs: null
      minSyncPeriod: 0s
      scheduler: ""
      strictARP: false
      syncPeriod: 30s
    kind: KubeProxyConfiguration
    metricsBindAddress: 127.0.0.1:10249
    mode: "ipvs"
 ###修改了kube-proxy的配置，为了让重新生效，需要杀掉以前的Kube-proxy
 kubectl get pod -A|grep kube-proxy
 kubectl delete pod kube-proxy-pqgnt -n kube-system
### 修改完成后可以重启kube-proxy以生效

3、集群管理方式

3.1、分类方式

主从：
（1）主从同步/复制 （MYSQL 主 – MYSQL 从 => MYSQL就是典型的主从同步方式）
（2）主管理从 （K8S属于主管理从的方式）
分片 ：也叫数据集群
（1）每个机器上都一样
（2）每个机器都之存储一部分东西，所有机器上的数据加起来是完整的

3.2、master-node 架构

master 和 worker怎么交互
master决定worker里面都有什么
worker只是和master （API） 通信； 每一个节点自己干自己的活
程序员使用UI或者CLI操作k8s集群的master，就可以知道整个集群的状况

4、K8S工作原理和组件介绍

4.1、结构图

4.2、基本组件介绍

master节点（Control Plane【控制面板】）：master节点控制整个集群

master节点上有一些核心组件：

- Controller  Manager：控制管理器
- etcd：键值数据库（redis）【记账本，记事本】
- scheduler：调度器
- api server：api网关（所有的控制都需要通过api-server）

node节点（worker工作节点）：

- kubelet（监工）：每一个node节点上必须安装的组件。
- kube-proxy：代理,代理网络

4.3、部署一个应用在K8S底层的全流程

开发人员：调用CLI或者使用K8S页面管理工具告诉master，我们现在要部署一个tomcat应用

- 程序员的所有调用都先去master节点的网关api-server，这是matser的唯一入口（类似于mvc模式中的c层）
- 收到的请求先交给master的api-server，由api-server交给controller-mannager进行控制
- controller-mannager 进行 应用部署
- controller-mannager 会生成一次部署信息。 tomcat --image:tomcat6 --port 8080,但是真正不部署应用
- 部署信息被记录在etcd中
- scheduler调度器从etcd数据库中，拿到要部署的应用，开始调度，然后看哪个节点比较合适
- scheduler把算出来的调度信息再放到etcd中
- 每一个node节点的监控kubelet，随时和master保持联系的（给api-server发送请求不断获取最新数据），所有节点的kubelet就会从master
- 假设node2的kubelet最终收到了命令，要部署。
- kubelet就自己run一个应用在当前机器上，随时给master汇报当前应用的状态信息，分配ip
- node和master是通过master的api-server联系的
- 每一个机器上的kube-proxy能知道集群的所有网络，只要node访问别人或者别人访问node，node上的kube-proxy网络代理自动计算进行流量转发

下图和上图一样的，再理解一下

4.4、原理分解

4.4.1、主节点（master）

快速介绍：

• master也要装kubelet和kubeproxy
• 前端访问（UI\CLI）：
• kube-apiserver：
• scheduler:
• controller manager:
• etcd
• kubelet+kubeproxy每一个节点的必备+docker（容器运行时环境）

4.4.2、工作节点（node）

快速介绍：

• Pod：
  • docker run 启动的是一个container（容器），容器是docker的基本单位，一个应用是一个容器
  • kubelet run 启动的一个应用称为一个Pod；Pod是k8s的基本单位。
    • Pod是容器的一个再封装
    • 应用 => pod => docker的容器
    • 一个容器往往代表不了一个基本应用。博客（php+mysql合起来完成）
    • 准备一个Pod 可以包含多个 container；一个Pod代表一个基本的应用。
    • IPod（看电影、听音乐、玩游戏）【一个基本产品，原子】
    • Pod（music container、movie container）【一个基本产品，原子的】
• Kubelet：监工，负责交互master的api-server以及当前机器的应用启停等，在master机器就是master的小助手。每一台机器真正干活的都是这个 Kubelet
• Kube-proxy：

4.5、组件交互原理

部署流程再说明

想让k8s部署一个tomcat？

0、开机默认所有节点的kubelet、master节点的scheduler（调度器）、controller-manager（控制管理器）一直监听master的api-server发来的事件变化（for ::）

1、程序员使用命令行工具： kubectl ； kubectl create deploy tomcat --image=tomcat8（告诉master让集群使用tomcat8镜像，部署一个tomcat应用）

2、kubectl命令行内容发给api-server，api-server保存此次创建信息到etcd

3、etcd给api-server上报事件，说刚才有人给我里面保存一个信息。（部署Tomcat[deploy]）

4、controller-manager监听到api-server的事件，是 （部署Tomcat[deploy]）

5、controller-manager 处理这个 （部署Tomcat[deploy]）的事件。controller-manager会生成Pod的部署信息【pod信息】

6、controller-manager 把Pod的信息交给api-server，再保存到etcd

7、etcd上报事件【pod信息】给api-server。

8、scheduler专门监听 【pod信息】 ，拿到 【pod信息】的内容，计算，看哪个节点合适部署这个Pod【pod调度过后的信息（node: node-02）】，

9、scheduler把 【pod调度过后的信息（node: node-02）】交给api-server保存给etcd

10、etcd上报事件【pod调度过后的信息（node: node-02）】，给api-server

11、其他节点的kubelet专门监听 【pod调度过后的信息（node: node-02）】 事件，集群所有节点kubelet从api-server就拿到了 【pod调度过后的信息（node: node-02）】 事件

12、每个节点的kubelet判断是否属于自己的事情；node-02的kubelet发现是他的事情

13、node-02的kubelet启动这个pod。汇报给master当前启动好的所有信息