Kubernetes架构及核心部件

作者：不焦躁的程序员 2023-09-05 23:38:36

云计算 Kubernetes有哪些核心部件，架构图和流程图又是怎样的，kubectl和kubelet经常分不清，声明式API和命令式API又有什么区别，本文一一详说。

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Kubernetes有哪些核心部件，架构图和流程图又是怎样的，kubectl和kubelet经常分不清，声明式API和命令式API又有什么区别，本文一一详说。

1、Kubernetes集群概述

1.1、概述

Kubernetes 是一个容器编排平台，它使用共享网络将多个主机（物理服务器或虚拟机）构建成集群。分为 Master Node（主节点）和Worker Node（工作节点），Master负责管理整个集群，Worker 负责接收请求并以Pod（容器集合）形式运行工作负载。下图为Kubernetes 集群工作模式示意图。

Master是集群的网关和中枢，负责为客户端提供API接口调用、确保各资源对象不断地接近用户期望的状态、并以最优的方式调度Pod到指定Node，以及编排其他组件之间的通信等任务，它是客户端访问集群的唯一入口。生产环境通常部署多个Master，为了冗余和负载均衡。

Worker Node负责接收来自 Master 下发的指令并相应创建或销毁Pod 对象，以及路由、流量转发等任务。在生产环境中，随着微服务的增多或者业务应用的扩容，Worker会随之增多。

概括来说，Kubernetes将所有工作节点的资源（CPU、磁盘、内存、网络等）集合在一起形成了一台更加强大的“服务器”，通过Master上的API接口暴露集群的计算和存储接口，再由 Master通过调度算法将客户端请求的工作负载指派至特定的Node上，并且Master 会自动处理因Worker Node的添加、故障、或移除等变动对 Pod 的影响。

Kubernetes是构建在底层主机集群之上的“云原生应用操作系统”，而容器是运行在其上的进程。

Kubernetes 中每个对象都使用 “名称”作为其唯一标识符，出于名称的隔离和复用、资源隔离的目的，使用“Namespace” 作为作用域。

1.2、通过声明式API即可

在开发云原生应用时，主要使用声明式API，这种方式简单易用，程序员朋友可以更好地集中精力开发业务。

在运行应用时，用户只需要通过 API声明业务应用的最终状态（例如为 Nginx 应用运行 6个实例等），Kubernetes 便能完成后续的所有任务，包括应用本身的运行实例数量、路由策略、访问策略以及存储等。

以下为某个声明式yaml的示例，Kubernetes 也支持使用命令行工具 kubectl 提交请求。

apiVersion: v1
kind: Pod

metadata:
  name: busybox
  namespace: test
  labels:
    app: busybox

spec:
  containers:
    - name: busybox
      image: busybox

2、Kubernetes 集群架构

Kubernetes 属于Server-Client架构，Master  Node主要由API Server（kube-apiserver）、 Controller-Manager（Kube-controller-manager）和 Scheduler（kube-scheduler）这3个组件，以及一个用于存储集群状态的 etcd 存储服务组成，它们构成整个集群的控制平面；

而Worker Node则主要包含 kubelet、kube-proxy及容器运行时（以前Docker是常用的实现）3个组件，它们承载运行各类应用容器。各组件如下图所示：

2.1、Master 组件

Master是集群的大脑，它维护了Kubernetes 的所有对象记录，负责管理对象状态、并响应集群中各种资源对象的管理操作，以及确保各资源对象的 实际状态 与 所需状态 相匹配。控制平面各组件及其主要功能如下：

2.1.1、API Server

API Server 是Kubernetes 控制平面的前端，支持不同类型应用的生命周期编排，包括部署、缩放和滚动更新等。它还是整个集群的网关接口，用于接收、校验以及响应所有的REST请求，并将结果状态存储到（etcd）中。

2.1.2、集群状态存储

Kubernetes集群的所有状态信息都需要存储于etcd 中。etcd 是分布式键值存储，可用于服务发现、共享配置以及一致性保障 （如数据库主节点选择、分布式等）。

etcd还为其存储的数据提供了监听 （warch）机制，用于监听和推送变更。API Server是Kubernetes集群中唯一能够与etcd通信的组件，它封装了这种监听机制，并借此同其他各组件高效协同。这一点类似于多个应用服务器借助zookeeper协同。

2.1.3、控制器管理器

控制器负责实现客户端通过 API Server 提交的请求，它驱动API 对象的当前状态逼近期望状态。Kubernetes 提供了驱动 Node、Pod 、 Server、Endpoint、ServiceAccount 和 Token 等数十种类型对象的控制器。

2.1.4、调度器

Kubernetes 系统上的调度是指为 API Server 接收到的每一个Pod 创建请求，并在集群中为其匹配出一个最佳工作节点。kube-scheduler 是默认调度器程序，它调度时的考量因素包括：硬件、软件与策略约束、亲和与反亲和、污点等特征。

2.2、Worker Node 组件

Worker Node 组件是集群的体力劳动者，为了保证有足够的资源运行成百上千个容器化应用，一个集群通常会有多个 Worker Node 。每个Node 会定期向 Master 报告自身的状态变动，并接受 Master 的管理。

2.2.1、kubelet

kubelet 是 Kubernetes 中最重要的组件之一，是运行于每个 Node之上的“节点代理”服务，负责接收并执行 Master 发来的指令，以及管理当前 Node 上 Pod 对象的容器等任务。它支持从 API Server 接收 Pod 资源定义，并通过 容器运行时 去创建、启动和监视容器。

kubelet 会持续监视当前节点上各Pod 的健康状态，并在任何 Pod 出现问题时将其重建。同时也会及时跟Master通信，将自身情况上报于Master。

2.2.2、容器运行时环境

Pod 是一组容器集合，真正负责运行容器的是底层的 容器运行时 。kubelet 通过 CRI(容器运行时接口）可支持多种类型的 OCI 容器运行时，例如 docker、containerd、CRI-O、runC、Kata等。

2.2.3、kube-proxy

kube-proxy 是需要运行于集群中每个节点之上的服务进程，它把 API Server 上的Service 资源对象转换为当前节点上的 iptables 或（与）ipvs 规则，这些规则 能够将那些 发往Service 对象 ClusterIP 的流量 分发至它后端的 Pod 端点之上。

kube-proxy是 Kubernetes的核心网络组件，它本质上更像是Pod 的代理及负载均衡器，负责确保集群中 Node、Service 和Pod 对象之间的通信。

2.3、图解架构

如上图所示：

• 开发/运维人员可以通过kubectl命令，或者使用由Kubernetes提供的客户端SDK，调用apiserver提供的接口。
• 调用apiserver接口后，Kubernetes将资源定义信息存入到etcd数据库，资源定义信息就是期望状态。
• 收到定义信息后，controller-manager会努力将期望状态变为实际状态，并且会把实际状态写入到etcd数据库中。
• 如果定义信息没有被scheduler模块调度，那么实际状态就是待调度，当scheduler把pod调度到用户指定的节点时，这时实际状态则就是真实的Pod运行状态了。
• 当scheduler把 “pod应该调度到哪个节点” 的信息写入到etcd数据库时，这时节点上的kubelet会利用list-watch机制收到这个信息，然后kubelet根据收到的信息运行pod的定义信息，并且把pod运行起来。
• 每个节点上都会有kube-proxy服务，包括master节点，利用kube-proxy模块，可以作为集群的流量入口。
• 每个节点必须安装好容器运行时（比如docker、containerd），因为最终把容器进程跑起来的还是要靠 容器运行时 。

3、核心扩展部件

常用的核心扩展部件包括如下几个：

3.1、网络插件

网络插件是必要部件，常用的有Flannel、Calico等。我主要使用Calico ，云厂商一般是结合VPC有自己的一套实现。

3.2、CoreDNS

Kubernetes使用DNS应用程序实现名称解析和服务发现功能，它自1.11 版本起默认使用 CoreDNS。之前的版本中用到的是kube-dns。

3.3、Dashboard

一套WebUI，用于可视化 Kubernetes集群。Dashboard可用于获取集群中资源对象的详细信息，例如集群中的 Node、Namespace、 Volume、ClusterRole 和Job 等，也可以创建或者修改这些资源对象。

3.4、容器资源监控系统

监控系统是分布式应用的重要基础设施，Kubernetes常用的指标监控部件有Metrics-Server、Prometheus 等。

3.5、集群日志系统

日志系统是构建可观测分布式应用的基础设施，有助于帮助开发人员发现和定位问题。Kubernetes 常用的日志系统是由ElasticSearch、Fluentd 和 Kibana（EFK） 组合提供的解决方案，或者使用ELK等方案。

3.6、Ingress Controller

Ingress资源是 Kubernetes 将集群外部 HTTP流量引入到集群内部的资源类型，它仅用于控制流量的规则和配置的集合，它不能进行“流量穿透”，要通过Ingress控制器发挥作用。常用的Ingress控制器有Nginx等。

在以上这些附件中，CoreDNS、监控系统、日志系统和 Ingress 控制器，这种基础支撑类服务一般安装在集群内部。而Dashboard是提高用户效率和体验的可视化工具，一般在集群外部独立安装。

4、小小疑问

4.1、声明式API和命令式API

一个注重结果，一个注重过程。

声明式（declarative）编程：着重于最终结果，如何达成结果则要依赖于给定语言的基础组件能力，程序员只需要指定做什么而非如何去做；声明式编程常用于数据库和配置管理软件中，关系型数据库的SQL语言便是最典型的代表之一。

命令式（imperative）编程：称为过程式编程更合适，它需要由程序员指定做事情的具体步骤，更注重如何达成结果的过程。

4.2、区分kubectl和kubelet

初学者经常分不清kubectl和kubelet的区别，通过上文可以知道：

kubectl是一个Kubernetes轻量级的客户端，用于调用Api-Server的接口，一般安装在Master节点。

kubelet是安装在每个Node节点上的代理，用于与Master高效通信，以及完成Master下发的任务、以及上报任务和自身的情况。

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