通過實體快速掌握k8s（Kubernetes）核心概念-有解無憂

容器技術是微服務技術的核心技術之一，并隨著微服務的流行而迅速成為主流，Docker是容器技術的先驅和奠基者，它出現之后迅速占領市場，幾乎成了容器的代名詞，但它在開始的時候并沒有很好地解決容器的集群問題，Kubernetes抓住了這個機遇，以容器編排者（Container Orchestration）的身份出現，對容器集群進行管理和調度，現在已經打敗了Docker成為了容器技術事實上的標準，當然K8s內部還是需要Docker的，但它的功能范圍被大大壓縮了，只是負責底層的容器引擎和鏡像（Docker Image）管理，成為了容器體系中不可缺少, 但沒有存在感的一部分，而絕大部分的對外介面都是由k8s來負責，

K8s核心物件：

相對于簡單易學的Docker來說，k8s系統龐雜而且概念眾多，同一個功能有很多不同方法來完成，讓你無所適從，學習起來要困難的多，對于普通碼農來講不需要建立完整的生產環境，只需要搭建一個本地開發環境，這時你只需要了解k8s的核心概念就夠了，這樣可以大大縮短學習時間，k8s的一切都是物件（Object），它的核心概念一共只有4個，Pod，部署（Deployment），服務（Service）和節點（Node），另外再加上一個容器鏡像（Docker Image），這個是Docker引擎的核心，掌握了這五個核心概念，就對容器技術有了基本了解，打下了扎實的基礎，

Windows安裝環境：

Windows10的Windows 10企業版, 專業版, 和教育版是可以支持直接安裝K8s的，但電腦是要支持Hyper-V的, 詳見這里，由于我的Windows是家庭版，只能先安裝虛擬機（VirtualBox），再在虛擬機上安裝k8s，我用的k8s是Minikube，是k8s的簡化版，另外還安裝了Vagrant（它是管理虛擬機的一個軟體）作為界面來管理VirtualBox，

容器鏡像（Docker Image）:

任何程式都在容器中運行，k8s支持多種容器，其中Docker是最流行的，容器鏡像（Docker Image）是一個以檔案形式存在的運行環境，它的里面是分層的，每一層都在上一層的基礎上不斷疊加新的功能，容器鏡像是由Dockerfile創建的，Dockerfile是一個檔案，里面包含一組已經定義好的Docker命令（與Linux命令比較相似），當運行Dockerfile時，里面的命令被依次執行，最后生成需要的容器鏡像，你再呼叫Docker命令（Docker run）運行容器鏡像來生成Docker容器，完成之后，應用程式就已經在容器里部署好了，這種方式能夠保證每次得到的環境都是一樣的，容器比虛擬機強的地方在于，它占用系統資源更少，生成時間更短，創建一個容器的耗時一般是秒級的，而虛擬機是分鐘級的，容器鏡像的創建效率取決于它的大小，一般來講容器鏡像越小，它的生成時間越短，
下面就是一個“nginx”的Dockerfile示例，

FROM alpine:3.2
EXPOSE 80 443
RUN apk add --update nginx && \
rm -rf /var/cache/apk/* && \
mkdir -p /tmp/nginx/client-body
COPY ./nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf
VOLUME ["/etc/nginx/sites-enabled", "/etc/nginx/certs", "/etc/nginx/conf.d"]
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

任何Dockerfile的第一句總是“FROM ，，，”，就是要創建一個Linux的運行環境，一般有以下幾種：

FROM ubuntu:18.04：按照Linux的具體版本來創建鏡像，這樣的Linux運行環境是比較完整的，鏡像的大小是百兆級別的，
FROM alpine:latest : alpine是一個精簡了的Linux運行環境，它的大小是十兆級別的，
FROM scratch : scratch是最小Linux運行環境，創建非常快，但它的問題是你不能通過shell登錄到容器內部，因此我一般不用它，

當用Vagrant管理虛擬機時，可以先用Vagrant命令啟動虛擬機，然后敲入vagrant ssh，進入虛擬機，系統顯示：

PS E:\app2\kub> vagrant ssh
Last login: Sat Sep 28 06:56:11 2019 from 10.0.2.2

然后鍵入“docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx”運行Nginx鏡像，"docker-nginx"是容器的名字，“--name”是名字的引數選項，“-p”表示埠映射，把虛擬機的“8001”埠映射到容器的“80”埠（Nginx的預設埠），“nginx”是鏡像的名字，如果本地沒有找到“Nginx”鏡像，系統會自動從Docker鏡像庫里下載Nginx鏡像到本地，然后再運行，這個鏡像有比較完整的Linux系統，因此檔案比較大（100M），但也可以炊訓著用，命令運行之后，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:~$ docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx

這時Nginx已經運行，但還沒有任何請求，控制臺沒有輸出，如果名字為“docker-nginx”的容器以前已經被運行，那么你需要洗掉原來的，再運行上面命令，可以先敲入“docker ps -a”找到所有運行過的容器，再敲入“docker rm 1ec2e3d63537”進行洗掉，其中“ 1ec2e3d63537”是容器ID.

切換到另一個虛擬機視窗，敲入curl localhost:8001，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:/usr/bin$ curl localhost:8001
...
<h1>Welcome to nginx!</h1>
...

這時就出現了Nginx的首頁，表示Docker容器中的Nginx已經正常運行，

換回原容器顯示視窗，這時有了請求，控制臺輸出Nginx日志，

vagrant@ubuntu-xenial:~$ docker run --name docker-nginx -p 8001:80 nginx
172.17.0.1 - - [28/Sep/2019:07:02:25 +0000] "GET / HTTP/1.1" 200 612 "-" "curl/7.47.0" "-"

這時已驗證Docker鏡像是好的，敲入“CTRL-C”退出，

Pod:

Pod是k8是的最基本概念，你可以把它看成是對容器（container）的一個封裝，用來管理容器，一個Pod里可以管理有一個或多個容器，但一般是一個，Pod里的所有容器都共享Pod的資源和網路，當一個Pod不能滿足用戶需求時，你可以把Pod作為復制的最小單元來復制出一個同樣的Pod來處理用戶請求，Pod支持多種容器，不過一般是用Docker，你可以用單獨的Pod組態檔創建Pod, 也可以把Pod的配置資訊放在其他的物件（例如Deployment）的組態檔里面，并與其他物件一起創建，后者更為常見，每一個Pod都有一個唯一的IP地址，Pod一旦生成就可以通過IP地址進行訪問，但一般不這么做，而是通過服務（Service）去間接地去訪問，下面就是Pod的組態檔，它的解釋放在后面的Deployment里面，

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  labels:
        app: nginx-app
spec:
  containers:
    - name: nginx-container
      image: nginx:latest
  restartPolicy: Never

Pod模板（Pod Templates）

Pod模板是嵌入在其他K8s物件（Object）中的Pod的配置說明，例如Replication Controllers, Jobs, 和DaemonSets. 這時，Pod不是單獨創建的，而是由其它物件來創建，其中最常用的是Deployment，

部署（Deployment）:

Deployment是比Pod更高一層的物件，它的主要作用是管理Pod集群，它里面可以有一個或多個Pod, 每一個Pod在功能上都是等同的，一般在Deployment里配置多個Pod以實作負載均衡和容錯，在配置Deployment時，你需要指定Pod拷貝的個數，Deployment會自動管理它里面的Pod，當某個Pod宕機時，Deployment能自動復制一個新的Pod并替換宕機的Pod，

下面就是Deployment的組態檔（nginx-deployment.yaml），在正方形灰框內（從template開始）的是嵌入在Deployment里的Pod的設定，灰框上面的是部署（Deployment）的設定，當你運行這個組態檔時，它會創建一個Deployment，同時也會創建嵌入在里面的Pod，這就是為什么我們一般不需要單獨的Pod的組態檔，因為已經把它嵌入在了Deployment里了，

file

鍵入“kubectl create -f nginx-deployment.yaml”來運行這個部署，顯示：

vagrant@ubuntu-xenial:~/dockerimages/kubernetes/nginx$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml
deployment.apps/nginx-deployment created

這時部署已經成功，現在就可以訪問它了，每個Pod都有自己的k8s集群內部IP地址，我們這時只能在K8s內部用IP地址進行訪問，鍵入下面命令查看Pod地址，里面有兩個“Nginx”Pod，因為Deployment里面是兩個Pod的集群，

vagrant@ubuntu-xenial:~/nginx$ kubectl get pods -o=custom-columns=NAME:.metadata.name,IP:.status.podIP
NAME                                IP
hello-minikube-856979d68c-74c65     172.17.0.3
nginx-deployment-77fff558d7-bhbbt   172.17.0.10
nginx-deployment-77fff558d7-v6zqw   172.17.0.9

打開另一個視窗，連入虛擬機，然后鍵入以下命令“kubectl exec -ti hello-minikube-856979d68c-74c65 -- /bin/sh”登錄到k8s集群內部，就能訪問Nginx了，這里“hello-minikube-856979d68c-74c65”是"Minikube"Pod的名字，“172.17.0.10”是其中一個Pod的內部IP地址，

vagrant@ubuntu-xenial:~$ kubectl exec -ti hello-minikube-856979d68c-74c65 -- /bin/sh
# curl 172.17.0.10

服務（Service）:

Service是最上層的k8s的物件，可以看成我們平常說的微服務，對服務來講最重要的就是服務注冊和發現，在k8s中，Service就是用來實作這個功能的，下面就是Service的組態檔（nginx-service.yaml），一般來說呼叫服務需要知道三個東西，IP地址，協議和埠，例如"http://10.0.2.1:80". 但我們不想用IP，而是用名字來尋址，這就需要DNS，DNS在k8s集群內部實作了基于服務名的尋址，下面是Service的組態檔，Service通過“selector”來與Pod進行系結，這里它把請求轉發給標簽“app”是“nginx-app”的Pod，“nodePort”給服務創建了一個外部可以訪問的埠，這樣在虛擬機上就可以直接訪問服務，而不必登錄到k8s集群里，

file

運行以下命令“kubectl create -f nginx-service.yaml”創建服務，

vagrant@ubuntu-xenial:~/$ kubectl create -f nginx-service.yaml
service/nginx-service created

服務創建完成之后，呼叫以下命令顯示當前的所有服務，現在就有了“nginx-service”服務，“80”是服務的內部埠，“30163”是服務的外部埠，

vagrant@ubuntu-xenial:~/$ kubectl get services
NAME            TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes      ClusterIP   10.96.0.1      <none>        443/TCP        35d
nginx-service   NodePort    10.109.7.249   <none>        80:30163/TCP   18s

因為已經通過“NodePort”對外開放了埠，現在不必登錄到k8s內部，在虛擬機上就可以訪問服務了. 你可以鍵入“localhost”

curl localhost:30163

Service 和Deployment的區別：

Deployment是用來管理集群的，與Pod系結，但你不能直接訪問Deployment，服務（Service）是為了方便用名字（而不是IP地址）訪問，但這也只是在集群內部，你可以登錄k8s集群內部，然后鍵入下面命令訪問服務，但在虛擬機上（k8s外面）就不行, 這時只能用IP地址，因為DNS只是在k8s內部才起作用，

# curl nginx-service

節點（Node）：

Node剛開始接觸時容易和Pod搞混，但它相當于虛擬機或物理機，而Pod相當于容器，所有的的Pod或容器都是部署在Node上面，Minikube只支持單Node，但你可以在它里面部署多個Pod，下面是Node示意圖，

file

圖片來源

k8s核心概念之間的關系：

物件間關系：

下面是k8s的一個簡單結構圖：

file

圖片來源

圖中每個菱形是一個Node，中間的Node是Master Node，其余三個是Worker Node，Master Node負責管理Worker Node， Worker Node是真正干活的Node，Master Node里有各種控制器，Deployment就是由控制器來管理的，它在中間的管理Node里，他里面有兩個部署，A和B，分別對應服務A和服務B，“服務A”部署在最下面的Node里，它里面只有一個Pod，“服務B”部署在上面的兩個Node里，左邊的Node只有一個Pod，右邊的Node有兩個Pod，這是一個有三個Pod的集群，當一個部署里有多個Pod時，一般是把它們部署在不同的Node上，這樣即使一個Node宕機，Deployment仍然可用，

物件系結：

下圖是介紹物件之間如何系結的關系圖，

file

圖片來源

每個物件都有多個標簽（Label），“app”就是一個用來標識Pod物件的標簽，圖里有兩個Pod，它們的“app”標簽的值分別為“A”和“B”，其中Pod “B”是集群，而Pod “A”不是，服務（Service）和部署（Deployment）都通過標簽選擇器（Label Selector）來系結與之匹配的Pod，

附錄：

你最好是已經安裝了k8s和Docker環境，那就可以依次運行本文中的示例，如果你沒有環境，新建一個也不難，如果你不愿意創建環境, k8s的官網有一個練習環境，可以直接用來運行命令，詳見這里

索引：

Kubernetes
Docker
Windows
Minikube
Kubernetes Basics

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