我們看到容器技術(shù)只實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的打包分發(fā)，到運(yùn)維真正落地實(shí)施的時(shí)候仍然會(huì)遇到很多困難，所以就需要用容器編排技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題，而 Kubernetes 是這個(gè)領(lǐng)域的唯一霸主，已經(jīng)成為了“事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)”。
那么，Kubernetes 憑什么能擔(dān)當(dāng)這樣的領(lǐng)軍重任呢？難道僅僅因?yàn)樗怯?Google 主導(dǎo)開發(fā)的嗎？
我們一起來(lái)看看 Kubernetes 的內(nèi)部架構(gòu)和工作機(jī)制，了解它能夠傲視群雄的秘密所在。
Kubernetes 是一個(gè)生產(chǎn)級(jí)別的容器編排平臺(tái)和集群管理系統(tǒng)，能夠創(chuàng)建、調(diào)度容器，監(jiān)控、管理服務(wù)器。
容器是什么？容器是軟件，是應(yīng)用，是進(jìn)程。
服務(wù)器是什么？服務(wù)器是硬件，是 CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡。
那么，既可以管理軟件，也可以管理硬件，這樣的東西應(yīng)該是什么？
你也許會(huì)脫口而出：這就是一個(gè)操作系統(tǒng)（Operating System）！
沒(méi)錯(cuò)，從某種角度來(lái)看，Kubernetes 可以說(shuō)是一個(gè)集群級(jí)別的操作系統(tǒng)，主要功能就是資源管理和作業(yè)調(diào)度。
但 Kubernetes 不是運(yùn)行在單機(jī)上管理單臺(tái)計(jì)算資源和進(jìn)程，而是運(yùn)行在多臺(tái)服務(wù)器上管理幾百幾千臺(tái)的計(jì)算資源，以及在這些資源上運(yùn)行的上萬(wàn)上百萬(wàn)的進(jìn)程，規(guī)模要大得多。
操作系統(tǒng)的一個(gè)重要功能就是抽象，從繁瑣的底層事務(wù)中抽象出一些簡(jiǎn)潔的概念，然后基于這些概念去管理系統(tǒng)資源。
Kubernetes 也是這樣，它的管理目標(biāo)是大規(guī)模的集群和應(yīng)用，必須要能夠把系統(tǒng)抽象到足夠高的層次，分解出一些松耦合的對(duì)象，才能簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，減輕用戶的心智負(fù)擔(dān)。
所以，Kubernetes 扮演的角色就如同一個(gè)“大師級(jí)別”的系統(tǒng)管理員，具有豐富的集群運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，獨(dú)創(chuàng)了自己的一套工作方式，不需要太多的外部干預(yù)，就能夠自主實(shí)現(xiàn)原先許多復(fù)雜的管理工作。
Kubernetes 采用了現(xiàn)今流行的“控制面 / 數(shù)據(jù)面”（Control Plane / Data Plane）架構(gòu)，集群里的計(jì)算機(jī)被稱為“節(jié)點(diǎn)”（Node），可以是實(shí)機(jī)也可以是虛機(jī)，少量的節(jié)點(diǎn)用作控制面來(lái)執(zhí)行集群的管理維護(hù)工作，其他的大部分節(jié)點(diǎn)都被劃歸數(shù)據(jù)面，用來(lái)跑業(yè)務(wù)應(yīng)用。
控制面的節(jié)點(diǎn)在 Kubernetes 里叫做 Master Node，一般簡(jiǎn)稱為 Master，它是整個(gè)集群里最重要的部分，可以說(shuō)是 Kubernetes 的大腦和心臟。
數(shù)據(jù)面的節(jié)點(diǎn)叫做 Worker Node，一般就簡(jiǎn)稱為 Worker 或者 Node，相當(dāng)于 Kubernetes 的手和腳，在 Master 的指揮下干活。
Node 的數(shù)量非常多，構(gòu)成了一個(gè)資源池，Kubernetes 就在這個(gè)池里分配資源，調(diào)度應(yīng)用。因?yàn)橘Y源被“池化”了，所以管理也就變得比較簡(jiǎn)單，可以在集群中任意添加或者刪除節(jié)點(diǎn)。
在這張架構(gòu)圖里，我們還可以看到有一個(gè) kubectl，它就是 Kubernetes 的客戶端工具，用來(lái)操作 Kubernetes，但它位于集群之外，理論上不屬于集群。
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Kubernetes 的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部也具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是由很多的模塊構(gòu)成的，這些模塊又可以分成組件（Component）和插件（Addon）兩類。
組件實(shí)現(xiàn)了 Kubernetes 的核心功能特性，沒(méi)有這些組件 Kubernetes 就無(wú)法啟動(dòng)，而插件則是 Kubernetes 的一些附加功能，屬于“錦上添花”，不安裝也不會(huì)影響 Kubernetes 的正常運(yùn)行。
先來(lái)講講 Master 和 Node 里的組件，然后再捎帶提一下插件，理解了它們的工作流程，你就會(huì)明白為什么 Kubernetes 有如此強(qiáng)大的自動(dòng)化運(yùn)維能力。
Master 里的組件有哪些？
Master 里有 4 個(gè)組件，分別是 apiserver、etcd、scheduler、controller-manager。
apiserver 是 Master 節(jié)點(diǎn)——同時(shí)也是整個(gè) Kubernetes 系統(tǒng)的唯一入口，它對(duì)外公開了一系列的 RESTful API，并且加上了驗(yàn)證、授權(quán)等功能，所有其他組件都只能和它直接通信，可以說(shuō)是 Kubernetes 里的聯(lián)絡(luò)員。
etcd 是一個(gè)高可用的分布式 Key-Value 數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)持久化存儲(chǔ)系統(tǒng)里的各種資源對(duì)象和狀態(tài)，相當(dāng)于 Kubernetes 里的配置管理員。注意它只與 apiserver 有直接聯(lián)系，也就是說(shuō)任何其他組件想要讀寫 etcd 里的數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過(guò) apiserver。
scheduler 負(fù)責(zé)容器的編排工作，檢查節(jié)點(diǎn)的資源狀態(tài)，把 Pod 調(diào)度到最適合的節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，相當(dāng)于部署人員。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)狀態(tài)和 Pod 信息都存儲(chǔ)在 etcd 里，所以 scheduler 必須通過(guò) apiserver 才能獲得。
controller-manager 負(fù)責(zé)維護(hù)容器和節(jié)點(diǎn)等資源的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、服務(wù)遷移、應(yīng)用伸縮等功能，相當(dāng)于監(jiān)控運(yùn)維人員。同樣地，它也必須通過(guò) apiserver 獲得存儲(chǔ)在 etcd 里的信息，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)資源的各種操作。
這 4 個(gè)組件也可以容器化了，運(yùn)行在集群的 Pod 里，我們可以用 kubectl 來(lái)查看它們的狀態(tài)。
Node 里的組件有哪些？
Master 里的 apiserver、scheduler 等組件需要獲取節(jié)點(diǎn)的各種信息才能夠作出管理決策，那這些信息該怎么來(lái)呢？
這就需要 Node 里的 3 個(gè)組件了，分別是 kubelet、kube-proxy、container-runtime。
kubelet 是 Node 的代理，負(fù)責(zé)管理 Node 相關(guān)的絕大部分操作，Node 上只有它能夠與 apiserver 通信，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)報(bào)告、命令下發(fā)、啟停容器等功能，相當(dāng)于是 Node 上的一個(gè)“小管家”。
kube-proxy 的作用有點(diǎn)特別，它是 Node 的網(wǎng)絡(luò)代理，只負(fù)責(zé)管理容器的網(wǎng)絡(luò)通信，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是為 Pod 轉(zhuǎn)發(fā) TCP/UDP 數(shù)據(jù)包，相當(dāng)于是專職的“小郵差”。
第三個(gè)組件 container-runtime 我們就比較熟悉了，它是容器和鏡像的實(shí)際使用者，在 kubelet 的指揮下創(chuàng)建容器，管理 Pod 的生命周期，是真正干活的“苦力”。
我們一定要注意，因?yàn)?Kubernetes 的定位是容器編排平臺(tái)，所以它沒(méi)有限定 container-runtime 必須是 Docker，完全可以替換成任何符合標(biāo)準(zhǔn)的其他容器運(yùn)行時(shí)，例如 containerd、CRI-O 等等，只不過(guò)在這里我們使用的是 Docker。
這 3 個(gè)組件中只有 kube-proxy 被容器化了，而 kubelet 因?yàn)楸仨氁芾碚麄€(gè)節(jié)點(diǎn)，容器化會(huì)限制它的能力，所以它必須在 container-runtime 之外運(yùn)行。
現(xiàn)在，我們?cè)侔?Node 里的組件和 Master 里的組件放在一起來(lái)看，就能夠明白 Kubernetes 的大致工作流程了：
每個(gè) Node 上的 kubelet 會(huì)定期向 apiserver 上報(bào)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，apiserver 再存到 etcd 里。
每個(gè) Node 上的 kube-proxy 實(shí)現(xiàn)了 TCP/UDP 反向代理，讓容器對(duì)外提供穩(wěn)定的服務(wù)。
scheduler 通過(guò) apiserver 得到當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，調(diào)度 Pod，然后 apiserver 下發(fā)命令給某個(gè) Node 的 kubelet，kubelet 調(diào)用 container-runtime 啟動(dòng)容器。
controller-manager 也通過(guò) apiserver 得到實(shí)時(shí)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，監(jiān)控可能的異常情況，再使用相應(yīng)的手段去調(diào)節(jié)恢復(fù)。
其實(shí)，這和我們?cè)?Kubernetes 出現(xiàn)之前的操作流程也差不了多少，但 Kubernetes 的高明之處就在于把這些都抽象化規(guī)范化了。
于是，這些組件就好像是無(wú)數(shù)個(gè)不知疲倦的運(yùn)維工程師，把原先繁瑣低效的人力工作搬進(jìn)了高效的計(jì)算機(jī)里，就能夠隨時(shí)發(fā)現(xiàn)集群里的變化和異常，再互相協(xié)作，維護(hù)集群的健康狀態(tài)。
插件（Addons）有哪些？
只要服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行了 apiserver、scheduler、kubelet、kube-proxy、container-runtime 等組件，就可以說(shuō)是一個(gè)功能齊全的 Kubernetes 集群了。
不過(guò)就像 Linux 一樣，操作系統(tǒng)提供的基礎(chǔ)功能雖然“可用”，但想達(dá)到“好用”的程度，還是要再安裝一些附加功能，這在 Kubernetes 里就是插件（Addon）。
由于 Kubernetes 本身的設(shè)計(jì)非常靈活，所以就有大量的插件用來(lái)擴(kuò)展、增強(qiáng)它對(duì)應(yīng)用和集群的管理能力。
插件中我個(gè)人認(rèn)為比較重要的有兩個(gè)：DNS 和 Dashboard。
DNS 你應(yīng)該比較熟悉吧，它在 Kubernetes 集群里實(shí)現(xiàn)了域名解析服務(wù)，能夠讓我們以域名而不是 IP 地址的方式來(lái)互相通信，是服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負(fù)載均衡的基礎(chǔ)。由于它對(duì)微服務(wù)、服務(wù)網(wǎng)格等架構(gòu)至關(guān)重要，所以基本上是 Kubernetes 的必備插件。
Dashboard 就是儀表盤，為 Kubernetes 提供了一個(gè)圖形化的操作界面，非常直觀友好，雖然大多數(shù) Kubernetes 工作都是使用命令行 kubectl，但有的時(shí)候在 Dashboard 上。
我們一起來(lái)研究了 Kubernetes 的內(nèi)部架構(gòu)和工作機(jī)制，可以看到它的功能非常完善，實(shí)現(xiàn)了大部分常見的運(yùn)維管理工作，而且是全自動(dòng)化的，能夠節(jié)約大量的人力成本。
由于 Kubernetes 的抽象程度比較高，有很多陌生的新術(shù)語(yǔ)，不太好理解，所以我畫了一張思維導(dǎo)圖，你可以對(duì)照著再加深理解。
最后小結(jié)一下今天的要點(diǎn)：
Kubernetes 能夠在集群級(jí)別管理應(yīng)用和服務(wù)器，可以認(rèn)為是一種集群操作系統(tǒng)。它使用“控制面 / 數(shù)據(jù)面”的基本架構(gòu)，Master 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)管理控制功能，Worker 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行具體業(yè)務(wù)。
Kubernetes 由很多模塊組成，可分為核心的組件和選配的插件兩類。
Master 里有 4 個(gè)組件，分別是 apiserver、etcd、scheduler、controller-manager。
Node 里有 3 個(gè)組件，分別是 kubelet、kube-proxy、container-runtime。
通常必備的插件有 DNS 和 Dashboard。
