Kubernetes平台概述-云栖社区-阿里云

本文讲的是Kubernetes平台概述【编者的话】《Kubernetes平台概述》是一篇介绍Kubernetes架构和关键设计原则的文章。

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Kubernetes是容器管理平台，运行企业级、云应用和web可扩展的IT负载。它是建立在谷歌奠定的15年运行容器化应用的经验基础上。这本电子书的目的是突出Kubernetes如何被早期使用者部署。它涉及到使用模式和生产环境使用Kubernetes的用户的关键部署场景。我们也会看到一些公司，如：华为、IBM、英特尔和Red Hat，他们努力推动Kubernetes前进。

容器编排的崛起

容器的概念已经存在了十多年。主流UNIX的操作系统（OS），如Solaris、FreeBSD和Linux内建支持容器，但Docker是真正面向开发和IT运维团队，使容器变成可管理和可访问。Docker已经演示容器可以驱动应用程序可扩展性和可移植性。开发人员和IT运维人员开始转向使用容器包装各种语言的代码和依赖关系。容器在DevOps流程中也发挥了至关重要的作用。他们已成为建设自动化和持续集成和持续部署（CI / CD）管道的一个组成部分。

对容器的兴趣导致了OCI格式的形成。业界也目睹了容器的各种实现，如标准的LXD，CoreOS的Rocket， Windows容器cri-o（已经被Kubernetes孵化器审查通过）， VMware集成容器的vSphere 。

虽然这些核心实现围绕单个容器生命周期，而典型的生产应用需要处理运行在跨主机上的容器的负载。处理跨主机和要求复杂结构的生产环境需要一些管理工具，一些流行的解决方案包括Docker Datacenter，Kubernetes和Mesosphere DC/OS。

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容器编排已经影响了传统PaaS平台的结构，它们将提供开放和有效的模式支持打包、部署、隔离、服务发现、扩容和滚动更新。最主流的PaaS解决方案已经拥抱容器，并有新的PaaS 建立在容器编排之上实现管理平台。客户可以选择部署，或面向IT运维，部署核心容器编排工具；或面向开发者，使用PaaS平台。
容器编排已经驱动企业和新兴的初创公司采用容器起重要作用。

Kubernetes架构

像大多数的分布式计算平台，一个Kubernetes集群包括至少一个主节点和多个计算节点。主节点暴露应用程序接口（API），调度部署和管理整个集群。

Node：每个节点都有一个容器运行时，如Docker或Rocket，以及与主节点通信的agent 。节点还运行日志、监视、服务发现和可选附加组件的其他组件。节点是Kubernetes集群的工作负荷节点，他们给应用提供计算，网络，存储资源。节点可能是云上的虚拟机或数据中心的裸机。

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Pod：Pod是一个或多个容器的集合。Pod是Kubernetes管理的核心单元，作为共享相同上下文和资源的容器的逻辑边界，分组进程。在运行时，pods可以通过创建副本扩容，确保部署始终运行所需数量的pods。
Replica sets：通过维护一组预定义的pods，提供所需的规模和可用性。单个pod或replica set能通过services暴露给内部或外部消费者。services通过特定的标准将一组Pods关联来实现对pods的发现。通过键值对的标签和选择器来关联pods，任何与标签匹配的新pod将自动被服务发现。

Kubernetes的对象信息（如pods，replica sets和services）提供给主节点。基于需求定义和资源使用情况，主节会在指定节点调度pod，该节点从容器镜像仓库中拉取镜像，并协调本地容器运行时启动容器。

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etcd：etcd是CoreOS开源分布式健值数据库，作为kubernetes集群所有组件的（single source of truth ） SSOT。主节点需要etcd获得节点状态、pods状态和容器状态参数信息。Kubernetes框架通过创建应用和底层架构的抽象层，达到模块化和可扩展。

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关键设计原则

Kubernetes的设计原则是可扩展性、可用性，安全将任务分发到可用的资源。本节将重点介绍一些Kubernetes的关键属性。

负载可扩展性

应用程序打包成微服务部署在Kubernetes上。这些微服务是由多个容器分组成pods。每个容器设计只执行一个任务。pod可以由无状态容器或状态容器组成。无状态的pod可以轻易按比例要求扩展或通过动态自动扩展。Kubernetes1.4支持平行pod自动扩展，即可以基于CPU自动扩展replication controller中pods数量。未来的版本将通过定义自动扩展原则，支持用户量度和阈值。

谷歌云托管Kubernetes运行支持集群自动扩展。当所有可用节点的pods扩展时，Kubernetes会协同底层基础设施向集群添加节点。

一个应用程序是微服务架构，以容器封装部署为pods，可以利用Kubernetes的极端的扩展功能。虽然这主要是适用于无状态的pods， Kubernetes通过pet sets增加支持持久化工作负载，如：NoSQL数据库与关系数据库管理系统（RDBMS）；同时扩展无状态的应用，如：Cassandra集群和MongoDB副本集。这种能力使弹性的、无状态的Web层和持久的、有状态的数据库共同运行在相同的基础设施上。

高可用

当代工作负载要求在基础设施和应用水平上的可用性。在扩展集群中，一切都容易失败，这使得生产负载的高可用性是严格必要的。更多的容器编排引擎和PaaS提供实现应用程序的可用性， Kubernetes设计用来解决基础设施和应用程序的可用性。

在应用方面，Kubernetes通过replica sets，replication controllers和pet sets确保应用程序的高可用。运维能定义在某个指定时间点的最小pods数。如果容器和pod因为错误崩溃，预设策略能回到预定的配置部署。有状态负载通过pet sets能被配置成高可用的。

对于基础设施的可用性，Kubernetes已经支持大范围的分布式文件系统的存储：如NFS和GlusterFS，块存储设备如Amazon EBS和谷歌计算引擎persistent disk，专业容器存储插件如：Flocker。通过增加一个可靠的可用的存储层，Kubernetes保证有状态的工作负载的高可用性。

Kubernetes集群的每个组件-etcd, API服务器,节点–可配置成高可用。通过负载均衡器和健康检查确保应用程序的高可用。

安全

Kubernetes的安全性可以通过多层次的配置。API接口通过传输层安全TLS，确保用户使用最安全的机制认证。Kubernetes集群有两类用户-服务账户直接由Kubernetes管理的，普通用户认为是由一个独立的服务管理。服务帐户由API服务器自动创建的Kubernetes API管理的。管理集群内运行的进程的每一个操作必须由已验证的用户启动；该机制确保集群的安全性。

部署Kubernetes集群内应用可以利用secret的概念来安全地访问数据。一个secret是Kubernetes对象，包含少量的敏感数据，如密码、令牌或密钥，从而减少意外的数据暴露的风险。用户名和密码以base64编码存储一个Kubernetes集群内。在运行时，pods通过安装的卷或环境变量访问secret。需要注意的是，secret对同一集群命名空间的所有用户都可用。

通过部署网络策略限制pods的网络流量。Kubernetes的网络策略是规范pods选择如何相互通信以及与其他网络的通信。这对于在多层部署中不暴露于其他应用程序的pods是非常有用的。

可兼容性

Kubernetes的设计在选择操作系统、Docker运行时，处理器架构，云平台和PaaS提供了选择的自由。

Kubernetes集群可以配置在主流Linux系统上，包括CentOS，CoreOS，Debian，Fedora，Red Hat Linux的Ubuntu。它可以部署运行在本地开发机；云平台，如AWS，Azure和谷歌云；基于KVM的虚拟环境，vSphere和libvirt；及裸机。用户可以启动Docker或rkt，未来新的容器运行时的容器。

通过federation，集群可以被混合匹配运行在跨多云提供商和私有部署。这将给容器化的工作负载带来混合云能力。客户可以无缝移动工作负载从一个部署目标转移到另一个部署目标。我们将在下一节讨论混合架构。

原文链接：Use Cases for Kubernetes（翻译：范彬）

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译者介绍：范彬，从事微服务、Docker和Kubernetes容器技术等方面的工作。可以关注译者的微信公众号：范范米饭。

原文发布时间为：2017-04-24

本文作者：范彬

本文来自云栖社区合作伙伴Dockerone.io，了解相关信息可以关注Dockerone.io。

原文标题：Kubernetes平台概述