閒談 Kubernetes 的主要特性和經驗

主要介紹 Kubernetes 的主要特性和一些經驗。先從整體上看一下Kubernetes的一些理念和基本架構， 然後從網路、 資源管理、儲存、服務發現、負載均衡、高可用、rolling upgrade、安全、監控等方面向大家簡單介紹Kubernetes的這些主要特性。

我們先從整體上看一下Kubernetes的一些理念和基本架構， 然後從網路、 資源管理、儲存、服務發現、負載均衡、高可用、rolling upgrade、安全、監控等方面向大家簡單介紹Kubernetes的這些主要特性。

當然也會包括一些需要注意的問題。主要目的是幫助大家快速理解 Kubernetes的主要功能，今後在研究和使用這個具的時候有所參考和幫助。

1.Kubernetes的一些理念：

• 使用者不需要關心需要多少臺機器，只需要關心軟體（服務）執行所需的環境。以服務為中心，你需要關心的是api，如何把大服務拆分成小服務，如何使用api去整合它們。
• 保證系統總是按照使用者指定的狀態去執行。
• 不僅僅提給你供容器服務，同樣提供一種軟體系統升級的方式；在保持HA的前提下去升級系統是很多使用者最想要的功能，也是最難實現的。
• 那些需要擔心和不需要擔心的事情。
  
• 更好的支援微服務理念，劃分、細分服務之間的邊界，比如lablel、pod等概念的引入。

對於Kubernetes的架構，可以參考官方文件。

大致由一些主要元件構成，包括Master節點上的kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager、控制元件kubectl、狀態儲存etcd、Slave節點上的kubelet、kube-proxy，以及底層的網路支援（可以用Flannel、OpenVSwitch、Weave等）。

看上去也是微服務的架構設計，不過目前還不能很好支援單個服務的橫向伸縮，但這個會在 Kubernetes 的未來版本中解決。

2.Kubernetes的主要特性

會從網路、服務發現、負載均衡、資源管理、高可用、儲存、安全、監控等方面向大家簡單介紹Kubernetes的這些主要特性 -> 由於時間有限，只能簡單一些了。

另外，對於服務發現、高可用和監控的一些更詳細的介紹，感興趣的朋友可以通過這篇文章瞭解。

1）網路

Kubernetes的網路方式主要解決以下幾個問題：

a. 緊耦合的容器之間通訊，通過 Pod 和 localhost 訪問解決。
b. Pod之間通訊，建立通訊子網，比如隧道、路由，Flannel、Open vSwitch、Weave。
c. Pod和Service，以及外部系統和Service的通訊，引入Service解決。

Kubernetes的網路會給每個Pod分配一個IP地址，不需要在Pod之間建立連結，也基本不需要去處理容器和主機之間的埠對映。

注意：Pod重建後，IP會被重新分配，所以內網通訊不要依賴Pod IP；通過Service環境變數或者DNS解決。

2） 服務發現及負載均衡

kube-proxy和DNS， 在v1之前，Service含有欄位portalip 和publicIPs， 分別指定了服務的虛擬ip和服務的出口機ip，publicIPs可任意指定成叢集中任意包含kube-proxy的節點，可多個。portalIp 通過NAT的方式跳轉到container的內網地址。在v1版本中，publicIPS被約定廢除，標記為deprecatedPublicIPs，僅用作向後相容，portalIp也改為ClusterIp, 而在service port 定義列表裡，增加了nodePort項，即對應node上對映的服務埠。

DNS服務以addon的方式，需要安裝skydns和kube2dns。kube2dns會通過讀取Kubernetes API獲取服務的clusterIP和port資訊，同時以watch的方式檢查service的變動，及時收集變動資訊，並將對於的ip資訊提交給etcd存檔，而skydns通過etcd內的DNS記錄資訊，開啟53埠對外提供服務。大概的DNS的域名記錄是servicename.namespace.tenx.domain, “tenx.domain”是提前設定的主域名。

注意：kube-proxy 在叢集規模較大以後，可能會有訪問的效能問題，可以考慮用其他方式替換，比如HAProxy，直接導流到Service 的endpints 或者 Pods上。Kubernetes官方也在修復這個問題。

3）資源管理

有3 個層次的資源限制方式，分別在Container、Pod、Namespace 層次。Container層次主要利用容器本身的支援，比如Docker 對CPU、記憶體、磁碟、網路等的支援；Pod方面可以限制系統內建立Pod的資源範圍，比如最大或者最小的CPU、memory需求；Namespace層次就是對使用者級別的資源限額了，包括CPU、記憶體，還可以限定Pod、rc、service的數量。

資源管理模型 －》 簡單、通用、準確，並可擴充套件

目前的資源分配計算也相對簡單，沒有什麼資源搶佔之類的強大功能，通過每個節點上的資源總量、以及已經使用的各種資源加權和，來計算某個Pod優先非配到哪些節點，還沒有加入對節點實際可用資源的評估，需要自己的scheduler plugin來支援。其實kubelet已經可以拿到節點的資源，只要進行收集計算即可，相信Kubernetes的後續版本會有支援。

4）高可用

主要是指Master節點的 HA方式 官方推薦 利用etcd實現master 選舉，從多個Master中得到一個kube-apiserver 保證至少有一個master可用，實現high availability。對外以loadbalancer的方式提供入口。這種方式可以用作ha，但仍未成熟，據瞭解，未來會更新升級ha的功能。

一張圖幫助大家理解：

也就是在etcd叢集背景下，存在多個kube-apiserver，並用pod-master保證僅是主master可用。同時kube-sheduller和kube-controller-manager也存在多個，而且伴隨著kube-apiserver 同一時間只能有一套執行。

5） rolling upgrade

RC 在開始的設計就是讓rolling upgrade變的更容易，通過一個一個替換Pod來更新service，實現服務中斷時間的最小化。基本思路是建立一個複本為1的新的rc，並逐步減少老的rc的複本、增加新的rc的複本，在老的rc數量為0時將其刪除。

通過kubectl提供，可以指定更新的映象、替換pod的時間間隔，也可以rollback 當前正在執行的upgrade操作。

同樣， Kuberntes也支援多版本同時部署，並通過lable來進行區分，在service不變的情況下，調整支撐服務的Pod，測試、監控新Pod的工作情況。

6）儲存

大家都知道容器本身一般不會對資料進行持久化處理，在Kubernetes中，容器異常退出，kubelet也只是簡單的基於原有映象重啟一個新的容器。另外，如果我們在同一個Pod中執行多個容器，經常會需要在這些容器之間進行共享一些資料。Kuberenetes 的 Volume就是主要來解決上面兩個基礎問題的。

Docker 也有Volume的概念，但是相對簡單，而且目前的支援很有限，Kubernetes對Volume則有著清晰定義和廣泛的支援。其中最核心的理念：Volume只是一個目錄，並可以被在同一個Pod中的所有容器訪問。而這個目錄會是什麼樣，後端用什麼介質和裡面的內容則由使用的特定Volume型別決定。

建立一個帶Volume的Pod：

spec.volumes 指定這個Pod需要的volume資訊 spec.containers.volumeMounts 指定哪些container需要用到這個Volume Kubernetes對Volume的支援非常廣泛，有很多貢獻者為其新增不同的儲存支援，也反映出Kubernetes社群的活躍程度。

• emptyDir 隨Pod刪除，適用於臨時儲存、災難恢復、共享執行時資料，支援 RAM-backed filesystemhostPath 類似於Docker的本地Volume 用於訪問一些本地資源（比如本地Docker）。
• gcePersistentDisk GCE disk – 只有在 Google Cloud Engine 平臺上可用。
• awsElasticBlockStore 類似於GCE disk 節點必須是 AWS EC2的例項 nfs – 支援網路檔案系統。
• rbd – Rados Block Device – Ceph
• secret 用來通過Kubernetes API 向Pod 傳遞敏感資訊，使用 tmpfs （a RAM-backed filesystem）
• persistentVolumeClaim – 從抽象的PV中申請資源，而無需關心儲存的提供方
• glusterfs
• iscsi
• gitRepo

根據自己的需求選擇合適的儲存型別，反正支援的夠多，總用一款適合的

7）安全

一些主要原則：

1. 基礎設施模組應該通過API server交換資料、修改系統狀態，而且只有API server可以訪問後端儲存（etcd）。
2. 把使用者分為不同的角色：Developers/Project Admins/Administrators。
3. 允許Developers定義secrets 物件，並在pod啟動時關聯到相關容器。

以secret 為例，如果kubelet要去pull 私有映象，那麼Kubernetes支援以下方式：

1. 通過docker login 生成 .dockercfg 檔案，進行全域性授權。
2. 通過在每個namespace上建立使用者的secret物件，在建立Pod時指定 imagePullSecrets 屬性（也可以統一設定在serviceAcouunt 上），進行授權。

認證 （Authentication）
API server 支援證書、token、和基本資訊三種認證方式。

授權 （Authorization）
通過apiserver的安全埠，authorization會應用到所有http的請求上
AlwaysDeny、AlwaysAllow、ABAC三種模式，其他需求可以自己實現Authorizer介面。

8）監控

比較老的版本Kubernetes需要外接cadvisor主要功能是將node主機的container metrics抓取出來。在較新的版本里，cadvior功能被整合到了kubelet元件中，kubelet在與docker互動的同時，對外提供監控服務。

Kubernetes叢集範圍內的監控主要由kubelet、heapster和storage backend（如inFluxdb）構建。Heapster可以在叢集範圍獲取metrics和事件資料。它可以以pod的方式執行在k8s平臺裡，也可以單獨執行以standalone的方式。

注意： heapster目前未到1.0版本，對於小規模的叢集監控比較方便。但對於較大規模的叢集，heapster目前的cache方式會吃掉大量記憶體。因為要定時獲取整個叢集的容器資訊，資訊在記憶體的臨時儲存成為問題，再加上heaspter要支援api獲取臨時metrics，如果將heapster以pod方式執行，很容易出現OOM。所以目前建議關掉cache並以standalone的方式獨立出k8s平臺。

Q&A

問：kubelet本身也跑在pod裡嗎？
答：可以跑在容器裡，也可以跑在host上，可以嘗試hyperkube的整合工具。

問：roollback的具體機制是？
答：感覺應該通過lablel，再一個個替換已經升級的pod，不過還沒仔細研究過。

問：Mesos和Kubernetes到底有什麼區別？感覺有很多重合的地方。
答：Mesos和Kubernetes側重點不同，確實有一些重合的地方；mesos更擅長資源管理，支援上層framework，k8s原生為容器設計，更關注app相關的一些問題。

問：“比如用HAProxy，直接導流到service的endpoints或者Pods 上”，haproxy如何導流到Pod上，podIP不是不固定的嗎？
答：可以通過watch etcd或者api server的方式，監聽變化來更新haproxy；kubeproxy改用haproxy，只是external loadbalancer的方式；如果要替換，需要重新開發。

問：有沒有可以推薦的分散式Volume方案？你們使用起來效能如何？
答：分散式volume，可以嘗試rbd，效能的話就需要自己多多測試，不斷調優了；有使用者提到在使用moosefs做儲存，對glusterfs的支援也很多。

問：k8s的外掛規範嗎？還是直接硬改？
答：有些還是比較規範的，可以plugin方式；有些還需要後續版本的調整，否則要動原始碼了。

問： k8s 如何監聽docker 的事件，比如：在意外退出前，想丟擲一些額外的事件，通知lb如何做？
答：不確定這個是監聽docker的哪些事件，再pod，rc層面可以進行watch。

問： k8s如何設定各個pod的依賴和啟動順序？
答：目前沒看到很好的控制Pod的依賴和啟動順序的機制 可以在應用層面避免這些依賴和順序問題。

問：問一下k8s 叢集內部容器間網路這塊的解決方案有哪些，類似flannel這類方案的效能問題有什麼好的解決方案？
答：目前flannel有其他的替代方案，但flannel部署比較方便，貼近Kubernetes的整體工作模式；效能上，如果做聯機內網，總會有損耗，這個需要取捨了；有使用者反映，華為的測試結果說ovs比flannel好，但是自己沒有實際測試過；flannel的效能可以看coreos官網的blog，上面有測試報告。

問：先用容器做輕量級虛擬機器，容器間可以通過hsotname訪問，不知如何動手？
答：k8上的內網DNS（kube2dns + skydns） 應該可以滿足需求，可以嘗試一下。

問：有沒有好的監控工具？
答：可以參考DockOne上的另外一篇文章。