Kubernetes核心原理和搭建

1. 引言

在過去，我們在進行程序部署的時候，是直接將環(huán)境和程序統(tǒng)一配置部署到主機上，但是這樣做容易造成程序與程序之間的混淆，所以為了處理這種問題，我們可以搭建一臺不可變的虛擬機鏡像，將環(huán)境和程序配置部署到虛擬機鏡像中，但是虛擬機鏡像部署存在體量過于龐大并且不可移動的問題，所以容器技術(shù)應運而生，容器技術(shù)是基于操作系統(tǒng)級別的虛擬化技術(shù)，各個容器與宿主機是隔離的，各個容器之間也是是隔離的，它比虛擬機鏡像更容易搭建，并且可以很方便在不同的主機上移動。但是隨著分布式、集群等技術(shù)在實際應用中越來越多，在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，我們可能會涉及到多個容器，而這些容器可能會跨越多個服務器主機進行部署，所以一個基于容器技術(shù)的分布式架構(gòu)解決方案應用而生，它就是Kubernetes。

2. Kubernetes的概念

Kubernetes(k8s)是一個基于容器技術(shù)的的分布式架構(gòu)解決方案，是Google開源的容器集群管理系統(tǒng)，Google內(nèi)部稱為Borg,主要用于自動部署、擴展和管理容器化的應用程序，是以Docer為基礎的分布式系統(tǒng)架構(gòu)。 Kubernetes可以對分布式系統(tǒng)進行完美的支撐，它具備完善的集群控制能力，內(nèi)建有智能的負載均衡器，擁有強大的故障發(fā)現(xiàn)和自我修復能力。同時還針對開發(fā)、部署測試、運維監(jiān)控等提供了完善的管理工具。

Kubernetes的核心思想是：一切以服務為中心，根據(jù)這一核心思想，Kubernetes可以讓在其上構(gòu)建的系統(tǒng)獨立運行在物理機、虛擬機群或者云上，所以，Service(服務)是Kubernetes進行分布式集群構(gòu)建的核心，必須擁有如下關(guān)鍵特征：

擁有一個唯一指定的名稱。 擁有一個虛擬IP和端口。

能夠提供某種遠程服務能力。

可以被映射到提供這種遠程服務能力的一組容器應用上。


3. Kubernetes的術(shù)語

3.1 Master

Kubernetes的集群控制節(jié)點，負責整個集群的管理和控制，擁有一個etcd服務，用來保存所有資源對象的數(shù)據(jù)，我們執(zhí)行的所有控制命令會發(fā)給他，他負責具體的執(zhí)行過程，Master節(jié)點通常會獨占一個服務器，在其上會運行以上一組關(guān)鍵的進程：

Kubernetes API Server:提供Http Rest接口的關(guān)鍵服務進程，是Kubernetes中增、刪、改、查等操作的唯一入口，是集群控制的入口進程。

Kubernetes Controller Manager:Kubernetes中所有資源對象的自動化控制中心。

Kubernetes Scheduler:負責資源調(diào)度的進程。

3.2 Node

Kubernetes集群中的其他機器被稱為Node節(jié)點，Node節(jié)點可以是一臺物理主機，也可以是一臺虛擬機，每個Node節(jié)點會被Master節(jié)點分配一些負載，所以Node節(jié)點是Kubernetes集群中工作負載節(jié)點，當某個Node節(jié)點宕機時，工作負載會被Master自動轉(zhuǎn)移到其他節(jié)點。Node節(jié)點之上會運行一組關(guān)鍵進程：

kubelet:負責Pod對應容器的創(chuàng)建，啟動、停止等任務。

kube-proxy:實現(xiàn)Kubernetes Service通訊與負載均衡機制的重要組件。

Docker Engine:Docker引擎，負責容器的創(chuàng)建和管理

3.3 Pod

Pod是Kurbernetes進行創(chuàng)建、調(diào)度和管理的最小單位，Pod運行在Node節(jié)點之上，其中包含多個業(yè)務容器，這些業(yè)務容器之間共享網(wǎng)絡命名空間、Ip地址、端口，可以通過localhost進行通訊。Pod有兩種類型：普通Pod和靜態(tài)Pod。

3.4 Replication Controller

Kurbernetes用來管理和保證集群中擁有的Pod。

4. Kubernetes的架構(gòu)

Kubernetes的一切都是基于分布式的，下面這張圖就是Kubernetes的架構(gòu)圖

通過這張架構(gòu)圖我們發(fā)現(xiàn)Kurbernetes主要由以下幾個核心組件組成：

·Etcd：保存整個集群的狀態(tài)。

·API Server：提供認證、授權(quán)、訪問控制、API注冊和發(fā)現(xiàn)等機制，是資源操作的唯一入口。

·Kurbernetes Controller：負責維護集群的狀態(tài)。

·Scheduler：負責資源的調(diào)度。

·kubelet：負責維護容器的生命周期，同時管理Volume和網(wǎng)絡。

·Container：負責鏡像管理以及Pod和容器的真正運行。

·kube-proxy：負責為Service提供cluster內(nèi)部的服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡。

5. Kubernetes的搭建

5.1 準備工作

因為Kubernetes的一切都是基于分布式的，那么，要想搭建Kubernetes就需要準備多臺服務器主機，因為條件有限，這里我采用搭建多臺虛擬機系統(tǒng)的方式進行，所以需要將虛擬機和鏡像系統(tǒng)準備好。

虛擬機：這里的虛擬機我采用的是VMware,當然也可以采用VirtualBox，VMware下載地址如下：
https://www.vmware.com/cn.html

鏡像系統(tǒng)：虛擬機的鏡像系統(tǒng)我采用的是：CentOS-7-x86_64-DVD-1810，下載地址如下：

http://mirrors.zju.edu.cn/centos/7.6.1810/isos/x86_64/CentOS-7-x86_64-DVD-1810.iso

5.2 虛擬機環(huán)境搭建

我們準備安裝三個虛擬機節(jié)點，一個為Kubernetes的Master節(jié)點，剩下兩個為Kubernetes的Node節(jié)點，這里我們只演示第一個安裝第一個節(jié)點，剩下的兩個節(jié)點，采用VMware復制鏡像的方式進行。

5.2.1 虛擬機環(huán)境要求

搭建Kubernetes，虛擬機環(huán)境至少要滿足以下要求：

·操作系統(tǒng) CentOS 7

·內(nèi)存 2G 【至少】

·CPU 2核【至少】

·硬盤 20G 【至少】

5.2.2 創(chuàng)建虛擬機

打開VMware，選擇“文件”菜單“新建虛擬機”選項，或者直接點擊界面上的“創(chuàng)建新的虛擬機”選項，創(chuàng)建新的虛擬機，如下圖所示：

在彈出的彈窗中選擇“經(jīng)典”選項，點擊“下一步”按鈕，如下圖所示：

在彈出的新的彈窗中選擇“稍后安裝操作系統(tǒng)”選項，點擊“下一步”按鈕，如下圖所示：

在彈出的新的彈窗中選擇客戶機操作系統(tǒng)為“Linux”，版本為“CentOS 64位”，點擊“下一步”按鈕，如下圖所示：

在彈出的新的彈窗中設置虛擬機名稱為“K8S_Node1”,選擇虛擬機系統(tǒng)的安裝位置，點擊“下一步”按鈕，如下圖所示：

在彈出的新的彈窗中設置最大磁盤大小為20G,選擇“將虛擬磁盤存儲為單個文件”，點擊“下一步”按鈕，如下圖所示：

在彈出的新的彈窗中選擇“自定義硬件”選項

在彈出的硬件配置彈窗中，內(nèi)存設置為2048M，如下圖所示：

處理器設置為2個，如下圖所示：

鏡像文件選擇本地下載好的鏡像文件，如下圖所示：

設置完內(nèi)存、處理、鏡像文件之后，點擊“關(guān)閉”按鈕，回到新建虛擬機向?qū)ы撁?，點擊“完成”按鈕，完成新建虛擬機。

5.2.3 安裝操作系統(tǒng)

在新建好虛擬機之后，在VMware主界面，選擇對應的虛擬機，點擊“開啟此虛擬機”選項，啟動虛擬機，如下圖所示：

在打開的系統(tǒng)界面中選擇“Install CentOS 7”,進行CentOS 7系統(tǒng)的安裝，如下圖所示：

在打開的界面中選擇中文語言環(huán)境，點擊“繼續(xù)”按鈕，繼續(xù)進行安裝，如下圖所示：

在打開的界面中進行安裝配置，如下圖所示：

注意："軟件選擇”建議選擇最后一個“開發(fā)及生產(chǎn)工作站”，“安裝位置”選擇默認“自動分區(qū)”，禁用Kdump，打開網(wǎng)絡，讓你的虛擬機可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。

在新打開的頁面中設置Root密碼，進行安裝CentOS 7系統(tǒng)

安裝完成后，會進入到系統(tǒng)的基本配置操作頁面，可以進行語言環(huán)境的配置，如下圖所示：

系統(tǒng)鍵盤布局和輸入方式選擇配置，如下圖所示：

最后點擊“開始使用CentOS Linux(s)”按鈕，開始進入到CentOS 7系統(tǒng)中，如下圖所示：

進入系統(tǒng)之后，使用“ifconfig”指令查看系統(tǒng)的ip地址，發(fā)現(xiàn)沒有ip地址，如下圖所示：

沒有ip地址的原因，查看之前2.2.8的配置步驟，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)配置了網(wǎng)絡適配器為NAT，那沒有ip地址的原因可能就是系統(tǒng)在啟動的時候沒有加載網(wǎng)卡造成的，所以使用“vi”指令打開“/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33”文件，將其中的“ONBOOT=no”改為“ONBOOT=yes”,使用“wq”指令保存文件，如下圖所示：

修改文件之后，需要通過“service network restart”重啟網(wǎng)絡服務，之后在使用“ifconfig”指令查看，就會發(fā)現(xiàn)ip地址就有了，如下圖所示：

5.2.4 遠程操作操作系統(tǒng)

因為在操作系統(tǒng)的終端中直接操作指令不太方便，比較好的方法是使用第三方的終端模擬軟件，比如Xshell、SecureCRT登錄，我這里使用的是SecureCRT進行操作。打開SecureCRT軟件，配置一個連接，連接CentOS 7操作系統(tǒng)，如下圖所示：

在遠程連接成功之后，我們還需要配置CentOS 7的yum源，因為使用CentOS 7自帶的yum源，在安裝軟件和下載依賴的時候會非常的慢，甚至有時候還會超時失敗，所以這里不建議使用CentOS 7自帶的yum源，我們可以執(zhí)行如下命令，使用阿里云的源替換CentOS 7自帶的yum源，如下圖所示：

考慮到后續(xù)我們需要安裝Kubernetes集群需要各種網(wǎng)絡，所以需要將防火墻關(guān)閉，避免因為防火墻的問題導致連網(wǎng)失敗，如下圖所示：

在安裝Kubernetes集群的時候，為了避免因為內(nèi)存交互而影響性能以及穩(wěn)定性，所以這里我們需要關(guān)閉Swap內(nèi)存交互機制。使用“vi”指令打開“/etc/fstab”文件，將其中的swap配置注釋掉，如下圖所示：

5.2.5 安裝Docker

Kubernetes是以Docker為基礎的一個全新的分布式系統(tǒng)架構(gòu),安裝Kubernetes必須要先安裝Docker，可以參考Docker官方文檔進行操作：https://docs.docker.com/install/linux/docker-ce/centos/#prerequisites

因為使用yum安裝Docker的時候經(jīng)常會超時失敗，所以可以添加阿里云的Docker倉庫，如下圖所示：

使用yum安裝Docker最新版本，如下圖所示：

執(zhí)行如下命令啟動Docker并激活開機自動啟動，如下圖所示：

5.3 Kubernetes集群搭建

虛擬機環(huán)境我們在上邊已經(jīng)搭建好了，接下來我們就該搭建Kubernetes集群，我們將現(xiàn)在的虛擬機作為主節(jié)點，先安裝Kubernetes，之后再復制出兩個虛擬機作為工作節(jié)點。

5.3.1 安裝Kubernetes

我們可以參考Kubernetes官方文檔進行安裝Kubernetes，下面是官方文檔網(wǎng)址：https://kubernetes.io/docs/setup/independent/create-cluster-kubeadm/, 官方倉庫因為被墻的原因我們無法使用，所以還是使用阿里云的倉庫，執(zhí)行以下命令添加kubernetes倉庫：

Linux會對我們的訪問進行控制，所以需要關(guān)閉，如下圖所示：

5.3.2 安裝kubelet、kubeadm、kubectl

執(zhí)行以下的指令安裝Kubernetes的kubelet、kubeadm、kubectl，如下圖所示：

執(zhí)行以下的指令配置kubelet的cgroup drive，要和docker的cgroup drive保持一致，如下圖所示：

執(zhí)行以下指令，啟動kubelet

但是啟動kubelet會失敗，因為缺少證書，但是不用擔心，之后我們在執(zhí)行kubeadm init命令的時候會創(chuàng)建證書，這里不啟動也不影響后續(xù)的配置。

5.3.3 下載Kubernetes的Docker鏡像

接下來我們需要使用Kubernetes官方提供的kubeadm工具來初始化Kubernetes集群，但是kubeadm init默認會訪問谷歌服務器，使用的Docker鏡像倉庫是k8s.gcr.io，國內(nèi)是無法訪問的，我們可以使用docker.io/mirrorgooglecontainers中轉(zhuǎn)一下，所以需要執(zhí)行以下命令，如下圖所示：

但是coredns沒包含在docker.io/mirrorgooglecontainers中，所以需要手工到coredns官方鏡像轉(zhuǎn)換下，執(zhí)行以下命令進行操作，如下圖所示：

最后通過“docker images”查看所有的鏡像，會發(fā)現(xiàn)所有鏡像都已經(jīng)下載完成，如下圖所示：

5.4 復制虛擬機

上面執(zhí)行完成，Kubernetes就已經(jīng)安裝完畢了，接下來就需要復制虛擬機將其他節(jié)點創(chuàng)建出來。

5.4.1 復制虛擬機

關(guān)閉之前的虛擬機，在VMware的界面中，右鍵點擊第一個節(jié)點，我這里叫做K8S_Node1,選擇“管理”選項中的“克隆”選項，開始復制虛擬機，如下圖所示：

進入到選擇克隆源的選擇，選擇“虛擬機中的當前狀態(tài)”選項，然后點擊“下一步”按鈕，如下圖所示：

在彈出的選擇克隆類型的窗口中選擇“創(chuàng)建完整克隆”選項，點擊“下一步”按鈕，如下圖所示：

在彈出的設置新的虛擬機名稱的窗口中設置新的虛擬機的名稱為K8S_Node2,并設置保存位置，然后點擊“完成”按鈕，進行復制操作，如下圖所示：

重復上面的步驟復制出名稱為K8S_Node3的虛擬機。

5.4.2 設置虛擬機網(wǎng)絡

復制虛擬機結(jié)束之后，我們會發(fā)現(xiàn)三個節(jié)點ip為：

K8S_Node1:192.168.149.129

K8S_Node2:192.168.149.130

K8S_Node3:192.168.149.131

但是我們還需要進行一些配置，以便后續(xù)操作可以配置連接，這里以K8S_Node1為例：

使用“vi”指令編輯“/etc/hostname”文件,將hostname改為k8s-node1,注意這里不能大寫，不能使用“_”，不然后續(xù)的Kubernetes配置會出問題，如下圖所示：

使用“vi”指令編輯“/etc/hosts”文件，在其最后添加192.168.149.129 k8s-node1，如下圖所示：

配置完畢之后，重啟生效，剩下的兩個節(jié)點也是如此的配置，這里不再演示。

5.5 創(chuàng)建Kubernetes集群

前面的準備工作都已經(jīng)準備好了，接下來我們就可以開始創(chuàng)建Kubernetes集群了，這里我們使用之前安裝的kubeadm來快速、方便的創(chuàng)建一個Kubernetes集群。

5.5.1 初始化Kubernetes集群

在主節(jié)點(K8S_Node1)上執(zhí)行以下的命令，如下圖所示：

當看到如下信息時，就表示Kubernetes集群初始化成功了，如下圖所示：

我們需要將初始化成功的提示信息中的kubeadm join記錄下來(之后會使用到)，同時需要執(zhí)行提示信息中關(guān)于以下的幾個指令，如下圖所示：

5.5.2 創(chuàng)建網(wǎng)絡

當初始化好Kubernetes集群之后，我們還需要配置網(wǎng)絡，以便實現(xiàn)各個節(jié)點之間的通訊，設置網(wǎng)絡可以使用Calico或者是flannel，這里我們采用flannel來設置網(wǎng)絡，如下圖所示：

5.6 配置Kubernetes集群

當Kubernetes集群初始化成功并設置好網(wǎng)絡之后，我們就需要將Pod調(diào)度到Master上，因為Kubernetes默認是不會將Pod調(diào)度到Master中，所以我們需要手動設置。

5.6.1 將Master作為工作節(jié)點

可以執(zhí)行以下命令，將Master節(jié)點作為工作節(jié)點，如下圖所示：

5.6.2 將其他節(jié)點添加到集群

在K8S_Node2和K8S_Node3的節(jié)點上執(zhí)行K8S_Node1節(jié)點進行kubeadm init初始化集群成功之后提示的kubeadm join指令，將K8S_Node2和K8S_Node3添加到集群中，如下圖所示：

如果kubeadm join指令失敗了，可以執(zhí)行kubeadm reset進行重置，然后再次執(zhí)行kubeadm join。

最后我們通過“kubectl get nodes”查看節(jié)點是否添加到集群中，如下圖所示：

到此，Kubernetes集群就搭建完畢了。

6. 總結(jié)

通過上述的案例，我們就可以把Kubernetes集群搭建完成，之后我們可以在此基礎上繼續(xù)搭建Kubernetes的Dashboard，也可以在Kubernetes部署nginx、redis等軟件。總之，通過Kubernetes我們可以很方便的進行分布式、集群操作，很方便的實現(xiàn)在物理機、虛擬機或者是云上進行項目的部署和遷移。 ?


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