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k8s入门指南

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参考文献

什么是云原生

官方定义

云原生技术有利于各组织在公有云、私有云和混合云等新型动态环境中，构建和运行可弹性扩展的应用。云原生的代表技术包括容器、服务网格、微服务、不可变基础设施和声明式API。
这些技术能够构建容错性好、易于管理和便于观察的松耦合系统。结合可靠的自动化手
段，云原生技术使工程师能够轻松地对系统作出频繁和可预测的重大变更。

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云原生是一种构建和运行在云环境中的应用程序的方法论和技术栈。它旨在充分利用云计算的优势，如弹性、可扩展性和高可用性，并支持快速迭代和部署。

云原生应用程序通常具有以下特征：

  1. 容器化：将应用程序及其依赖项打包为容器镜像，以实现环境一致性和轻量级部署。

  2. 微服务架构：将应用程序拆分为小而自治的服务单元，每个服务专注于特定的业务功能，并可以独立开发、测试、部署和扩展。

  3. 动态编排和自动化管理：使用容器编排工具（如Kubernetes）来自动化应用程序的部署、伸缩、容错和调度等管理操作。

  4. 持续交付和持续部署：通过自动化流水线和工具链，实现快速、可靠和频繁的软件交付和部署。

云原生技术栈包括容器技术（如Docker）、容器编排平台（如Kubernetes）、微服务框架（如Spring Cloud）、服务网格（如Istio）、持续交付工具（如Jenkins）等。这些技术共同为构建和管理云原生应用程序提供了支持。

云原生的好处包括更高的灵活性、可伸缩性和可靠性，更快的交付速度和部署效率，以及更低的运维成本。它适用于各种规模的应用程序，从小型的单体应用到大规模的分布式系统。

什么是K8S

Kubernetes（常简称为K8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它提供了一个强大的容器编排系统，可以处理多个容器化应用程序的自动化部署、弹性伸缩、负载均衡、服务发现和容错等方面的任务。

以下是Kubernetes的一些关键概念和组件：

  1. Pod（容器组）：是Kubernetes中最小的可调度单元，可以包含一个或多个容器及其共享的资源。Pod作为逻辑主机，提供了一个独立的网络命名空间和存储卷。

  2. Deployment（部署）：定义了应用程序的期望状态，并负责创建和管理Pod的副本集。Deployment支持滚动更新和回滚操作，以实现无宕机的应用程序更新。

  3. Service（服务）：为一组Pod提供稳定的网络访问地址和负载均衡。Service可以根据标签选择器自动路由流量到后端的Pod。

  4. Namespace（命名空间）：用于对Kubernetes资源进行逻辑隔离和分组。不同的命名空间可以用于不同环境（如开发、测试、生产）或不同的项目。

  5. Ingress（入口）：配置外部流量的访问规则，将外部请求路由到集群内部的Service。

  6. ConfigMap（配置映射）和Secret（密钥）：用于将应用程序的配置和敏感信息以键值对的形式存储，并注入到Pod的环境变量或挂载到文件系统中。

Kubernetes还有其他组件和功能，如存储管理、自动扩缩容、日志监控、安全性等。它提供了丰富的API和命令行工具，使开发人员和运维团队可以方便地管理和操作Kubernetes集群。

Kubernetes的优势包括高度可扩展性、高可用性、自动化管理、弹性伸缩、故障恢复等。它已成为云原生应用程序部署和管理的事实标准，并被广泛应用于各种规模和类型的应用程序。

K8S架构

kubernetes架构一个Kubernetes集群至少包含一个控制平面(control plane),以及一个或多个工作节点(worker node)

控制平面

控制平面包含：

Node 组件

节点组件在每个节点上运行，负责维护运行的pod并提供k8s运行环境

什么是pod

Pod是逻辑上的概念。

Pod是包含一个或多个容器的容器组，是Kubernetes中创建和管理的最小对象。 Pod有以下特点：

Deployment:是对ReplicaSet和Pod更高级的抽象。它使Pod拥有多副本，自愈，扩缩容、滚动升级等能力。
ReplicaSet(副本集)是一个Pod的集合。它可以设置运行Pod的数量，确保任何时间都有指定数量的Pod副本在运行。通常我们不直接使用ReplicaSet,而是在Deploymentr中声明。

什么是service

Service将运行在一组Pods上的应用程序公开为网络服务的抽象方法。
Service为一组Pod提供相同的DNS名，并且在它们之间进行负载均衡。
Kubernetes为Pod提供分配了IP地址，但IP地址可能会发生变化。
集群内的容器可以通过service名称访问服务，而不需要担心Pod的IP发生变化。

Kubernetes Service定义了这样一种抽象：
逻辑上的一组可以互相替换的Pod,通常称为微服务。
Service对应的Pod集合通常是通过选择算符来确定的。
举个例子，在一个Service中运行了3个nginx的副本。这些副本是可互换的，我们不需要
关心它们调用了哪个nginx,也不需要关注Pod的运行状态，只需要调用这个服务就可以
了。

Service是对外的概念，是对外提供的，service内部可以实现不同pod之间的负载均衡。

ServiceType取值

2023-12-13_10-33.png

什么是命名空间

命名空间(Namespace)是一种资源隔离机制，将同一集群中的资源划分为相互隔离的组。命名空间可以在多个用户之间划分集群资源（通过资源配额）。

Kubernetes会创建四个初始命名空间：

声明式API

学习链接： https://www.yuque.com/wukong-zorrm/qdoy5p/keiq6i

容器运行时接口CRI

Kubelet是运行在每个节点(Node)上，用于管理和维护Pod和容器的状态。容器运行时接口(CRI)是kubelet和容器运行时之间通信的主要协议。它将Kubelet与容器运行时解耦，理论上，实现了CRI接口的容器引擎，都可以作为kubernetes的容器运行时。

crictl命令用于镜像的发布导出等操作，该命令与docker的功能非常相似。

金丝雀发布

https://www.yuque.com/wukong-zorrm/qdoy5p/rg4ewv

在生产环境的基础设施中小范围的部署新的应用代码。一旦应用签署发布，只有少数用户被路由到它，最大限度的降低影响。如果没有错误发生，则将新版本逐渐推广到整个基础设施。

局限性

按照 Kubernetes 默认支持的这种方式进行金丝雀发布，有一定的局限性：

在 Kubernetes 中不能解决上述局限性的原因是：Kubernetes Service 只在 TCP 层面解决负载均衡的问题，并不对请求响应的消息内容做任何解析和识别。如果想要更完善地实现金丝雀发布，可以考虑Istio灰度发布。

运行有状态应用

创建mysql数据库

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mysql-pod
spec:
  containers:
    - name: mysql
      image: mysql:5.7
      env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "123456"
      ports:
        - containerPort: 3306
      volumeMounts:
        - mountPath: /var/lib/mysql #容器中的目录
          name: data-volume
  volumes:
    - name: data-volume
      hostPath:
        # 宿主机上目录位置
        path: /home/mysql/data
        type: DirectoryOrCreate

ConfigMap与Secret

在Docker中，我们一般通过绑定挂载的方式将配置文件挂载到容器里。

在Kubernetes集群中，容器可能被调度到任意节点，配置文件需要能在集群任意节点上访问、分发和更新。ConfigMap能够解决这个问题。

ConfigMap

ConfigMap 用来在键值对数据库(etcd)中保存非加密数据。一般用来保存配置文件。

ConfigMap 可以用作环境变量、命令行参数或者存储卷。

ConfigMap 将环境配置信息与 容器镜像 解耦，便于配置的修改。

ConfigMap 在设计上不是用来保存大量数据的。

在 ConfigMap 中保存的数据不可超过 1 MiB。超出此限制，需要考虑挂载存储卷或者访问文件存储服务。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mysql-pod
  labels:
    app: mysql
spec:
  containers:
    - name: mysql
      image: mysql:5.7
      env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "123456"
      volumeMounts:
        - mountPath: /var/lib/mysql
          name: data-volume
        - mountPath: /etc/mysql/conf.d
          name: conf-volume
          readOnly: true
  volumes:
    - name: conf-volume
      configMap:
        name: mysql-config
    - name: data-volume
      hostPath:
        # directory location on host
        path: /home/mysql/data
        # this field is optional
        type: DirectoryOrCreate
---
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: mysql-config
data:
  mysql.cnf: |
    [mysqld]
    character-set-server=utf8mb4
    collation-server=utf8mb4_general_ci
    init-connect='SET NAMES utf8mb4'

    [client]
    default-character-set=utf8mb4

    [mysql]
    default-character-set=utf8mb4

secret

Secret用于保存机密数据的对象。一般由于保存密码、令牌或密钥等。 data字段用来存储base64编码数据。 stringData存储未编码的字符串。 Secret意味着你不需要在应用程序代码中包含机密数据，减少机密数据（如密码）泄露的风险。 Secret可以用作环境变量、命令行参数或者存储卷文件。

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: mysql-password
type: Opaque
data:
  PASSWORD: MTIzNDU2Cg==
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mysql-pod
spec:
  containers:
    - name: mysql
      image: mysql:5.7
      # 在环境变量中使用 secret ，当secret修改后，环境变量不会更新，需要重启 pod
      env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-password
              key: PASSWORD
              optional: false # 此值为默认值；表示secret已经存在了
      volumeMounts:
        - mountPath: /var/lib/mysql
          name: data-volume
        - mountPath: /etc/mysql/conf.d
          name: conf-volume
          readOnly: true
  volumes:
    - name: conf-volume
      configMap:
        name: mysql-config
    - name: data-volume
      hostPath:
        # directory location on host
        path: /home/mysql/data
        # this field is optional
        type: DirectoryOrCreate
---
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: mysql-config
data:
  mysql.cnf: |
    [mysqld]
    character-set-server=utf8mb4
    collation-server=utf8mb4_general_ci
    init-connect='SET NAMES utf8mb4'

    [client]
    default-character-set=utf8mb4

    [mysql]
    default-character-set=utf8mb4

卷 volume

https://www.yuque.com/wukong-zorrm/qdoy5p/df2ftr

image.png

临时卷

与Pod一起创建和删除，生命周期与Pod相同

emptyDir

emptyDir会创建一个初始状态为空的目录，存储空间来自本地的kubelet根目录或内存(需要将emptyDir.medium设置为Memory)。通常使用本地临时存储来设置缓存、保存日志等。例如，将redis的存储目录设置为emptyDir

持久卷与持久卷声明

持久卷(Persistent Volume)：删除Pod后，卷不会被删除

持久卷（PersistentVolume，PV） 是集群中的一块存储。可以理解为一块虚拟硬盘。
持久卷可以由管理员事先创建， 或者使用存储类（Storage Class）根据用户请求来动态创建。
持久卷属于集群的公共资源，并不属于某个namespace;

持久卷声明（PersistentVolumeClaim，PVC） 表达的是用户对存储的请求。
PVC声明好比申请单，它更贴近云服务的使用场景，使用资源先申请，便于统计和计费。
Pod 将 PVC 声明当做存储卷来使用，PVC 可以请求指定容量的存储空间和访问模式 。PVC对象是带有namespace的。

image.png

创建持久卷

创建持久卷(PV)是服务端的行为，通常集群管理员会提前创建一些常用规格的持久卷以备使用。

hostPath仅供单节点测试使用，当Pod被重新创建时，可能会被调度到与原先不同的节点上，导致新的Pod没有数据。多节点集群使用本地存储，可以使用local卷

创建local类型的持久卷，需要先创建存储类(StorageClass)。

# 创建本地存储类
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: local-storage
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: Immediate

local卷不支持动态创建，必须手动创建持久卷(PV)。
创建local类型的持久卷，必须设置nodeAffinity(节点亲和性)。
调度器使用nodeAffinity信息来将使用local卷的 Pod 调度到持久卷所在的节点上，不会出现Pod被调度到别的节点上的情况。

注意：local卷也存在自身的问题，当Pod所在节点上的存储出现故障或者整个节点不可用时，Pod和卷都会失效，仍然会丢失数据，因此最安全的做法还是将数据存储到集群之外的存储或云存储上。

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