Linux云计算 |【第五阶段】CLOUD-DAY6_linux 控制平面-优快云博客

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主要内容：

了解Kubernetes的架构、搭建Kubernetes集群

一、Kubernetes 概述

Kubernetes 这个名字来自希腊语，意思是“舵手”或“领航员”；K8S 是 Kubernetes 的缩写，其中“8”代表字母“ubernete”中的8个字母。Kubernetes 是由谷歌（Google）公司制作的，是谷歌10多年大规模容器管理技术 Borg 的开源版本。于2014年6月由谷歌公司正式发布并宣布开源。

功能与特点：

容器集群管理系统：Kubernetes 是一个开源的平台，用于管理容器集群
自动化部署：Kubernetes 可以实现容器集群的自动化部署
自动扩缩容：Kubernetes 支持根据需求自动扩展或缩减容器集群的规模
维护功能：Kubernetes 提供维护功能，确保容器集群的稳定运行

1. 自动化部署

描述：Kubernetes 可以自动部署应用程序和服务到容器集群中，减少手动操作的复杂性和错误

优势：提高部署效率，减少人为错误，确保一致性和可重复性

2. 自动扩缩容

描述：Kubernetes 可以根据应用程序的负载情况自动扩展或缩减容器集群的规模

优势：优化资源利用率，降低成本，确保应用程序在高负载下仍能稳定运行

3. 维护功能

描述：Kubernetes 提供维护功能，包括自动修复、滚动更新、回滚等，确保容器集群的稳定运行

优势：减少停机时间，提高系统的可靠性和可用性

1、Kubernetes (K8S) 集群解析

Kubernetes (K8S) 集群是一个由多个节点组成的系统，用于管理和运行容器化应用程序。Kubernetes 集群的核心组件包括控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Nodes）。

核心角色：

- Master（管理节点、控制平面）
- Node（计算节点、工作节点）
- image（镜像仓库）

1）控制平面（Control Plane）

控制平面是 Kubernetes 集群的大脑，负责管理和控制整个集群的状态，对集群进行全局决策，检测和响应集群事件；主要由 API Server、Scheduler、Etcd和Controller manager 组件组成。

① API Server：

功能：提供 Kubernetes API，是集群的入口点，负责处理所有 API 请求

特点：支持 RESTful API，用于与集群进行交互

备注：整个系统的对外接口，提供客户端和其它组件调用，后端运行的所有元数据都会存储于etcd中(键值数据库)

② etcd：

功能：分布式键值存储，用于存储集群的所有配置数据和状态信息

特点：高可用性和一致性，确保集群状态的可靠存储

备注：由kubernetes集群自动管理，用户无需手动干预，etcdctl是etcd的客户端管理程序

③ Scheduler：

功能：负责将 Pod（Kubernetes 的最小调度单元）调度到合适的节点上运行

特点：根据资源需求、节点状态和策略进行智能调度

备注：负责对集群内部的资源进行调度，负责分配容器运行地址

④ Controller Manager：

功能：运行各种控制器进程，负责维护集群的状态，如副本控制器、节点控制器等

特点：确保集群的实际状态与期望状态一致

⑤ Cloud Controller Manager：

功能：与云服务提供商的 API 交互，管理云资源，如负载均衡器、存储卷等

特点：特定于云环境的控制器，提供云资源的集成管理

Master相关组件接口：

2）工作节点（Worker Nodes）

工作节点是 Kubernetes 集群中实际运行容器化应用程序的节点，负责维护运行Pod，并提供具体应用的运行环境；每个工作节点包含以下核心组件：

① Kubelet：

功能：负责管理节点上的容器，与控制平面通信，确保容器按照 Pod 规范运行

特点：节点上的代理，负责执行控制平面的指令

备注：用来启动、监视pod及调用Docker去对容器进行操作，包括增删改等操作

② Kube-proxy：

功能：负责维护节点上的网络规则，实现服务发现和负载均衡

特点：确保 Pod 之间的网络通信和服务的可达性

备注：为Pod对象提供代理，并实现kubernetes Service的通信与负载均衡机制

③ 容器运行时（Container Runtime）：

功能：负责运行容器，如 Docker、containerd、CRI-O 等

特点：支持多种容器运行时，提供容器生命周期管理

2、kube-proxy 代理模式解析

kube-proxy 是 Kubernetes 集群中负责网络代理和负载均衡的关键组件。它确保集群内部和外部的网络流量能够正确地路由到相应的 Pod。kube-proxy 支持多种代理模式，每种模式都有其特定的实现方式和适用场景。以下是对 kube-proxy 代理模式的详细解析：

1）用户空间代理模式（User Space Proxy Mode）

版本：Kubernetes v1.0

实现方式：kube-proxy 在用户空间运行，通过切换不同的用户空间来实现对应用的访问。

特点：

简单：实现简单，易于理解和调试。

性能较低：由于在用户空间和内核空间之间频繁切换，性能较低。

适用场景：早期版本中使用，适用于小型集群或测试环境。

2）iptables 模式代理（iptables Proxy Mode）

版本：Kubernetes v1.1

实现方式：kube-proxy 使用 iptables 规则来实现网络流量的转发和映射。

特点：

性能较高：直接在内核空间操作，性能优于用户空间代理模式。

复杂性：iptables 规则复杂，管理和维护难度较大。

适用场景：适用于大多数生产环境，特别是需要高性能和稳定性的场景。

3）IPVS 代理模式（IPVS Proxy Mode）

版本：Kubernetes v1.8

实现方式：kube-proxy 使用 IPVS（IP Virtual Server）来实现负载均衡。IPVS 是 Linux 内核的一部分，提供高性能的负载均衡功能。

特点：

高性能：IPVS 在内核空间实现负载均衡，性能非常高。

可扩展性：支持多种负载均衡算法（如轮询、加权轮询、最小连接等）。

复杂性：需要满足一定的内核和软件包要求。

适用场景：适用于大规模集群，特别是需要高性能负载均衡的场景。

启用 IPVS 模式的条件

① 内核支持，内核必须支持以下模块：

ip_vs：IPVS 核心模块。
ip_vs_rr：轮询调度算法。
ip_vs_wrr：加权轮询调度算法。
ip_vs_sh：源地址哈希调度算法。
nf_conntrack_ipv4：连接跟踪模块。

② 软件包支持，必须安装以下软件包：

ipvsadm：IPVS 管理工具。
ipset：用于管理 IP 集合的工具。

③ 配置文件中开启 IPVS 参数，在 kube-proxy 的配置文件中开启 IPVS 参数，例如：

mode: ipvs

3、Pod 的详细解析

在 Kubernetes 中，Pod 是调度的基本单元，也是最小的部署和管理单元。Pod 的设计理念是将一组紧密关联的容器打包在一起，共享相同的网络命名空间和存储卷。以下是对 Pod 的详细解析：

1）Pod 的基本概念

调度的基本单元：

Pod 是 Kubernetes 调度的基本单元，Kubernetes 通过调度 Pod 来管理容器的运行；

容器组：

一个 Pod 可以包含一个或多个容器，这些容器共享相同的网络命名空间和存储卷；

网络命名空间：

Pod 中的所有容器共享相同的 IP 地址和端口号，容器之间可以通过 localhost 进行通信；

存储卷：

Pod 中的容器可以共享存储卷，实现数据的共享和持久化；

2）Pod 的特点

独立部署单元：Pod 是一个独立的部署单元，支持横向扩展和复制。通过复制 Pod，可以实现应用的高可用性和负载均衡。
多进程聚合：Pod 可以看作是一个服务的多个进程的聚合单位。例如，一个 Pod 可以包含一个主应用容器和一个辅助容器（如日志收集器）。
生命周期管理：Pod 的生命周期由 Kubernetes 管理，支持自动重启、扩缩容等。
资源隔离：Pod 中的容器在同一节点上运行，但资源隔离由容器运行时管理。

3）Pod 的管理

在 Kubernetes 中，用户无法单独管理某一个容器。管理容器的时候是以 Pod 为单位，必须先创建 Pod，才能够去创建容器。每个容器都在 Pod 中，没有不在 Pod 的容器。Pod 是容器运行的最小环境。

4）Pod 的创建和使用

① 创建 Pod：

通过定义 YAML 或 JSON 格式的 Pod 配置文件，可以创建 Pod。配置文件中指定 Pod 的名称、容器镜像、端口、存储卷等信息。

② 管理 Pod：

Kubernetes 提供了丰富的命令和 API 来管理 Pod，如 kubectl create、kubectl get、kubectl delete 等。

③ Pod 的扩展：

通过复制 Pod，可以实现应用的横向扩展。Kubernetes 的副本控制器（ReplicaSet 或 Deployment）负责管理 Pod 的副本数量。

二、kubernetes 集群安装部署

1）安装部署方式：

源码部署：下载源码或编译好的二进制，手工添加参数启动服务，Kubernetes采用证书认证方式，需要创建大量证书；
容器部署：官方把服务做成“镜像”，下载镜像、启动即可；

官方特意根据容器部署方式，制作kubeadm工具，为用户提高下载良好体验度（推荐）

官网地址：Kubernetes

2）部署环境要求：

① 内核版本：>= 3.10
② 最低配置：2CPU、2G内存
③ 节点之中不可以有重复的主机名、MAC地址或product_uuid
④ 卸载防火墙、禁用Swap交换分区、禁用SELinux；

安装部署示例：

环境准备：实验集群规划，需购买5台云主机

主机名	IP地址	最低配置	集群角色
master	192.168.1.21	2CPU,4G内存	管理节点
node-0001	192.168.1.31	2CPU,4G内存	计算节点
node-0002	192.168.1.32	2CPU,4G内存
node-0003	192.168.1.33	2CPU,4G内存
registry	192.168.1.100	1CPU,1G内存	私有镜像仓库

步骤1：私有镜像仓库初始化（registry操作192.168.1.100）

① 安装仓库软件并启动服务

[root@registry ~]# yum makecache
[root@registry ~]# yum install -y docker-distribution    //安装私有镜像仓库软件
[root@registry ~]# systemctl enable --now docker-distribution  //开启镜像仓库服务

② 使用脚本初始化仓库（init-img.sh）

# 拷贝云盘kubernetes/v1.17.6/registry/myos目录的部署脚本和镜像压缩包到仓库服务器

[root@ecs-proxy ~]# scp /root/kubernetes/v1.17.6/registry/myos/* 192.168.1.100:/root/
[root@registry ~]# mkdir myos    //创建存放目录
[root@registry ~]# c