【Kubernetes实战】四、Pod详解①——Pod的结构、定义和配置

主要详细介绍Pod资源的各种配置(即yaml文件)和原理。

1. Pod结构和定义

1) Pod结构

Pause容器，这是每个Pod都会有的一个根容器，它的作用有两个：

• 可以以它为依据，评估整个Pod的健康状态(Pod的寿命与Pause相同，而与用户容器无关)；
• 可以在根容器上设置IP地址，其它容器都此IP(Pod IP)，以实现Pod内部的网络通信(Pod的之间的通信采用虚拟二层网络技术来实现，当前环境用的是Flannel)。
  
  summary：知道pod里有1根容器(Pause)+n个用户容器，可通过Pause容器判断健康状态、可以做IP共享。

2) Pod定义

Pod资源清单(yaml配置文件的编写，以下为常用的参数)：

apiVersion: v1 #必选，版本号，例如v1
kind: Pod #必选，资源类型，例如 Pod
metadata: #必选，元数据
    name: string #必选，Pod名称
    namespace: string #Pod所属的命名空间,默认为"default"
    labels: #自定义标签列表
      - name: string
spec: #必选，Pod中容器的详细定义
    containers: #必选，Pod中容器列表
    - name: string #必选，容器名称
      image: string #必选，容器的镜像名称
      imagePullPolicy: [ Always|Never|IfNotPresent ] #获取镜像的策略
      command: [string] #容器的启动命令列表，如不指定，使用打包时使用的启动命令
      args: [string] #容器的启动命令参数列表
      workingDir: string #容器的工作目录
      volumeMounts: #挂载到容器内部的存储卷配置
      - name: string #引用pod定义的共享存储卷的名称，需用volumes[]部分定义的的卷名
        mountPath: string #存储卷在容器内mount的绝对路径，应少于512字符
        readOnly: boolean #是否为只读模式
      ports: #需要暴露的端口库号列表
      - name: string #端口的名称
        containerPort: int #容器需要监听的端口号
        hostPort: int #容器所在主机需要监听的端口号，默认与Container相同
        protocol: string #端口协议，支持TCP和UDP，默认TCP
      env: #容器运行前需设置的环境变量列表
      - name: string #环境变量名称
        value: string #环境变量的值
      resources: #资源限制和请求的设置
          limits: #资源限制的设置
              cpu: string #Cpu的限制，单位为core数，将用于docker run --cpu-shares参数
              memory: string #内存限制，单位可以为Mib/Gib，将用于docker run --memory参数
          requests: #资源请求的设置
              cpu: string #Cpu请求，容器启动的初始可用数量
              memory: string #内存请求,容器启动的初始可用数量
      lifecycle: #生命周期钩子
          postStart: #容器启动后立即执行此钩子,如果执行失败,会根据重启策略进行重启
          preStop: #容器终止前执行此钩子,无论结果如何,容器都会终止
      livenessProbe: #对Pod内各容器健康检查的设置，当探测无响应几次后将自动重启该容器
          exec: #对Pod容器内检查方式设置为exec方式
              command: [string] #exec方式需要制定的命令或脚本
          httpGet: #对Pod内个容器健康检查方法设置为HttpGet，需要制定Path、port
              path: string
              port: number
              host: string
              scheme: string
              HttpHeaders:
              - name: string
                value: string
          tcpSocket: #对Pod内个容器健康检查方式设置为tcpSocket方式
              port: number
          initialDelaySeconds: 0 #容器启动完成后首次探测的时间，单位为秒
          timeoutSeconds: 0 #对容器健康检查探测等待响应的超时时间，单位秒，默认1秒
          periodSeconds: 0 #对容器监控检查的定期探测时间设置，单位秒，默认10秒一次
          successThreshold: 0
          failureThreshold: 0
          securityContext:
              privileged: false
    restartPolicy: [Always | Never | OnFailure] #Pod的重启策略
    nodeName: <string> #设置NodeName表示将该Pod调度到指定到名称的node节点上
    nodeSelector: obeject #设置NodeSelector表示将该Pod调度到包含这个label的node上
    imagePullSecrets: #Pull镜像时使用的secret名称，以key：secretkey格式指定
    - name: string
    hostNetwork: false #是否使用主机网络模式，默认为false，如果设置为true，表示使用宿主机网络
    volumes: #在该pod上定义共享存储卷列表
    - name: string #共享存储卷名称 （volumes类型有很多种）
      emptyDir: {} #类型为emtyDir的存储卷，与Pod同生命周期的一个临时目录。为空值
      hostPath: string #类型为hostPath的存储卷，表示挂载Pod所在宿主机的目录
          path: string #Pod所在宿主机的目录，将被用于同期中mount的目录
      secret: #类型为secret的存储卷，挂载集群与定义的secret对象到容器内部
          scretname: string
          items:
          - key: string
            path: string
      configMap: #类型为configMap的存储卷，挂载预定义的configMap对象到容器内部
          name: string
          items:
          - key: string
            path: string

可以按照层级结构来学习pod.yaml的编写，如第一层：apiVersion / kind / metadata / spec …；第一层之下又有第二层、第三层…。还可以通过如下命令查看每种资源的可配置项：

kubectl explain 资源类型  # 查看某种资源可配置的一级属性

# 例如
kubectl explain pod

• kubernetes中基本所有资源的一级属性都是一样的，主要包含5部分：
  • apiVersion <string>： 版本，由kubernetes内部定义，版本号必须可以用 kubectl api-versions 查询到；
    
  • kind <string>：类型，由kubernetes内部定义，版本号必须可以用 kubectl api-resources 查询到；
    
  • metadata <Object>： 元数据，主要是资源标识和说明，常用的有name、namespace、labels等；常用的如下：
    
  • spec <Object>： 描述，这是配置中最重要的一部分，里面是对各种资源配置的详细描述；
  • status <Object>： 状态信息，里面的内容不需要定义，由kubernetes自动生成，可以通过此字段查看pod(等资源)的状态。例如使用如下命令查看一个pod的状态：

kubectl get pods -n test-ns
kubectl get pod nginx-deploy-8446569dd6-4f45j -o yaml -n test-ns

查看某种资源属性的子属性:

kubectl explain 资源类型.属性  # 查看某种资源属性的子属性

# 例如
kubectl explain pod.spec

• 在上面的一级属性中，spec是重点，其子属性为：

  • containers <[]Object>：容器列表，用于定义容器的详细信息。是一个对象列表因为一个pod中可以运行多个容器；

  • nodeName <String>：指定调度节点，根据nodeName的值将pod调度到指定的Node节点上；

  • nodeSelector <map[]>：根据NodeSelector中定义的信息选择将该Pod调度到包含这些label的Node上；

  • hostNetwork <boolean>：是否使用主机网络模式，默认为false，如果设置为true，表示使用宿主机网络。如果使用宿主机网络，则需要保证端口不要重复，因此一般不使用宿主机IP；
    

  • volumes <[]Object>：存储卷，用于定义Pod上面挂在的存储信息；

  • restartPolicy <string>： 重启策略，表示Pod在遇到故障的时候的处理策略(重启？删除？不管？)。

2. Pod配置

这一节主要来研究 pod.spec.containers 属性，这也是pod配置中最为关键的一项配置。

常用参数：

FIELDS:
    name <string> # 容器名称
    image <string> # 容器需要的镜像地址
    imagePullPolicy <string> # 镜像拉取策略(本地拉取？远程仓库拉取？...)
    command <[]string> # 容器的启动命令列表，如不指定，使用打包时使用的启动命令
    args <[]string> # 容器的启动命令需要的参数列表
    env <[]Object> # 容器环境变量的配置
    ports <[]Object> # 容器需要暴露的端口号列表
    resources <Object> # 资源限制和资源请求的设置

1) 基本配置：创建一个yaml文件test-container-base.yaml：

# test-container-base.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata: 
    name: test-conta-base
    namespace: test-ns
    labels:
        user: Cherry
spec: 
    containers:
    - name: nginx-base
      image: nginx:1.17.1
    - name: busybox-base
      image: busybox:1.30

上面定义了一个比较简单Pod的配置，里面有两个容器：

• nginx：用1.17.1版本的nginx镜像创建(nginx是一个轻量级web容器);
• busybox：用1.30版本的busybox镜像创建(busybox是一个小巧的linux命令集合)。

然后运行如下命令：

kubectl apply -f test-container-base.yaml

查看一下pod中的详情信息：

kubectl describe pod test-conta-base -n test-ns

因此只有一个容器成功启动，另一个有问题(后续讲解问题——启动命令部分)。

2) 镜像拉取策略

imagePullPolicy用于设置镜像拉取策略，kubernetes支持配置三种拉取策略：

kubectl explain pod.spec.containers

• Always：总是从远程仓库拉取镜像(一直远程下载)；
• IfNotPresent：本地有则使用本地镜像，本地没有则从远程仓库拉取镜像(本地有就本地，本地没有就远程下载)。
• Never：只使用本地镜像，从不去远程仓库拉取，本地没有就报错(一直使用本地)。

imagePullPolicy的默认值取决于镜像的tag，如果镜像tag为具体版本号，默认策略是：IfNotPresent；如果镜像tag为：latest(最新版本) ，默认策略是always。在实际使用中一般不会使用镜像的最新版本，为了稳定会为其指定版本号，因此常用的imagePullPolicy默认值就是IfNotPresent。

创建如下yaml文件：

# test-image-pullpolicy.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: test-image-pullpolicy  # 此name不准使用大写
    namespace: test-ns
spec:
    containers:
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.2
      imagePullPolicy: Never
    - name: busybox
      image: busybox:1.30

查看一下本地已经拉取的镜像：

docker images

可以看到，三个节点上均没有上述yaml文件指定的nginx:1.17.2镜像，同时镜像拉去策略为Nerver(只使用本地镜像，从不去远程仓库拉取)，那这样的话运行结果是什么？

运行如下命令创建Pod：

kubectl apply -f test-image-pullpolicy.yaml

发现pod没有启动成功，查看出了什么错误：

kubectl describe pod test-image-pullpolicy -n test-ns

可以看到镜像不存在。初始将这个pod调度到了node2上，查看node2上的docker images：没有nginx:1.17.2

若想使其运行成功，则只需修改镜像拉去策略为IfNotPresent：

vim test-image-pullpolicy.yaml
# 修改如下部分：
      imagePullPolicy: IfNotPresent

发现修改文件之后不能直接使用kubectl apply -f命令，因为仅当框框中的spec的值发生改变时才会更新，此处修改imagePullPolicy相当于没有改变。因此需要先删除pod，再重新apply。

kubectl delete -f test-image-pullpolicy.yaml
kubectl apply -f test-image-pullpolicy.yaml

虽然还没有运行成功(先不管，此处只关注镜像的拉取)，查看一下pod中的状况：

此时可以看到，这个pod被调度到了node2上，且nginx:1.17.2已经被成功拉取，查看一下node2节点上的docker镜像：

3) 启动命令

在前面的案例中，一直有一个问题没有解决，就是的busybox容器一直没有成功运行(1/2：只运行了nginx容器，busybox容器没有成功运行)

那么到底是什么原因导致这个容器的故障呢？原来busybox并不是一个程序，而是类似于一个工具类的集合，即busybox里面并没有一个进程在运行，而都是一些小的命令，kubernetes集群启动管理后，它会自动关闭(因为容器中没有一个进程在占据着他，因此一启动就结束了)。解决方法就是让其一直在运行(例如在busybox中运行一个死循环)，这就用到了command配置。

创建test-pod-command.yaml文件，内容如下：

# test-pod-command.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: test-pod-command
    namespace: test-ns
spec:
    containers:
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
    - name: busybox
      image: busybox:1.30
      command: ["/bin/sh","-c","touch /tmp/hello.txt;while true;do /bin/echo $(date +%T)>> /tmp/hello.txt; sleep 3; done;"]

command：用于在pod中的容器初始化完毕之后运行一个命令。

• “/bin/sh”,“-c”, 使用sh执行命令；
• touch /tmp/hello.txt; 创建一个/tmp/hello.txt 文件；
• while true;do /bin/echo $(date +%T) >> /tmp/hello.txt; sleep 3; done; 每隔3秒向文件中写入当前时间。

显示nginx与busybox容器都运行成功了。查看/tmp/hello.txt是否有内容，即上述command指令是否正常执行：首先要进入容器：

# kubectl exec pod名称 -n 命名空间 -it -c 容器名称 /bin/sh # 在容器内部执行命令
kubectl exec test-pod-command -n test-ns -it -c busybox /bin/sh
# exec：执行，在docker中有同样的命令
# -n：指定命名空间
# -it：以交互式方式执行
# -c：指定容器，当这个颇多、中只有一个容器时可以不写

• 【说明】：

通过上面发现command已经可以完成启动命令和传递参数的功能，为什么这里还要提供一个args选项，用于传递参数呢?这其实跟docker有点关系，kubernetes中的command、args两项其实是实现覆盖Dockerfile中ENTRYPOINT的功能：

1. 如果command和args均没有写，那么用Dockerfile的配置；
2. 如果command写了，但args没有写，那么Dockerfile默认的配置会被忽略，执行输入的command；
3. 如果command没写，但args写了，那么Dockerfile中配置的ENTRYPOINT的命令会被执行，使用当前args的参数(相当于使用Dockerfile命令，但为其配置新的参数)；
4. 如果command和args都写了，那么Dockerfile的配置被忽略，执行command并追加上args参数。

4) 环境变量

env参数：环境变量，用于在pod中的容器设置环境变量。数组类型，一个环境变量就是一个键值对。

创建test-pod-env.yaml文件，内容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: test-pod-env
    namespace: test-ns
spec:
    containers:
    - name: busybox
      image: busybox:1.30
      command: ["/bin/sh","-c","while true;do /bin/echo $(date +%T);sleep 60; done;"]
      env: # 设置环境变量列表
      - name: "username"
        value: "admin"
      - name: "password"
        value: "123456"

首先创建pod：

kubectl apply -f test-pod-env.yaml -n test-ns

然后进入容器，查看环境变量：

kubectl exec test-pod-env -n test-ns -it /bin/sh

这种方式不是很推荐，推荐将这些配置单独存储在配置文件中(在后面介绍)。

5) 端口设置

端口的设置对应pod.spec.containers.ports=容器需要暴露的端口号列表，查看ports的子选项：

hostIP、hostPort解释：

编写一个测试案例test-pod-ports.yaml：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: test-pod-ports
    namespace: test-ns
spec:
    containers:
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      ports: # 设置容器暴露的端口列表
      - name: nginx-port
        containerPort: 80
        protocol: TCP

访问容器中的程序需要使用的是 podIP:containerPort。

6) 资源配额

容器中的程序要运行，肯定是要占用一定资源的，比如cpu和内存等，如果不对某个容器的资源做限制，那么它就可能吃掉大量资源，导致其它容器无法运行(一个节点上的资源总额是一定的，例如内存，若A容器忽然“发疯”，开始大量消耗内存，如果未对其进行限制，则势必会导致BCDE…等其他容器无法正常运行)。针对这种情况，kubernetes提供了对内存和cpu的资源进行配额的机制，这种机制主要通过resources选项实现，他有两个子选项：可以通过下面两个选项设置资源的上下限。

• limits：用于限制运行时容器的最大占用资源，当容器占用资源超过limits时会被终止，并进行重启；
• requests ：用于设置容器需要的最小资源，如果环境资源不够，容器将无法启动。

编写一个测试案例(针对CPU和内存)，创建test-pod-resources.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
    name: test-pod-resources
    namespace: test-ns
spec:
    containers:
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      resources: # 资源配额
        limits: # 限制资源（上限）
          cpu: "2" # CPU限制，单位是core数
          memory: "10Gi" # 内存限制
        requests: # 请求资源（下限）
          cpu: "1" # CPU限制，单位是core数
          memory: "10Mi" # 内存限制

• cpu：core数，可以为整数或小数；
• memory： 内存大小，可以使用Gi、Mi、G、M等形式。

运行成功了，即当前的环境满足配置文件中的条件了。若将pod的资源下限改为10Gi还能运行成功吗：

        requests: # 请求资源（下限）
          cpu: "1" # CPU限制，单位是core数
          memory: "10Gi" # 内存限制

首先删除原pod：

kubectl delete -f test-pod-resources.yaml

然后修改test-pod-resources.yaml中的上述配置信息，重新创建pod：

可以看到，新创建的pod没有运行成功，处于Pending状态。查看详细信息：

显示三个节点上没有可以满足内存需求的，因此没有调度部署成功。

参考：B站大学