Kubernetes 入门：初学者入门

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初学者入门：Kubernetes 简介

Kubernetes (简称 K8s) 是一款备受欢迎的开源软件，它能够自动化容器化应用的管理流程。

云原生计算基金会 (CNCF) 的年度调查数据显示，高达 96% 的组织正在使用或计划采用 Kubernetes。全球有 580 万名开发者在使用 Kubernetes，这占据了全球后端开发人员的 31%。

Kubernetes 之所以受到青睐，是因为它能够通过提升可扩展性、可用性和缩短部署时间来优化技术应用。 许多开发者最初使用 Docker 这样的命令行工具来与容器进行交互，但 Kubernetes 提供了一种更为高级的抽象层，允许你通过声明式方法来定义应用程序及其基础设施，从而实现更高效的协作。

如果你是 Kubernetes 的新手，本文旨在为你提供入门指导，分享一些见解来帮助你快速上手。你将了解到 Kubernetes 如何帮助开发者提升其数字产品的能力。

什么是 Kubernetes，以及为什么你需要它？

Kubernetes 是一个开源的协调引擎（框架），用于自动化容器化应用程序的部署、扩展和管理。它尤其擅长处理诸如可预测性和高可用性等问题。

简单来说，假设你已经有一个容器化的应用程序。为了服务用户，你需要在多个容器中运行这个应用。管理这些容器可能会变得复杂，尤其当它们不在同一台机器上时。那么，解决方案是什么呢？

Kubernetes 通过提供一种有效的方法来无缝处理这些流程，从而解决这一问题。虽然你可能会将 K8s 与 Docker 等容器引擎相比较，但实际上它是一个容器编排器。作为一名初级开发者，你可能无需担心 K8s 的底层编排细节。你不太可能需要自己去搭建一个 K8s 集群，稍后我们会详细讨论。

然而，你将需要与基础设施团队所设置的集群进行交互。熟悉你将要操作的对象至关重要。在此之前，你需要对它的架构有一个高层次的理解，以把握其运行原理。

Kubernetes 的特性

Kubernetes 具有许多特性，使其成为运行容器和相关基础设施的理想选择。以下是一些主要特性：

  • 自动部署、扩展和回滚：Kubernetes 会自动创建你指定数量的应用程序副本，并将它们分布在合适的硬件上。当节点出现故障时，它会自动重新安排容器。你还可以根据需求（例如 CPU 使用率）动态扩展副本数量。
  • 服务发现、负载均衡和网络入口：Kubernetes 提供了独特的网络解决方案，包括内部服务发现和暴露容器的功能。
  • 有状态和无状态应用程序：早期，Kubernetes 主要关注无状态容器。随着技术的不断进步，它现在可以容纳代表有状态应用程序的内置对象。任何类型的应用程序都可以在 Kubernetes 上运行。
  • 存储编排：无论是本地文件系统、网络共享还是云端存储，Kubernetes 都为容器中运行的应用程序提供了持久存储（抽象）。这种抽象允许你定义存储需求，而无需关心底层基础设施的细节。虽然这超出了本文的范围，但它通过诸如持久卷 (PV)、持久卷声明 (PVC)、存储类和卷插件等机制实现。
  • 声明式配置：Kubernetes 使用 YAML 文件（称为对象清单）来指定集群的期望状态。清单定义了集群应有的外观，包括应用程序实例、网络规则和其他配置。当你应用清单时，Kubernetes 会自动处理状态转换，而无需编写脚本。
  • 多环境支持：你不仅限于在云端或开发工作站中使用 Kubernetes。几乎每个发行版都提供了匹配你特定用例的选项。主流云服务提供商如亚马逊云服务、谷歌云和微软 Azure 都提供托管的 Kubernetes 服务。对于本地使用，还有 Minikube 和 K3s 这样的单节点发行版。
  • 高度可扩展性：Kubernetes 本身就是一个功能丰富的集合。 你可以通过扩展来提升其功能。 你可以构建自定义对象类型、运算符和控制器来简化你的工作流程。

Kubernetes 架构

Kubernetes 的核心架构包括一个主节点和多个工作节点。主节点负责指挥集群，而工作节点则按照主节点的指示运行应用程序。

资料来源：kubernetes.io

以下是对其架构的更详细的分解：

主节点

主节点负责维护集群状态，并决定每个节点的行为。主节点需要运行以下几个进程：

  • API 服务器：所有集群通信都通过 API 服务器进行。它是集群组件之间交换信息的网关。它暴露了 Kubernetes API。它有两个主要角色：首先，它允许用户通过如 Kubectl 等工具与集群交互；其次，它验证和授权用户请求，确保只有授权用户可以执行操作。
  • 调度器：调度器负责将应用程序（或 Kubernetes 工作负载对象）分配到工作节点。它会根据资源需求将 Pod 分配到合适的节点。在 Kubernetes 中，Pod 是最小的部署单元。
  • 控制器管理器：该组件负责维护集群的稳定运行，例如处理节点故障和确保 Pod 数量正确。它会检测集群状态的变化，并在必要时采取措施恢复到期望状态。例如，如果 Pod 意外终止，控制器管理器会请求调度器选择一个新的节点来启动一个新的 Pod 作为替代，然后 kubelet 会负责启动新的 Pod。
  • etcd：etcd 被称为集群的大脑。它是一个键值存储，用于保存集群配置信息。所有集群变更都保存在这里。通过备份这个分布式存储，你可以备份整个集群。请注意，etcd 只存储集群状态数据，不存储应用程序数据。

从节点

每个从节点都运行三个进程，使得 K8s 可以与其交互并在每个节点内启动 Pod。这些必要的进程如下：

  • kubelet：kubelet 是 Kubernetes 的主要服务，它负责在节点上运行容器执行层。如果没有 kubelet，Kubernetes 就只是一个带有键值存储的 REST API。默认情况下，K8s 运行容器应用程序。容器彼此隔离，并与底层主机系统隔离。这有助于将应用程序的管理与彼此以及物理或虚拟基础架构分离。

    尽管 API 准入控制可以拒绝 Pod 或添加额外的约束，但 kubelet 是特定节点上运行的 Pod 的最终批准者，而不是调度程序或 Daemonsets。总结一下，kubelet 与节点和容器交互。它还获取配置文件并使用容器运行时启动 Pod。

  • 容器运行时：容器运行时负责运行容器。例如，你可以使用 Docker、rkt 等。
  • kube-proxy：kube-proxy 为节点上的 Pod 提供抽象层，实现负载均衡等策略。每个节点都运行 kube-proxy，它为访问动态 Pod 的客户端提供虚拟 IP 地址。这种结构在实现负载均衡的同时，保持了较低的性能开销。

容器化如何工作

容器化涉及将软件应用程序的所有必需组件虚拟化为一个单元。容器包含应用程序运行所需的库、二进制文件和配置，但不包括内核资源或虚拟化硬件。

“顶层”容器运行时负责执行和管理容器资源。由于容器只包含基本组件和应用程序依赖项，因此它们比虚拟机更轻量级，启动速度更快。

另请阅读：容器与虚拟机：差异解析

如何安装和设置 Kubernetes

在对 Kubernetes 的理论进行了深入探讨之后，接下来我们将关注实际操作，包括容器实践经验。本教程将详细介绍如何在 Windows 操作系统上进行安装。

在 Windows 上安装 Kubernetes 有多种方法，你可以选择命令行或图形用户界面。你需要确保你的系统满足以下硬件和软件要求：

硬件方面，主节点至少需要 2GB 的内存，而工作节点至少需要 700MB 的内存。软件方面，需要启用 Hyper-V、安装 Docker Desktop、为每个节点分配唯一的 MAC 地址，并确保每个节点拥有唯一的 Product UUID。以下是详细的步骤：

安装和设置 Hyper-V

Hyper-V 是 Windows 的默认虚拟化软件，可以视为增强版的 VirtalBox。它允许你通过 Microsoft GUI 或命令行来管理虚拟机。要启用 Hyper-V，请按照以下步骤操作：

  1. 打开控制面板。
  2. 单击左侧面板中的“程序”。
  3. 在“程序和功能”页面下，单击“启用或关闭 Windows 功能”。
  4. 选择“Hyper-V”和“虚拟机监控程序”功能。
  5. 单击“确定”；你的计算机应该会自动重启，以便激活新设置。

在某些情况下，计算机可能会多次重启以确保所有配置都已正确设置。你可以通过在 PowerShell 中键入以下命令来验证安装是否成功：

Get-WindowsOptionalFeature -Online -FeatureName Microsoft-Hyper-V

确认屏幕显示“Enabled”状态。

安装 Docker

正如你所知，Kubernetes 是一个构建在容器之上的容器编排工具；在这种情况下，Docker 是一个不错的选择。Kubernetes 与 Docker 进行通信，并在企业级别管理一切。下载适用于 Windows 的 Docker Desktop 开始行动。Docker Desktop 是简化 Dockerized 应用程序开发、运输和运行的首选。

这也是在 Windows 上使用 Hyper-V 和网络构建 Docker 应用程序的最快方式。安装成功后，只要运行 Docker Desktop，就可以在任何终端访问 Docker。有关安装的详细指南，你可以查阅 Docker 官方文档。如果在安装后遇到隐藏图标等问题，可以通过重启计算机来解决问题。

安装 Kubernetes

Docker GUI 允许你配置设置、安装和启用 Kubernetes。要安装 K8s，请按照以下步骤操作：

  1. 右键单击 Docker 托盘图标，然后选择“设置”。
  2. 单击“设置”后，从下拉菜单中选择“设置”。
  3. 在左侧面板中，选择“Kubernetes”，然后单击“应用”。

然后 Docker 将安装一些额外的软件包和依赖项。根据你的互联网速度，此过程大约需要五到十分钟。你可以使用 Docker 应用程序来确认一切正常。

由于可以使用 CLI 部署 Kubernetes 应用程序，因此你可能需要安装 K8s 仪表板，因为默认情况下未安装它。请按照以下步骤安装仪表板：

  1. 下载 YAML 配置文件。
  2. 使用此代码部署应用程序：kubectl apply -f .recommended.yaml
  3. 通过运行 kubectl.exe get -f .recommended.yaml.txt 来确认一切都已正确设置。

要访问仪表板，请在 PowerShell 上运行以下命令（不要在 CMD 中运行）：

  1. 运行以下代码：((kubectl -n kube-system describe secret default | select-string “token:”) – split “+”)[1]
    • 复制生成的令牌，然后运行 kubectl proxy。
  2. 在你的浏览器中，打开此链接。
  3. 单击“令牌”并将你的令牌粘贴到此处。
  4. 登录。

如果操作成功，你的屏幕上应该会显示 K8s 仪表板。 现在，你可以通过图形界面来管理你的应用程序，而无需使用 CLI。

另请阅读：如何在 Ubuntu 18 上安装 Kubernetes

如何创建和管理 Kubernetes 集群

如果你已经按照以上步骤操作，你应该已经成功地在你的主机上安装了 Kubernetes。接下来，按照以下步骤在你的集群上创建并执行基本的管理任务：

  1. 配置网络：你需要设置集群节点之间的网络，以允许它们相互通信。
  2. 设置集群身份验证：为集群访问创建身份验证和授权机制。
  3. 设置主组件：包括 API 服务器、调度器和控制器管理器。
  4. 加入工作节点：使用集群设置过程提供的配置文件将工作节点连接到集群。
  5. 部署附加组件：你可以安装扩展以增强集群的功能。
  6. 管理工作负载：是时候部署你的应用程序了。

虽然这只是集群创建过程的概述，但它涉及到许多步骤和命令。以下是有关如何在部署前创建集群的官方文档指南，它应该可以作为你的指导手册。

如何使用 Kubernetes 部署你的第一个应用程序

使用 K8s 时最常用的命令是 kubectl action resource，它允许你执行诸如创建或删除指定的资源等操作。

如果你遇到任何困难，可以在特定子命令后使用 --help 来获取更多信息。例如，Kubernetes get nodes --help。使用命令 kubectl create deployment Kubernetes-bootcamp --image=gcr.io/google-samples/Kubernetes-bootcamp:v1 来部署你的第一个 K8s 应用程序。

总结

本指南是 Kubernetes 技术的入门介绍。 你已经了解了 Kubernetes 的优点、特性和架构。为了让你真正上手，你可能需要参考一些外部资源。这些资源会解释这些技术是如何在后台运行的。

虽然作为初学者要掌握整个技术栈可能看起来令人望而生畏，但本文旨在提供一个流畅的入门指南，帮助你快速开始使用 Kubernetes。你需要大量的实践才能真正熟悉这项技术。因此，建议你参考 Kubernetes 的官方文档作为参考。实践越多，你成为 K8s 专家的速度就越快。

接下来，你可以查阅更多的 Kubernetes 教程，以便让初学者快速上手。