Kubernetes新手入门实践

这是一篇 kubernetes(简称 k8s,将中间的 8 个字母简写成“8”) 的基础教程,会使用实际例子来讲解 k8s 中的基础概念。

在这个教程中,假设你有基本的 Docker 使用基础,你将会学习到以下几点:

  • 搭建 k8s 集群
  • 部署一个容器化的应用到集群中
  • 通过 Service 暴露服务
  • 通过 Replica 来伸缩服务实例
  • 通过 Rolling Update 更新服务
  • Deployment, Pod, Node, Service 等相关的概念

安装 cli

kubectl 是 k8s 的命令行工具,可以方便地管理集群

安装集群

有两种方式可以安装 k8s 集群

云上安装 k8s

如果你有多台云服务器,使用 rancher 来搭建 k8s 集群是一个方便快捷的选择。

一般来说,国外的解决方案在中国很可能出现水土不服的情况,需要额外参考这篇文章————原生加速中国区Kubernetes安装

额外,还需要注意以下几点:

  • 云服务器的名字不能过长,超过 63 个字符之后,会导致该节点无法注册成功。
  • 需要使用和 rancher 兼容的 docker 版本,参考这个列表

搭建好集群之后,点击 UI 界面上的 kubernetes > cli > generate config,按照说明配置 kubectl ,即可将 kubectl 连接上 rancher 搭建的 k8s 集群

本机安装 k8s

本机使用 minikube 来安装 k8s 集群

同样由于水土不服, 请参考这篇文章————Minikube – Kubernetes本地实验环境

安装好之后,

$ kubectl version

可以看到客户端和服务器的版本:

Client Version: version.Info{Major:"1", Minor:"9", GitVersion:"v1.9.0", GitCommit:"925c127ec6b946659ad0fd596fa959be43f0cc05", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2017-12-15T21:07:38Z", GoVersion:"go1.9.2", Compiler:"gc", Platform:"windows/amd64"}
Server Version: version.Info{Major:"1", Minor:"8", GitVersion:"v1.8.0", GitCommit:"0b9efaeb34a2fc51ff8e4d34ad9bc6375459c4a4", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2017-12-27T05:32:18Z", GoVersion:"go1.9.1", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

这说明 k8s 集群已经成功启动,并且 kubectl 已经连接至 k8s 集群

Deployment

集群成功启动之后,为了让容器化(containerized)的应用(比如,一个打好 docker 镜像的 node.js web server)运行在 k8s 中,我们需要创建一个 Deployment。这个 Deployment 会告诉 k8s 如何去创建和更新应用的实例,k8s 会选择节点(Node)并在之上启动应用,同时还有持续监控我们应用的健康状况,一旦应用挂掉了,k8s 会自动重建这个应用的实例。这个自我修复机制(Self-healing Mechanism)用来应对节点的失效以及更新维护。

以一个简单的 express hello world 应用为例

// index.js: 
const app = require('express')()

app.get('/', (req, res) => {
    res.send('hello world');
});

app.listen(3000, () => {
    console.log('Server listening at port 3000');
});

上面的代码启动了一个 express 服务器,监听 3000 端口。

## Dockerfile:
FROM node
RUN mkdir /usr/app/
WORKDIR /usr/app/
COPY package.json package.json
COPY package-lock.json package-lock.json
RUN npm install
COPY index.js index.js
CMD ["node", "index.js"]
EXPOSE 3000

上面的 Dockerfile 声明在 node.js 这个基础镜像上构建,启动命令是 node index.js,声明对外暴露 3000 端口(这里的 EXPOSE 只是声明,不一定要和应用实际的监听的端口一样。比如一个应用可以同时监听 3000、4000、5000 端口, 虽然它只声明暴露 3000 端口,但其实 4000、5000 端口仍然是对外暴露的😂)

构建 docker 镜像,并 push 到 docker hub 中(需要登陆 docker id)

$ docker build -t ccccly/express-app:v1 .
$ docker push ccccly/express-app:v1

静静等待 push 好之后,我们就可以在 k8s 中通过这个镜像,创建一个 Deployment

### docker.io 是 docker hub 的 registry 地址
$ kubectl run express-app --image=docker.io/ccccly/express-app:v1

这条命令会做以下三件事:

  • 寻找合适的节点来运行 express-app
  • 拉取镜像,让它在节点上跑起来
  • 配置监控 express-app,确保服务的高可用性

创建好之后

## 获取 deployment 列表
$ kubectl get deployment

发现我们已经创建好了一个 Deployment

NAME          DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
express-app   1         1         1            1           1h

Pod 和 Node

一个 Deployment 会创建 Pod 来启动应用。在 k8s 中,Pod 是一组(一个或多个)容器以及这些容器公用的存储、网络等资源。它是 k8s 的最小单元。 一个 Pod 中可以有多个容器,这些容器共用一个 IP 和端口,一起被调度,在相同的 Node 上的同一个 Context 下运行。

Pod 永远在 Node 上运行。在 k8s 中,Node 是一个工作机器(Worker),它可以是虚拟机也可以是物理机。一个 Node 上可以运行多个 Pod,k8s 里的 Master 节点自动分配 Pod 到 Node 上运行

继续刚才的 express-app 里例子

## 获取 pod 列表
$ kubectl get pod

可以看到 express-app 的 Pod 正在运行

NAME                           READY     STATUS    RESTARTS   AGE
express-app-6b588847fc-dthlr   1/1       Running   0          1d

看一下这个 Pod 中的详细信息

$ kubectl describe pod express-app-6b588847fc-dthlr

查看这个 Pod 的日志

$ kubectl logs express-app-6b588847fc-dthlr

在 Pod 中执行 bash

$ kubectl exec -it express-app-6b588847fc-dthlr bash
### 在容器中 curl 一下,可以看到「hello world」的返回
$ curl localhost:3000
hello world
### 退出
$ exit

Service

Pod 有自己的生命周期,当一个 Node 死亡之后,Node 上的 Pod 也就消失了。为了容灾和负载均衡,通常会在 k8s 中运行多个应用的实例,也就有了多个 Pod。 每一个 Pod 都有自己的唯一的 IP 地址,一个 Pod 死亡重建之后就有了一个新的 IP 地址,所以 Pod 的 IP 地址是不确定的。然而服务的消费者只会使用固定的 IP 地址,所以需要有一种机制,来掩盖掉这些底层 IP 地址的变化,消除消费者和 Pod 的耦合。

Service 就是这样一种抽象机制,它定义了一组 Pod 和相应的访问机制。Pod 的 IP 不对集群外暴露,Service 则可以对外暴露。Service 内置 LoadBalancer 来将请求转发到不同的 Pod 上。

Service 一共有四种暴露机制:

  • ClusterIP(默认):通过集群的内部 IP (例如,10.0.0.151)暴露 Service,只能被集群内部的消费者访问
  • NodePort:使用 NAT 机制在 Node 上开启相同的 Port 来暴露服务,可以用 NodeIP:NodePort (例如,http://192.168.99.100:31530 )来访问
  • LoadBalancer:使用云服务厂商提供的外部负载均衡器来暴露服务,会是一个固定的外部 IP
  • ExternalName:通过 CNAME 来暴露服务

继续刚才的 express-app 的例子

使用 NodePort 来暴露 express-app,Service 的端口是 80,目标端口是容器对外暴露的端口 3000

$ kubectl expose deployment express-app --type NodePort --port 80 --target-port 3000
$ kubectl get service
NAME          TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
express-app   NodePort    10.0.0.151   <none>        80:31530/TCP   19m
kubernetes    ClusterIP   10.0.0.1     <none>        443/TCP        1d

这时候可以使用 NodeIP:NodePort 来从外界访问这个服务

$ curl http://192.168.99.100:31530
hello world

Scaling

为了保持 SLA(比如其中的一种 SLA,服务可用性达到 99.999%,内业经常说你的服务能达到几个 9,哈哈),通常会部署多份相同的应用,运行在多个 Pod 上。在 k8s 中,通过修改 Deployment 的 Replica(副本) 数量来达到 Scaling 的目的。

将 express-app 从 1 个 Replica, scale 到 4 个 Replicas

$ kubectl scale deployment express-app --replicas 4

查看 scale 后的 Deployment

$ kubectl get deployment
NAME          DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
express-app   4         4         4            4           1d

Rolling Update

消费者希望服务不间断,开发者需要频繁地更新应用。在 k8s 中,使用 Rolling Update 机制来更新应用,同时确保服务的高可用性。

在更新应用时,Rolling Update 先创建好更新之后的 Pod,再替换掉老的 Pod,以此来满足服务的连续性。

Rolling Update 根据 max-unavailable(一次更新中,最多有几个 Pod 不可用) 和 max-surge (一次更新中,最多可以额外创建几个 Pod)这两个参数来执行更新策略。

继续 express-app 的例子

修改 index.js,使它返回「hello world v2」

### 重新 build 镜像
$ docker build -t ccccly/express-app:v2 .
$ docker push ccccly/express-app:v2

执行 Rolling Update

$ kubectl describe deployment express-app
### 得知 express-app 这个 Deployment 使用的 Container 里的 Image 是 express-app:v1
### 更新 Image 为 docker.io 上面的 ccccly/express-app:v2 
$ kubectl set image deployment express-app express-app:v1=docker.io/ccccly/express-app:v2
NAME                           READY     STATUS              RESTARTS   AGE
express-app-7b747f7cd9-2xtrm   1/1       Terminating         0          6m
express-app-7b747f7cd9-4scjw   1/1       Terminating         0          6m
express-app-7b747f7cd9-kwsqx   1/1       Running             0          6m
express-app-7b747f7cd9-rk7hm   1/1       Terminating         0          6m
express-app-7d5b96f8b-cvx85    1/1       Running             0          7s
express-app-7d5b96f8b-gpqsw    1/1       Running             0          8s
express-app-7d5b96f8b-h4mxt    0/1       ContainerCreating   0          0s
express-app-7d5b96f8b-wp4db    0/1       ContainerCreating   0          1s

发现这次更新时,Pod 有三种状态,Running, ContainerCreating 和 Terminating

Update 完之后,测试一下

$ curl http://192.168.99.100:31530
hello world v2

发现应用已经更新😘

结语

至此,这篇教程已经结束,大家欢快地去玩耍 k8s 吧😄 如果在搭建和使用集群时,遇到任何困难,欢迎 ping 我。

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