Kubernetes应用部署模型解析（部署篇）
【编者按】Kubernetes可用来管理Linux容器集群，加速开发和简化运维（即DevOps）。但目前网络上关于Kubernetes的文章介绍性远多于实际使用。本系列文章着眼于实际部署，带您快速掌握Kubernetes。在介绍部署之前需要了解的原理和概念之后，作者在本文中以一个简单的nginx服务来展示了复制器和Service的使用，特别通过对Service的cluster IP和NodePort的分析，使得读者能够了解这个模型中的网络特性。
一个简单的应用
讲了这么多的原理和概念，本章我们就部署一个简单应用来感受一下Kubernetes的部署模型。
部署Kubernetes集群
在 kubernetes github站点 上有数十种针对各种环境的部署文档，本文选择基于Ubuntu的集群部署方案。在没有使用本地docker镜像的情况下，在部署过程中需要确保能够访问站点gcr.io。
基于 Ubuntu的集群部署方案文档 写得比较详细，按照它的步骤几乎不会出错。在进行真正的部署之前，一定要确保：
- 所有的节点安装了docker version 1.2+ 和 bridge-utils
- 如果没有本地的docker registry, 要确保节点能访问互联网gcr.io
- 确保管理节点能够ssh 访问所有节点。比如ssh [email protected] ls
这里我们集群将采用下图显示的结构。我们将在管理节点上运行集群管理命令。我们将有一个服务和代理混合的节点，还有两个纯的代理节点。
首先我们要下载kubernetes的代码到管理节点上：
$ git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes.git
然后进行本地构建：
cd kubernetes ./build/run.sh hack/build-do.sh
修改config-default.sh定义集群，本文使用的几个关键配置如下:
gongysh@Fedora20:~/git/kubernetes/cluster/ubuntu$ cat config-default.sh #!/bin/bash # Define all your cluster nodes, MASTER node comes first" # And separated with blank space like <user_1@ip_1> <user_2@ip_2> <user_3@ip_3> export nodes="[email protected] [email protected] [email protected]" # Define all your nodes role: a(master) or i(minion) or ai(both master and minion), must be the order same export roles=("ai" "i" "i") # Define minion numbers export NUM_MINIONS=${NUM_MINIONS:-3} # define the IP range used for service portal. # according to rfc 1918 ref: https://tools.ietf.org/html/rfc1918 choose a private ip range here. export SERVICE_CLUSTER_IP_RANGE=192.168.3.0/24 # define the IP range used for flannel overlay network, should not conflict with above SERVICE_CLUSTER_IP_RANGE range export FLANNEL_NET=172.16.0.0/16 ....
最后运行集群构建命令：
$ cd cluster $ KUBERNETES_PROVIDER=ubuntu ./kube-up.sh
当你看到：
Kubernetes cluster is running. The master is running at:
http://192.168.0.201
... calling validate-cluster
Found 3 nodes.
1 NAME LABELS STATUS
2 192.168.0.201 <none> Ready
3 192.168.0.202 <none> Ready
4 192.168.0.203 <none> Ready
Validate output:
Cluster validation succeeded
Done, listing cluster services:
Kubernetes master is running at http://192.168.0.201:8080表明集群构建成功。
部署nginx应用
我们以下面的图来安装一个简单的静态内容的nginx应用：
首先，我们用复制器启动一个2个备份的nginx Pod。然后在前面挂Service，一个service只能被集群内部访问，一个能被集群外的节点访问。下面所有的命令都是在管理节点上运行的。
部署nginx pod 和复制器
如下表所示：
$ cat nginx-rc.yaml
apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
name: nginx-controller
spec:
replicas: 2
selector:
name: nginx
template:
metadata:
labels:
name: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx
ports:
- containerPort: 80
我们定义了一个nginx pod复制器，复制份数为2，我们使用nginx docker镜像。
执行下面的操作创建nginx pod复制器:
$ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 create -f nginx-rc.yaml
由于kubernetes要去gcr.io下载gcr.io/google_containers/pause镜像，然后下载nginx镜像，所以所创建的Pod需要等待一些时间才能处于running状态。
$ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 get pods NAME READY REASON RESTARTS AGE nginx-controller-6zr34 1/1 Running 0 48m nginx-controller-njlgt 1/1 Running 0 48m
我们可以使用describe 命令查看pod所分到的节点:
$ $ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 describe pod nginx-controller-6zr34 2>/dev/null | grep Node: Node: 192.168.0.203/192.168.0.203 $ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 describe pod nginx-controller-njlgt 2>/dev/null | grep Node: Node: 192.168.0.201/192.168.0.201
从上表可以看出，这个复制器启动了两个Pod，分别运行在192.168.0.201和203代理节点主机上。
部署节点内部可访问的nginx service
Service的type有ClusterIP和NodePort之分，缺省是ClusterIP，这种类型的Service只能在集群内部访问。下表是本文用的配置文件：
$ cat nginx-service-clusterip.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx-service-clusterip
spec:
ports:
- port: 8001
targetPort: 80
protocol: TCP
selector:
name: nginx执行下面的命令创建service:
$ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 create -f ./nginx-service-clusterip.yaml services/nginx-service $ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 get service NAME LABELS SELECTOR IP(S) PORT(S) kubernetes component=apiserver,provider=kubernetes <none> 192.168.3.1 443/TCP nginx-service-clusterip <none> name=nginx 192.168.3.91 8001/TCP
验证service的可访问性：
上面的输出告诉我们这个Service的Cluster IP是192.168.3.91，端口是8001。下面我们验证这个PortalNet IP的工作情况：
$ ssh 192.168.0.202 curl -s 192.168.3.91:8001
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
body {
width: 35em;
margin: 0 auto;
font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
}
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and working. Further configuration is required.</p>
<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>
<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>从前面部署复制器的部分我们知道nginx Pod运行在201和203节点上。上面我们特意从202代理节点上访问我们的服务来体现Service Cluster IP在所有集群代理节点的可到达性。
部署外部可访问的nginx service
下面我们创建NodePort类型的Service，这种类型的Service在集群外部是可以访问。下表是本文用的配置文件：
$ cat nginx-service-nodeport.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx-service-nodeport
spec:
ports:
- port: 8000
targetPort: 80
protocol: TCP
type: NodePort
selector:
name: nginx执行下面的命令创建service:
$ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 create -f ./nginx-service-nodeport.yaml services/nginx-service-nodeport $ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 get service NAME LABELS SELECTOR IP(S) PORT(S) kubernetes component=apiserver,provider=kubernetes <none> 192.168.3.1 443/TCP nginx-service-clusterip <none> name=nginx 192.168.3.91 8001/TCP nginx-service-nodeport <none> name=nginx 192.168.3.84 8000/TCP
使用下面的命令获得这个service的节点级别的端口：
$ kubectl -s http://192.168.0.201:8080 describe service nginx-service-nodeport 2>/dev/null | grep NodePort Type: NodePort NodePort: <unnamed> 32606/TCP
验证service的可访问性：
上面的输出告诉我们这个Service的节点级别端口是32606。下面我们验证这个Service的工作情况：
$ curl 192.168.0.201:32606
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
body {
width: 35em;
margin: 0 auto;
font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
}
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and working. Further configuration is required.</p>
<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>
<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>
代理节点上的IP tables规则解析
下面的图是IPTables中流量经过的table和chain。
可以看出，Kubernetes在nat表中插入了下面四条chain：
1. KUBE-PORTALS-CONTAINER
这个chain主要是处理所有service对象的cluster IP和port到kube-proxy本地端口的映射。比如下面规则：
-A KUBE-PORTALS-CONTAINER -d 192.168.3.84/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx-service-nodeport:" -m tcp --dport 8000 -j REDIRECT --to-ports 43981
就是为nginx-service-nodeport服务的Cluster IP准备的。其中192.168.3.84/32是该服务获得的Cluster IP，端口8000是其在定义文件中指定的spec.ports.port。43981则是kube-proxy为这个service分配的本地端口。规则的意思是到192.168.3.84:8000的流量重定向到43981。
2. KUBE-NODEPORT-CONTAINER
这条chain上则串连着类型为NodePort的service的NodePort规则。比如下面规则：
-A KUBE-NODEPORT-CONTAINER -p tcp -m comment --comment "default/nginx-service-nodeport:" -m tcp --dport 32606 -j REDIRECT --to-ports 43981
就是为nginx-service-nodeport服务的NodePort 32606准备的。意思是访问本地32606端口的流量重新定向到43981，后者是kube-proxy为这个service分配的本地端口。
3. KUBE-PORTALS-HOST
这条chain上也关联着各个service的Cluster IP和Port的规则，比如：
-A KUBE-PORTALS-HOST -d 192.168.3.84/32 -p tcp -m comment --comment "default/nginx-service-nodeport:" -m tcp --dport 8000 -j DNAT --to-destination 192.168.0.201:43981
这条规则是和KUBE-PORTALS-CONTAINER类似的，只不过流量来自于本地进程。
4. KUBE-NODEPORT-HOST
这条chain上则关联着类型为NodePort的service的NodePort规则。比如下面规则：
-A KUBE-NODEPORT-HOST -p tcp -m comment --comment "default/nginx-service-nodeport:" -m tcp --dport 30975 -j DNAT --to-destination 192.168.0.201:43981
这条规则是和KUBE-NODEPORT-CONTAINER类似的，只不过流量来自于本地进程。
总结
笔者认为Docker已经不是仅代表容器本身，而是一组以应用部署为中心的技术，产品和最佳实践生态系统。Kubernetes以其出身，文档的成熟度，社区的支持在这个生态系统中表现得比较突出。在部署Kubernetes时，我们首先要理解Kubernetes的组件结构，它们有哪些角色，各个角色的作用是什么和它们之接的通信。在应用部署时，了解Kubernetes的应用模型是非常重要的。笔者认为复制器和Service的概念是Kubernetes模型的核心，复制器和Service共同完成了应用的高可用性要求。最后本文以一个简单的nginx服务来展示了复制器和Service的使用，特别通过对Service的cluster IP和NodePort的分析，使得读者能够了解这个模型中的网络特性。
最后就是容器技术的选型，本文使用Docker作为容器，其实Kubernetes也支持CoreOS的rkt容器。kubelet的参数--container_runtime用于选择使用的容器技术。
Kubernetes 的详细介绍：请点这里
Kubernetes 的下载地址：请点这里