Micro-PaaS典型代表：Kubernetes技术分析入门
概述
Docker的流行激活了一直不温不火的PaaS，随着而来的是各类Micro-PaaS的出现，Kubernetes是其中最具代表性的一员，它是Google多年大规模容器管理技术的开源版本。本系列文章将逐一分析Kubernetes，本文通过一个例子进行入门，介绍Kubernetes的基本概念和功能。
1. Kubernetes介绍
基本概念
- Pod
Pod是Kubernetes的基本操作单元，把相关的一个或多个容器构成一个Pod，通常Pod里的容器运行相同的应用。Pod包含的容器运行在同一个Node(Host)上，看作一个统一管理单元，共享相同的volumes和network namespace/IP和Port空间。
- Replication Controller
Replication Controller确保任何时候Kubernetes集群中有指定数量的pod副本(replicas)在运行， 如果少于指定数量的pod副本(replicas)，Replication Controller会启动新的Container，反之会杀死多余的以保证数量不变。Replication Controller使用预先定义的pod模板创建pods，一旦创建成功，pod 模板和创建的pods没有任何关联，可以修改pod 模板而不会对已创建pods有任何影响，也可以直接更新通过Replication Controller创建的pods。对于利用pod 模板创建的pods，Replication Controller根据label selector来关联，通过修改pods的label可以删除对应的pods。
- Service
Service也是Kubernetes的基本操作单元，是真实应用服务的抽象，每一个服务后面都有很多对应的容器来支持，通过Proxy的port和服务selector决定服务请求传递给后端提供服务的容器，对外表现为一个单一访问接口，外部不需要了解后端如何运行，这给扩展或维护后端带来很大的好处。
- Label
Label是用于区分Pod、Service、Replication Controller的key/value键值对，Pod、Service、 Replication Controller可以有多个label，但是每个label的key只能对应一个value。Labels是Service和Replication Controller运行的基础，为了将访问Service的请求转发给后端提供服务的多个容器，正是通过标识容器的labels来选择正确的容器。同样，Replication Controller也使用labels来管理通过pod 模板创建的一组容器，这样Replication Controller可以更加容易，方便地管理多个容器，无论有多少容器。
架构
Kubernets属于主从的分布式集群架构，包含Master和Node：
1. Master作为控制节点，调度管理整个系统，包含以下组件：
- API Server作为kubernetes系统的入口，封装了核心对象的增删改查操作，以RESTFul接口方式提供给外部客户和内部组件调用。它维护的REST对象将持久化到etcd(一个分布式强一致性的key/value存储)。
- Scheduler：负责集群的资源调度，为新建的pod分配机器。这部分工作分出来变成一个组件，意味着可以很方便地替换成其他的调度器。
- Controller Manager：负责执行各种控制器，目前有两类：（1）Endpoint Controller：定期关联service和pod(关联信息由endpoint对象维护)，保证service到pod的映射总是最新的。（2）Replication Controller：定期关联replicationController和pod，保证replicationController定义的复制数量与实际运行pod的数量总是一致的。
Node是运行节点，运行业务容器，包含以下组件：
Kubelet：责管控docker容器，如启动/停止、监控运行状态等。它会定期从etcd获取分配到本机的pod，并根据pod信息启动或停止相应的容器。同时，它也会接收apiserver的HTTP请求，汇报pod的运行状态。
Kube Proxy：负责为pod提供代理。它会定期从etcd获取所有的service，并根据service信息创建代理。当某个客户pod要访问其他pod时，访问请求会经过本机proxy做转发。
Kubernets使用Etcd作为存储和通信中间件，实现Master和Node的一致性，这是目前比较常见的做法，典型的SOA架构，解耦Master和Node。
2. Guestbook示例
Guestbook示例将会展示如何运行一个应用到Kubernetes上，应用包含
- Web前端
- Redis集群（一个master，2个slave）
1) 部署Kubernetes
如果你熟悉Bosh/Bosh Lite的话，可以使用kubernetes-release.本文使用Kubernetes环境：
- master:192.168.3.146
- node1:192.168.3.147
- node2:192.168.3.148
- node3:192.168.3.149
2)启动Redis Master
需要准备配置文件redis-master-controller.yaml，用于描述pod如何运行服务容器：
apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
name: redis-master
labels:
name: redis-master
spec:
replicas: 1
selector:
name: redis-master
template:
metadata:
labels:
name: redis-master
spec:
containers:
- name: master
image: redis
ports:
- containerPort: 6379即使只有一个Redis Master Pod实例，这里也使用ReplicationController保证Pod持续运行，否则Node挂掉的话，Pod将停止运行。
创建Pod：
$ kubectl create -f redis-master-controller.yaml
查看ReplicationController：
$ kubectl get rc CONTROLLER CONTAINER(S) IMAGE(S) SELECTOR REPLICAS redis-master master redis name=redis-master 1
查看Pod:
$ kubectl get pods -o wide NAME READY STATUS RESTARTS AGE NODE redis-master-u3fup 1/1 Running 0 2m node1
可以看到Pod运行在Node1节点，在Node1查看docker容器：
$ docker ps CONTAINER ID IMAGE ... feb393fbe42b redis:latestminute ago ... d9e934ee55ae gcr.io/google_containers/pause:0.8.0 ...
总共有2个容器正在运行，其中一个Redis Master，另外一个是google_containers/pause，它是Netowrk Container, 每启动一个Pod都会附加启动这样一个容器，它的作用就只是简单的等待，设置Pod的网络。
如果docker rm -f feb393fbe42b，删掉Redis Master Container，过一会儿就会有新的容器启动，这说明Kubernetes会保证Pod的容器运行。
$ docker ps CONTAINER ID IMAGE ... fc3b458d333a redis:latestminute ago ... d9e934ee55ae gcr.io/google_containers/pause:0.8.0 ...
如果把Node1关掉，Pod会迁移到其他Node上,这是ReplicationController保证Pod运行。
$ kubectl get pods -o wide NAME READY STATUS RESTARTS AGE NODE redis-master-x5kjp 0/1 Running 0 7s node3
上一步已经运行起了一个Redis Master Pod, 即使只有一个Pod，也是有必要使用Service。Kubernetes中Service中起到了负载均衡器的作用，通过Proxy和Selector决定服务请求传递给后端提供服务的Pod，对外提供固定的IP,这样的话Redis Master Pod迁移变化也不会影响。
需要redis-master-service.yaml来描述redis master service：
apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: redis-master labels: name: redis-master spec: ports: # the port that this service should serve on - port: 6379 targetPort: 6379 selector: name: redis-master #和redis-master的Label对应
创建Service：
$ kubectl create -f redis-master-service.yaml
查看Service:
$ kubectl get service
NAME LABELS SELECTOR IP(S) PORT(S) redis-master name=redis-master name=redis-master 10.254.189.63 6379/TCP
Kubernetes会分配IP(10.254.189.63)给Redis Master Service，这个就是Redis Master Service对外暴露的IP，可以通过redis-cli访问：
$ redis-cli -h 10.254.189.63 info
Kubernetes同时提供2种了发现Service的方法：
- 环境变量
当Pod运行的时候，Kubernetes会将之前存在的Service的信息通过环境变量写到Pod里面，以Redis Master Service为例，它的信息会被写到新的Pod里面：
"REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP=tcp://10.254.189.63:6379", "REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PROTO=tcp", "REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_ADDR=10.254.189.63", "REDIS_MASTER_SERVICE_PORT=6379", "REDIS_MASTER_SERVICE_HOST=10.254.189.63", "REDIS_MASTER_PORT=tcp://10.254.189.63:6379", "REDIS_MASTER_PORT_6379_TCP_PORT=6379",
这种方法有个比较明显的缺陷，Pod必须在Service之后启动，之前启动的Pod将没有这些环境变量。那么下一种方法就没有这个限制。
- DNS
当有新的Service创建，就会自动生成一条DNS记录，比如在Kubernetes的Namespace "my-ns"中有个Service叫"my-service",那么就有条DNS记录"my-service.my-ns"对应Service的IP。以Redis Master Service为例， 就有条DNS记录：
redis-master => 10.254.189.63
3)启动Redis Slave
apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
name: redis-slave
labels:
name: redis-slave
spec:
replicas: 2
selector:
name: redis-slave
template:
metadata:
labels:
name: redis-slave
spec:
containers:
- name: worker
image: kubernetes/redis-slave:v2
ports:
- containerPort: 6379创建Pod：
$ kubectl create -f redis-slave-controller.yaml $ kubectl get rc CONTROLLER CONTAINER(S) IMAGE(S) SELECTOR REPLICAS redis-master master redis name=redis-master 1 redis-slave worker kubernetes/redis-slave:v2 name=redis-slave 2 $ kubectl get pods -o wide NAME READY STATUS RESTARTS AGE NODE redis-master-x5kjp 1/1 Running 0 1h node3 redis-slave-04o8g 1/1 Running 0 5m node1 redis-slave-llxpk 1/1 Running 0 5m node1
redis-slave-service.yaml:
apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: redis-slave labels: name: redis-slave spec: ports: # the port that this service should serve on - port: 6379 selector: name: redis-slave
创建Service：
$ kubectl create -f redis-slave-service.yaml
$ kubectl get service
NAME LABELS SELECTOR IP(S) PORT(S)
redis-master name=redis-master name=redis-master 10.254.189.63 6379/TCP
redis-slave name=redis-slave name=redis-slave 10.254.70.184 6379/TCP
4)启动Web Frontend
$ kubectl create -f redis-slave-service.yaml $ kubectl get service NAME LABELS SELECTOR IP(S) PORT(S) redis-master name=redis-master name=redis-master 10.254.189.63 6379/TCP redis-slave name=redis-slave name=redis-slave 10.254.70.184 6379/TCP
创建Pod：
$ kubectl create -f frontend-controller.yaml $ kubectl get rc CONTROLLER CONTAINER(S) IMAGE(S) SELECTOR REPLICAS frontend php-redis kubernetes/example-guestbook-php-redis:v2 name=frontend 3 redis-master master redis name=redis-master 1 redis-slave worker kubernetes/redis-slave:v2 name=redis-slave 2 $ kubectl get pods NAME READY STATUS RESTARTS AGE frontend-7ukb6 1/1 Running 0 45s frontend-8ch4l 1/1 Running 0 45s frontend-n8l7w 1/1 Running 0 45s redis-master-x5kjp 1/1 Running 0 3h redis-slave-04o8g 1/1 Running 0 2h redis-slave-llxpk 1/1 Running 0 2h
apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: frontend labels: name: frontend spec: ports: # the port that this service should serve on - port: 80 selector: name: frontend
创建Service:
$ kubectl create -f frontend-service.yaml $ kubectl get service NAME LABELS SELECTOR IP(S) PORT(S) frontend name=frontend name=frontend 10.254.58.118 80/TCP redis-master name=redis-master name=redis-master 10.254.189.63 6379/TCP redis-slave name=redis-slave name=redis-slave 10.254.70.184 6379/TCP
Web Frontend是需要对外暴露的，这样外部网络才能真正访问该应用，Kubernetes提供了2种方式暴露Service到外部网络：
- NodePort
Kubernetes将会在每个Node上设置一个Port，访问该Port会被转发到对应的Service。这支持开发者设置自己的LoadBalancer。
- LoadBalancer
Kubernetes会设置LoadBalancer给Service。
本文采用NodePort方式， 更改frontend-service.yaml:
apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: frontend labels: name: frontend spec: type: NodePort ports: # the port that this service should serve on - port: 80 nodePort: 30061 selector: name: frontend
那么就可以通过任意节点访问该应用：
参考
http://kubernetes.io/v1.0/docs
https://github.com/GoogleCloud ... es.md
https://github.com/GoogleCloud ... tbook
作者简介
吴龙辉，现任网宿科技高级运营工程师，致力于云计算PaaS的研究和实践，活跃于CloudFoundry、Docker、Kubernetes等开源社区，贡献代码和撰写技术文档。