Kubernetes学习之路（一）之概念和架构解析和证书建立和分发

时间  2019-11-07
标签 kubernetes 学习 之路 概念 架构 解析 证书 建立 分发 栏目 系统架构 繁體版
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  • 一、Kubernetes的重要概念

转自：CloudMan老师公众号《天天5分钟玩转Kubernetes》https://item.jd.com/26225745440.htmlhtml

  • Cluster 

Cluster 是计算、存储和网络资源的集合，Kubernetes 利用这些资源运行各类基于容器的应用。前端

  • Master 

Master 是 Cluster 的大脑，它的主要职责是调度，即决定将应用放在哪里运行。Master 运行 Linux 操做系统，能够是物理机或者虚拟机。为了实现高可用，能够运行多个 Master。node

  • Node 

Node 的职责是运行容器应用。Node 由 Master 管理，Node 负责监控并汇报容器的状态，并根据 Master 的要求管理容器的生命周期。Node 运行在 Linux 操做系统，能够是物理机或者是虚拟机。linux

  • Pod 

Pod 是 Kubernetes 的最小工做单元。每一个 Pod 包含一个或多个容器。Pod 中的容器会做为一个总体被 Master 调度到一个 Node 上运行。web

Kubernetes 引入 Pod 主要基于下面两个目的：docker

    1. 可管理性。
      有些容器天生就是须要紧密联系，一块儿工做。Pod 提供了比容器更高层次的抽象，将它们封装到一个部署单元中。Kubernetes 以 Pod 为最小单位进行调度、扩展、共享资源、管理生命周期。数据库

    2. 通讯和资源共享。
      Pod 中的全部容器使用同一个网络 namespace，即相同的 IP 地址和 Port 空间。它们能够直接用 localhost 通讯。一样的，这些容器能够共享存储，当 Kubernetes 挂载 volume 到 Pod，本质上是将 volume 挂载到 Pod 中的每个容器。json

Pods 有两种使用方式：vim

    1. 运行单一容器。
      one-container-per-Pod 是 Kubernetes 最多见的模型，这种状况下，只是将单个容器简单封装成 Pod。即使是只有一个容器，Kubernetes 管理的也是 Pod 而不是直接管理容器。后端

    2. 运行多个容器。
      但问题在于：哪些容器应该放到一个 Pod 中？ 
      答案是：这些容器联系必须 很是紧密，并且须要 直接共享资源。

举个例子。

下面这个 Pod 包含两个容器：一个 File Puller，一个是 Web Server。

 

File Puller 会按期从外部的 Content Manager 中拉取最新的文件，将其存放在共享的 volume 中。Web Server 从 volume 读取文件，响应 Consumer 的请求。

这两个容器是紧密协做的，它们一块儿为 Consumer 提供最新的数据；同时它们也经过 volume 共享数据。因此放到一个 Pod 是合适的。

再来看一个反例：是否须要将 Tomcat 和 MySQL 放到一个 Pod 中？

Tomcat 从 MySQL 读取数据，它们之间须要协做，但还不至于须要放到一个 Pod 中一块儿部署，一块儿启动，一块儿中止。同时它们是之间经过 JDBC 交换数据，并非直接共享存储，因此放到各自的 Pod 中更合适。 

  • Controller 

Kubernetes 一般不会直接建立 Pod，而是经过 Controller 来管理 Pod 的。Controller 中定义了 Pod 的部署特性，好比有几个副本，在什么样的 Node 上运行等。为了知足不一样的业务场景，Kubernetes 提供了多种 Controller，包括 Deployment、ReplicaSet、DaemonSet、StatefuleSet、Job 等，咱们逐一讨论。

Deployment 是最经常使用的 Controller，好比前面在线教程中就是经过建立 Deployment 来部署应用的。Deployment 能够管理 Pod 的多个副本，并确保 Pod 按照指望的状态运行。

ReplicaSet 实现了 Pod 的多副本管理。使用 Deployment 时会自动建立 ReplicaSet，也就是说 Deployment 是经过 ReplicaSet 来管理 Pod 的多个副本，咱们一般不须要直接使用 ReplicaSet。

DaemonSet 用于每一个 Node 最多只运行一个 Pod 副本的场景。正如其名称所揭示的，DaemonSet 一般用于运行 daemon。

StatefuleSet 可以保证 Pod 的每一个副本在整个生命周期中名称是不变的。而其余 Controller 不提供这个功能，当某个 Pod 发生故障须要删除并从新启动时，Pod 的名称会发生变化。同时 StatefuleSet 会保证副本按照固定的顺序启动、更新或者删除。

Job 用于运行结束就删除的应用。而其余 Controller 中的 Pod 一般是长期持续运行。

  • Service 

Deployment 能够部署多个副本，每一个 Pod 都有本身的 IP，外界如何访问这些副本呢？

经过 Pod 的 IP 吗？
要知道 Pod 极可能会被频繁地销毁和重启，它们的 IP 会发生变化，用 IP 来访问不太现实。

答案是 Service。
Kubernetes Service 定义了外界访问一组特定 Pod 的方式。Service 有本身的 IP 和端口，Service 为 Pod 提供了负载均衡。

Kubernetes 运行容器（Pod）与访问容器（Pod）这两项任务分别由 Controller 和 Service 执行。 

  • Namespace

若是有多个用户或项目组使用同一个 Kubernetes Cluster，如何将他们建立的 Controller、Pod 等资源分开呢？

答案就是 Namespace。
Namespace 能够将一个物理的 Cluster 逻辑上划分红多个虚拟 Cluster，每一个 Cluster 就是一个 Namespace。不一样 Namespace 里的资源是彻底隔离的。

Kubernetes 默认建立了两个 Namespace。

[root@linux-node1 ~]# kubectl get namespace
NAME          STATUS    AGE
default       Active    1d
kube-system   Active    1d

default -- 建立资源时若是不指定，将被放到这个 Namespace 中。

kube-system -- Kubernetes 本身建立的系统资源将放到这个 Namespace 中。

  • 二、Kubernetes架构和集群规划

  • （1）Kubernetes架构

  • （2）K8S架构拆解图

K8S Master节点

从上图能够看到，Master是K8S集群的核心部分，主要运行着如下的服务：kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager、etcd和Pod网络（如：flannel）

API Server：K8S对外的惟一接口，提供HTTP/HTTPS RESTful API，即kubernetes API。全部的请求都须要通过这个接口进行通讯。主要处理REST操做以及更新ETCD中的对象。是全部资源增删改查的惟一入口。 
 Scheduler：资源调度，负责决定将Pod放到哪一个Node上运行。Scheduler在调度时会对集群的结构进行分析，当前各个节点的负载，以及应用对高可用、性能等方面的需求。 
 Controller Manager：负责管理集群各类资源，保证资源处于预期的状态。Controller Manager由多种controller组成，包括replication controller、endpoints controller、namespace controller、serviceaccounts controller等 
 ETCD：负责保存k8s 集群的配置信息和各类资源的状态信息，当数据发生变化时，etcd会快速地通知k8s相关组件。

Pod网络：Pod要可以相互间通讯，K8S集群必须部署Pod网络，flannel是其中一种的可选方案。

K8S Node节点

Node是Pod运行的地方，Kubernetes支持Docker、rkt等容器Runtime。Node上运行的K8S组件包括kubelet、kube-proxy和Pod网络。

Kubelet：kubelet是node的agent，当Scheduler肯定在某个Node上运行Pod后，会将Pod的具体配置信息（image、volume等）发送给该节点的kubelet，kubelet会根据这些信息建立和运行容器，并向master报告运行状态。 
Kube-proxy：service在逻辑上表明了后端的多个Pod，外借经过service访问Pod。service接收到请求就须要kube-proxy完成转发到Pod的。每一个Node都会运行kube-proxy服务，负责将访问的service的TCP/UDP数据流转发到后端的容器，若是有多个副本，kube-proxy会实现负载均衡，有2种方式：LVS或者Iptables 
Docker Engine：负责节点的容器的管理工做

Kubernetes中pod建立流程

　　Pod是Kubernetes中最基本的部署调度单元，能够包含container，逻辑上表示某种应用的一个实例。例如一个web站点应用由前端、后端及数据库构建而成，这三个组件将运行在各自的容器中，那么咱们能够建立包含三个container的pod。

具体的建立步骤包括：

（1）客户端提交建立请求，能够经过API Server的Restful API，也可使用kubectl命令行工具。支持的数据类型包括JSON和YAML。

（2）API Server处理用户请求，存储Pod数据到etcd。

（3）调度器经过API Server查看未绑定的Pod。尝试为Pod分配主机。

（4）过滤主机 (调度预选)：调度器用一组规则过滤掉不符合要求的主机。好比Pod指定了所须要的资源量，那么可用资源比Pod须要的资源量少的主机会被过滤掉。

（5）主机打分(调度优选)：对第一步筛选出的符合要求的主机进行打分，在主机打分阶段，调度器会考虑一些总体优化策略，好比把容一个Replication Controller的副本分布到不一样的主机上，使用最低负载的主机等。

（6）选择主机：选择打分最高的主机，进行binding操做，结果存储到etcd中。

（7）kubelet根据调度结果执行Pod建立操做： 绑定成功后，scheduler会调用APIServer的API在etcd中建立一个boundpod对象，描述在一个工做节点上绑定运行的全部pod信息。运行在每一个工做节点上的kubelet也会按期与etcd同步boundpod信息，一旦发现应该在该工做节点上运行的boundpod对象没有更新，则调用Docker API建立并启动pod内的容器。

  • （3）实验环境准备：

主机名    　　　　　　　　　　　　　　　IP地址    　　　　　　　　描述
linux-node1.example.com    eth0:192.168.56.110    K8S Master节点/ETCD节点
linux-node2.example.com    eth0:192.168.56.120    K8S Node节点/ETCD节点
linux-node3.example.com    eth0:192.168.56.130    K8S Node节点/ETCD节点

 

  • （4）系统环境初始化

1.安装Docker

第一步：使用国内Docker源

[root@linux-node1 ~]# cd /etc/yum.repos.d/
[root@linux-node1 yum.repos.d]# wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo

[root@linux-node2 ~]# cd /etc/yum.repos.d/
[root@linux-node2 yum.repos.d]# wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo

[root@linux-node3 ~]# cd /etc/yum.repos.d/
[root@linux-node3 yum.repos.d]# wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo

第二步：Docker安装：

[root@linux-node1 ~]# yum install -y docker-ce
[root@linux-node2 ~]# yum install -y docker-ce
[root@linux-node3 ~]# yum install -y docker-ce

第三步：启动后台进程：

[root@linux-node1 ~]# systemctl start docker
[root@linux-node2 ~]# systemctl start docker
[root@linux-node3 ~]# systemctl start docker
2.准备部署目录
[root@linux-node1 ~]# mkdir -p /opt/kubernetes/{cfg,bin,ssl,log}
[root@linux-node2 ~]# mkdir -p /opt/kubernetes/{cfg,bin,ssl,log}
[root@linux-node3 ~]# mkdir -p /opt/kubernetes/{cfg,bin,ssl,log}

3.准备软件包

百度网盘下载地址： 
https://pan.baidu.com/s/1zs8sCouDeCQJ9lghH1BPiw

4.解压软件包
[root@linux-node1 src]# tar zxf kubernetes.tar.gz 
[root@linux-node1 src]# tar zxf kubernetes-server-linux-amd64.tar.gz 
[root@linux-node1 src]# tar zxf kubernetes-client-linux-amd64.tar.gz
[root@linux-node1 src]# tar zxf kubernetes-node-linux-amd64.tar.gz

[root@linux-node1 src]# cd kubernetes   #解压的server、client、node都会解压到kubernetes目录下
[root@linux-node1 kubernetes]# ll
total 29536
drwxr-xr-x  2 root root        6 Apr 12 23:16 addons
drwxr-xr-x  3 root root       31 Apr 12 23:16 client
drwxr-xr-x 13 root root     4096 Apr 12 23:24 cluster
drwxr-xr-x  7 root root      131 Apr 12 23:25 docs
drwxr-xr-x 34 root root     4096 Apr 12 23:25 examples
drwxr-xr-x  3 root root       17 Apr 12 23:24 hack
-rw-r--r--  1 root root 24710771 Apr 12 23:16 kubernetes-src.tar.gz
-rw-r--r--  1 root root  5516760 Apr 12 23:16 LICENSES
drwxr-xr-x  3 root root       17 Apr 12 23:16 node
-rw-r--r--  1 root root     3329 Apr 12 23:25 README.md
drwxr-xr-x  3 root root       66 Apr 12 23:16 server
drwxr-xr-x  3 root root       22 Apr 12 23:24 third_party
-rw-r--r--  1 root root        8 Apr 12 23:25 version

各个节点增长kubernetes的环境变量

[root@linux-node1 ~]# vim .bash_profile
PATH=$PATH:$HOME/bin:/opt/kubernetes/bin
[root@linux-node1 ~]# source .bash_profile 

[root@linux-node2 ~]# vim .bash_profile
PATH=$PATH:$HOME/bin:/opt/kubernetes/bin
[root@linux-node2 ~]# source .bash_profile 

[root@linux-node3 ~]# vim .bash_profile
PATH=$PATH:$HOME/bin:/opt/kubernetes/bin
[root@linux-node3 ~]# source .bash_profile

  • 三、CA证书建立和分发

　　从k8s的1.8版本开始，K8S系统各组件须要使用TLS证书对通讯进行加密。每个K8S集群都须要独立的CA证书体系。CA证书有如下三种：easyrsa、openssl、cfssl。这里使用cfssl证书，也是目前使用最多的，相对来讲配置简单一些，经过json的格式，把证书相关的东西配置进去便可。这里使用cfssl的版本为1.2版本。

（1）安装 CFSSL

[root@linux-node1 ~]# cd /usr/local/src
[root@linux-node1 src]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64
[root@linux-node1 src]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64
[root@linux-node1 src]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64
[root@linux-node1 src]# chmod +x cfssl*　　#增长执行权限
[root@linux-node1 src]# mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /opt/kubernetes/bin/cfssl-certinfo
[root@linux-node1 src]# mv cfssljson_linux-amd64  /opt/kubernetes/bin/cfssljson
[root@linux-node1 src]# mv cfssl_linux-amd64  /opt/kubernetes/bin/cfssl

复制cfssl命令文件到k8s-node1和k8s-node2节点。若是实际中多个节点，就都须要同步复制。
[root@linux-node1 ~]# ssh-copy-id linux-node1
[root@linux-node1 ~]# ssh-copy-id linux-node2
[root@linux-node1 ~]# ssh-copy-id linux-node3
[root@linux-node1 ~]# scp /opt/kubernetes/bin/cfssl* 192.168.56.120:/opt/kubernetes/bin
cfssl                                              100%   10MB  18.1MB/s   00:00    
cfssl-certinfo                                     100% 6441KB  21.3MB/s   00:00    
cfssljson                                          100% 2224KB  13.3MB/s   00:00    
[root@linux-node1 ~]# scp /opt/kubernetes/bin/cfssl* 192.168.56.130:/opt/kubernetes/bin
cfssl                                              100%   10MB  22.5MB/s   00:00    
cfssl-certinfo                                     100% 6441KB  40.7MB/s   00:00    
cfssljson                                          100% 2224KB  43.1MB/s   00:00

（2）建立用来生成 CA 文件的 JSON 配置文件

[root@linux-node1 src]# mkdir ssl && cd ssl    #建立临时证书存放目录
[root@linux-node1 ssl]# pwd
/usr/local/src/ssl

[root@linux-node1 ssl]# vim ca-config.json
{
  "signing": {
    "default": {
      "expiry": "8760h"
    },
    "profiles": {
      "kubernetes": {
        "usages": [
            "signing",
            "key encipherment",
            "server auth",
            "client auth"
        ],
        "expiry": "8760h"
      }
    }
  }
}

（3）建立用来生成 CA 证书签名请求（CSR）的 JSON 配置文件

[root@linux-node1 ssl]# vim ca-csr.json
{
  "CN": "kubernetes",
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "System"
    }
  ]
}

（4）生成CA证书（ca.pem）和密钥（ca-key.pem）

[root@linux-node1 ssl]# cfssl gencert -initca ca-csr.json | cfssljson -bare ca　　#生成证书和密钥
2018/05/30 14:11:02 [INFO] generating a new CA key and certificate from CSR
2018/05/30 14:11:02 [INFO] generate received request
2018/05/30 14:11:02 [INFO] received CSR
2018/05/30 14:11:02 [INFO] generating key: rsa-2048
2018/05/30 14:11:02 [INFO] encoded CSR
2018/05/30 14:11:02 [INFO] signed certificate with serial number 167714418220584190953978332616641264281080483250
[root@linux-node1 ssl]# ll
total 20
-rw-r--r-- 1 root root  290 May 30 14:09 ca-config.json
-rw-r--r-- 1 root root 1001 May 30 14:11 ca.csr
-rw-r--r-- 1 root root  208 May 30 14:10 ca-csr.json
-rw------- 1 root root 1675 May 30 14:11 ca-key.pem
-rw-r--r-- 1 root root 1359 May 30 14:11 ca.pem

（5）分发证书

[root@linux-node1 ssl]# cp ca.csr ca.pem ca-key.pem ca-config.json /opt/kubernetes/ssl

SCP证书到k8s-node1和k8s-node2节点，之后增长节点也是须要将这些证书进行分发
[root@linux-node1 ssl]# scp ca.csr ca.pem ca-key.pem ca-config.json 192.168.56.120:/opt/kubernetes/ssl 
ca.csr                                                   100% 1001   350.2KB/s   00:00    
ca.pem                                                   100% 1359   891.4KB/s   00:00    
ca-key.pem                                               100% 1675     1.0MB/s   00:00    
ca-config.json                                           100%  290   180.7KB/s   00:00    
[root@linux-node1 ssl]# scp ca.csr ca.pem ca-key.pem ca-config.json 192.168.56.130:/opt/kubernetes/ssl 
ca.csr                                                   100% 1001   350.2KB/s   00:00    
ca.pem                                                   100% 1359   891.4KB/s   00:00    
ca-key.pem                                               100% 1675     1.0MB/s   00:00    
ca-config.json                                           100%  290   180.7KB/s   00:00
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