第4章　Kubernetes架构

Kubernetes Cluster由Master和Node组成，节点上运行着若干Kubernetes服务。

4.1　Master节点

Master是Kubernetes Cluster的大脑，运行着的Daemon服务包括kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager、etcd和Pod网络（例如flannel），如图4-1所示。

图4-1

1. API Server（kube-apiserver）

API Server提供HTTP/HTTPS RESTful API，即Kubernetes API。API Server是Kubernetes Cluster的前端接口，各种客户端工具（CLI或UI）以及Kubernetes其他组件可以通过它管理Cluster的各种资源。

2. Scheduler（kube-scheduler）

Scheduler负责决定将Pod放在哪个Node上运行。Scheduler在调度时会充分考虑Cluster的拓扑结构，当前各个节点的负载，以及应用对高可用、性能、数据亲和性的需求。

3. Controller Manager（kube-controller-manager）

Controller Manager负责管理Cluster各种资源，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。

不同的controller管理不同的资源。例如，replication controller管理Deployment、StatefulSet、DaemonSet的生命周期，namespace controller管理Namespace资源。

4. etcd

etcd负责保存Kubernetes Cluster的配置信息和各种资源的状态信息。当数据发生变化时，etcd会快速地通知Kubernetes相关组件。

5. Pod网络

Pod要能够相互通信，Kubernetes Cluster必须部署Pod网络，flannel是其中一个可选方案。

以上是Master上运行的组件，下面我们接着讨论Node。

4.2　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Kubernetes组件有kubelet、kube-proxy和Pod网络（例如flannel），如图4-2所示。

图4-2

1. kubelet

kubelet是Node的agent，当Scheduler确定在某个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根据这些信息创建和运行容器，并向Master报告运行状态。

2. kube-proxy

service在逻辑上代表了后端的多个Pod，外界通过service访问Pod。service接收到的请求是如何转发到Pod的呢？这就是kube-proxy要完成的工作。

每个Node都会运行kube-proxy服务，它负责将访问service的TCP/UPD数据流转发到后端的容器。如果有多个副本，kube-proxy会实现负载均衡。

3. Pod网络

Pod要能够相互通信，Kubernetes Cluster必须部署Pod网络，flannel是其中一个可选方案。

4.3　完整的架构图

结合实验环境，我们得到了如图4-3所示的架构图。

图4-3

你可能会问：为什么k8s-master上也有kubelet和kube-proxy呢？

这是因为Master上也可以运行应用，即Master同时也是一个Node。

几乎所有的Kubernetes组件本身也运行在Pod里，执行如下命令，结果如图4-4所示。

kubectl get pod --all-namespaces -o wide

图4-4

Kubernetes的系统组件都被放到kube-system namespace中。这里有一个kube-dns组件，它为Cluster提供DNS服务，我们后面会讨论到。kube-dns是在执行kubeadm init时（第5步）作为附加组件安装的。

kubelet是唯一没有以容器形式运行的Kubernetes组件，它在Ubuntu中通过Systemd服务运行，如图4-5所示。

图4-5

4.4　用例子把它们串起来

为了帮助大家更好地理解Kubernetes架构，我们部署一个应用来演示各个组件之间是如何协作的。

执行下列命令，结果如图4-6所示。

kubectl run httpd-app --image=httpd --replicas=2

图4-6

等待一段时间，应用部署完成，如图4-7所示。

图4-7

Kubernetes部署了deployment httpd-app，有两个副本Pod，分别运行在k8s-node1和k8s-node2。

详细讨论整个部署过程，如图4-8所示。

图4-8

① kubectl发送部署请求到API Server。

② API Server通知Controller Manager创建一个deployment资源。

③ Scheduler执行调度任务，将两个副本Pod分发到k8s-node1和k8s-node2。

④ k8s-node1和k8s-node2上的kubectl在各自的节点上创建并运行Pod。

补充两点：

（1）应用的配置和当前状态信息保存在etcd中，执行kubectl get pod时API Server会从etcd中读取这些数据。

（2）flannel会为每个Pod都分配IP。因为没有创建service，所以目前kube-proxy还没参与进来。

4.5　小结

本章我们学习了Kubernetes的架构，讨论了Master和Node是哪个运行的组件和服务，并通过一个部署案例加深了对架构的理解。