Kubernetes核心原理和搭建

1. 引言

在过去，我们在进行程序部署的时候，是直接将环境和程序统一配置部署到主机上，但是这样做容易造成程序与程序之间的混淆，所以为了处理这种问题，我们可以搭建一台不可变的虚拟机镜像，将环境和程序配置部署到虚拟机镜像中，但是虚拟机镜像部署存在体量过于庞大并且不可移动的问题，所以容器技术应运而生，容器技术是基于操作系统级别的虚拟化技术，各个容器与宿主机是隔离的，各个容器之间也是是隔离的，它比虚拟机镜像更容易搭建，并且可以很方便在不同的主机上移动。但是随着分布式、集群等技术在实际应用中越来越多，在实际的生产环境中，我们可能会涉及到多个容器，而这些容器可能会跨越多个服务器主机进行部署，所以一个基于容器技术的分布式架构解决方案应用而生，它就是Kubernetes。

2. Kubernetes的概念

Kubernetes(k8s)是一个基于容器技术的的分布式架构解决方案，是Google开源的容器集群管理系统，Google内部称为Borg,主要用于自动部署、扩展和管理容器化的应用程序，是以Docer为基础的分布式系统架构。 Kubernetes可以对分布式系统进行完美的支撑，它具备完善的集群控制能力，内建有智能的负载均衡器，拥有强大的故障发现和自我修复能力。同时还针对开发、部署测试、运维监控等提供了完善的管理工具。

Kubernetes的核心思想是：一切以服务为中心，根据这一核心思想，Kubernetes可以让在其上构建的系统独立运行在物理机、虚拟机群或者云上，所以，Service(服务)是Kubernetes进行分布式集群构建的核心，必须拥有如下关键特征：

拥有一个唯一指定的名称。 拥有一个虚拟IP和端口。

能够提供某种远程服务能力。

可以被映射到提供这种远程服务能力的一组容器应用上。


3. Kubernetes的术语

3.1 Master

Kubernetes的集群控制节点，负责整个集群的管理和控制，拥有一个etcd服务，用来保存所有资源对象的数据，我们执行的所有控制命令会发给他，他负责具体的执行过程，Master节点通常会独占一个服务器，在其上会运行以上一组关键的进程：

Kubernetes API Server:提供Http Rest接口的关键服务进程，是Kubernetes中增、删、改、查等操作的唯一入口，是集群控制的入口进程。

Kubernetes Controller Manager:Kubernetes中所有资源对象的自动化控制中心。

Kubernetes Scheduler:负责资源调度的进程。

3.2 Node

Kubernetes集群中的其他机器被称为Node节点，Node节点可以是一台物理主机，也可以是一台虚拟机，每个Node节点会被Master节点分配一些负载，所以Node节点是Kubernetes集群中工作负载节点，当某个Node节点宕机时，工作负载会被Master自动转移到其他节点。Node节点之上会运行一组关键进程：

kubelet:负责Pod对应容器的创建，启动、停止等任务。

kube-proxy:实现Kubernetes Service通讯与负载均衡机制的重要组件。

Docker Engine:Docker引擎，负责容器的创建和管理

3.3 Pod

Pod是Kurbernetes进行创建、调度和管理的最小单位，Pod运行在Node节点之上，其中包含多个业务容器，这些业务容器之间共享网络命名空间、Ip地址、端口，可以通过localhost进行通讯。Pod有两种类型：普通Pod和静态Pod。

3.4 Replication Controller

Kurbernetes用来管理和保证集群中拥有的Pod。

4. Kubernetes的架构

Kubernetes的一切都是基于分布式的，下面这张图就是Kubernetes的架构图

通过这张架构图我们发现Kurbernetes主要由以下几个核心组件组成：

·Etcd：保存整个集群的状态。

·API Server：提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制，是资源操作的唯一入口。

·Kurbernetes Controller：负责维护集群的状态。

·Scheduler：负责资源的调度。

·kubelet：负责维护容器的生命周期，同时管理Volume和网络。

·Container：负责镜像管理以及Pod和容器的真正运行。

·kube-proxy：负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡。

5. Kubernetes的搭建

5.1 准备工作

因为Kubernetes的一切都是基于分布式的，那么，要想搭建Kubernetes就需要准备多台服务器主机，因为条件有限，这里我采用搭建多台虚拟机系统的方式进行，所以需要将虚拟机和镜像系统准备好。

虚拟机：这里的虚拟机我采用的是VMware,当然也可以采用VirtualBox，VMware下载地址如下：
https://www.vmware.com/cn.html

镜像系统：虚拟机的镜像系统我采用的是：CentOS-7-x86_64-DVD-1810，下载地址如下：

http://mirrors.zju.edu.cn/centos/7.6.1810/isos/x86_64/CentOS-7-x86_64-DVD-1810.iso

5.2 虚拟机环境搭建

我们准备安装三个虚拟机节点，一个为Kubernetes的Master节点，剩下两个为Kubernetes的Node节点，这里我们只演示第一个安装第一个节点，剩下的两个节点，采用VMware复制镜像的方式进行。

5.2.1 虚拟机环境要求

搭建Kubernetes，虚拟机环境至少要满足以下要求：

·操作系统 CentOS 7

·内存 2G 【至少】

·CPU 2核【至少】

·硬盘 20G 【至少】

5.2.2 创建虚拟机

打开VMware，选择“文件”菜单“新建虚拟机”选项，或者直接点击界面上的“创建新的虚拟机”选项，创建新的虚拟机，如下图所示：

在弹出的弹窗中选择“经典”选项，点击“下一步”按钮，如下图所示：

在弹出的新的弹窗中选择“稍后安装操作系统”选项，点击“下一步”按钮，如下图所示：

在弹出的新的弹窗中选择客户机操作系统为“Linux”，版本为“CentOS 64位”，点击“下一步”按钮，如下图所示：

在弹出的新的弹窗中设置虚拟机名称为“K8S_Node1”,选择虚拟机系统的安装位置，点击“下一步”按钮，如下图所示：

在弹出的新的弹窗中设置最大磁盘大小为20G,选择“将虚拟磁盘存储为单个文件”，点击“下一步”按钮，如下图所示：

在弹出的新的弹窗中选择“自定义硬件”选项

在弹出的硬件配置弹窗中，内存设置为2048M，如下图所示：

处理器设置为2个，如下图所示：

镜像文件选择本地下载好的镜像文件，如下图所示：

设置完内存、处理、镜像文件之后，点击“关闭”按钮，回到新建虚拟机向导页面，点击“完成”按钮，完成新建虚拟机。

5.2.3 安装操作系统

在新建好虚拟机之后，在VMware主界面，选择对应的虚拟机，点击“开启此虚拟机”选项，启动虚拟机，如下图所示：

在打开的系统界面中选择“Install CentOS 7”,进行CentOS 7系统的安装，如下图所示：

在打开的界面中选择中文语言环境，点击“继续”按钮，继续进行安装，如下图所示：

在打开的界面中进行安装配置，如下图所示：

注意："软件选择”建议选择最后一个“开发及生产工作站”，“安装位置”选择默认“自动分区”，禁用Kdump，打开网络，让你的虚拟机可以连接到互联网。

在新打开的页面中设置Root密码，进行安装CentOS 7系统

安装完成后，会进入到系统的基本配置操作页面，可以进行语言环境的配置，如下图所示：

系统键盘布局和输入方式选择配置，如下图所示：

最后点击“开始使用CentOS Linux(s)”按钮，开始进入到CentOS 7系统中，如下图所示：

进入系统之后，使用“ifconfig”指令查看系统的ip地址，发现没有ip地址，如下图所示：

没有ip地址的原因，查看之前2.2.8的配置步骤，发现已经配置了网络适配器为NAT，那没有ip地址的原因可能就是系统在启动的时候没有加载网卡造成的，所以使用“vi”指令打开“/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33”文件，将其中的“ONBOOT=no”改为“ONBOOT=yes”,使用“wq”指令保存文件，如下图所示：

修改文件之后，需要通过“service network restart”重启网络服务，之后在使用“ifconfig”指令查看，就会发现ip地址就有了，如下图所示：

5.2.4 远程操作操作系统

因为在操作系统的终端中直接操作指令不太方便，比较好的方法是使用第三方的终端模拟软件，比如Xshell、SecureCRT登录，我这里使用的是SecureCRT进行操作。打开SecureCRT软件，配置一个连接，连接CentOS 7操作系统，如下图所示：

在远程连接成功之后，我们还需要配置CentOS 7的yum源，因为使用CentOS 7自带的yum源，在安装软件和下载依赖的时候会非常的慢，甚至有时候还会超时失败，所以这里不建议使用CentOS 7自带的yum源，我们可以执行如下命令，使用阿里云的源替换CentOS 7自带的yum源，如下图所示：

考虑到后续我们需要安装Kubernetes集群需要各种网络，所以需要将防火墙关闭，避免因为防火墙的问题导致连网失败，如下图所示：

在安装Kubernetes集群的时候，为了避免因为内存交互而影响性能以及稳定性，所以这里我们需要关闭Swap内存交互机制。使用“vi”指令打开“/etc/fstab”文件，将其中的swap配置注释掉，如下图所示：

5.2.5 安装Docker

Kubernetes是以Docker为基础的一个全新的分布式系统架构,安装Kubernetes必须要先安装Docker，可以参考Docker官方文档进行操作：https://docs.docker.com/install/linux/docker-ce/centos/#prerequisites

因为使用yum安装Docker的时候经常会超时失败，所以可以添加阿里云的Docker仓库，如下图所示：

使用yum安装Docker最新版本，如下图所示：

执行如下命令启动Docker并激活开机自动启动，如下图所示：

5.3 Kubernetes集群搭建

虚拟机环境我们在上边已经搭建好了，接下来我们就该搭建Kubernetes集群，我们将现在的虚拟机作为主节点，先安装Kubernetes，之后再复制出两个虚拟机作为工作节点。

5.3.1 安装Kubernetes

我们可以参考Kubernetes官方文档进行安装Kubernetes，下面是官方文档网址：https://kubernetes.io/docs/setup/independent/create-cluster-kubeadm/, 官方仓库因为被墙的原因我们无法使用，所以还是使用阿里云的仓库，执行以下命令添加kubernetes仓库：

Linux会对我们的访问进行控制，所以需要关闭，如下图所示：

5.3.2 安装kubelet、kubeadm、kubectl

执行以下的指令安装Kubernetes的kubelet、kubeadm、kubectl，如下图所示：

执行以下的指令配置kubelet的cgroup drive，要和docker的cgroup drive保持一致，如下图所示：

执行以下指令，启动kubelet

但是启动kubelet会失败，因为缺少证书，但是不用担心，之后我们在执行kubeadm init命令的时候会创建证书，这里不启动也不影响后续的配置。

5.3.3 下载Kubernetes的Docker镜像

接下来我们需要使用Kubernetes官方提供的kubeadm工具来初始化Kubernetes集群，但是kubeadm init默认会访问谷歌服务器，使用的Docker镜像仓库是k8s.gcr.io，国内是无法访问的，我们可以使用docker.io/mirrorgooglecontainers中转一下，所以需要执行以下命令，如下图所示：

但是coredns没包含在docker.io/mirrorgooglecontainers中，所以需要手工到coredns官方镜像转换下，执行以下命令进行操作，如下图所示：

最后通过“docker images”查看所有的镜像，会发现所有镜像都已经下载完成，如下图所示：

5.4 复制虚拟机

上面执行完成，Kubernetes就已经安装完毕了，接下来就需要复制虚拟机将其他节点创建出来。

5.4.1 复制虚拟机

关闭之前的虚拟机，在VMware的界面中，右键点击第一个节点，我这里叫做K8S_Node1,选择“管理”选项中的“克隆”选项，开始复制虚拟机，如下图所示：

进入到选择克隆源的选择，选择“虚拟机中的当前状态”选项，然后点击“下一步”按钮，如下图所示：

在弹出的选择克隆类型的窗口中选择“创建完整克隆”选项，点击“下一步”按钮，如下图所示：

在弹出的设置新的虚拟机名称的窗口中设置新的虚拟机的名称为K8S_Node2,并设置保存位置，然后点击“完成”按钮，进行复制操作，如下图所示：

重复上面的步骤复制出名称为K8S_Node3的虚拟机。

5.4.2 设置虚拟机网络

复制虚拟机结束之后，我们会发现三个节点ip为：

K8S_Node1:192.168.149.129

K8S_Node2:192.168.149.130

K8S_Node3:192.168.149.131

但是我们还需要进行一些配置，以便后续操作可以配置连接，这里以K8S_Node1为例：

使用“vi”指令编辑“/etc/hostname”文件,将hostname改为k8s-node1,注意这里不能大写，不能使用“_”，不然后续的Kubernetes配置会出问题，如下图所示：

使用“vi”指令编辑“/etc/hosts”文件，在其最后添加192.168.149.129 k8s-node1，如下图所示：

配置完毕之后，重启生效，剩下的两个节点也是如此的配置，这里不再演示。

5.5 创建Kubernetes集群

前面的准备工作都已经准备好了，接下来我们就可以开始创建Kubernetes集群了，这里我们使用之前安装的kubeadm来快速、方便的创建一个Kubernetes集群。

5.5.1 初始化Kubernetes集群

在主节点(K8S_Node1)上执行以下的命令，如下图所示：

当看到如下信息时，就表示Kubernetes集群初始化成功了，如下图所示：

我们需要将初始化成功的提示信息中的kubeadm join记录下来(之后会使用到)，同时需要执行提示信息中关于以下的几个指令，如下图所示：

5.5.2 创建网络

当初始化好Kubernetes集群之后，我们还需要配置网络，以便实现各个节点之间的通讯，设置网络可以使用Calico或者是flannel，这里我们采用flannel来设置网络，如下图所示：

5.6 配置Kubernetes集群

当Kubernetes集群初始化成功并设置好网络之后，我们就需要将Pod调度到Master上，因为Kubernetes默认是不会将Pod调度到Master中，所以我们需要手动设置。

5.6.1 将Master作为工作节点

可以执行以下命令，将Master节点作为工作节点，如下图所示：

5.6.2 将其他节点添加到集群

在K8S_Node2和K8S_Node3的节点上执行K8S_Node1节点进行kubeadm init初始化集群成功之后提示的kubeadm join指令，将K8S_Node2和K8S_Node3添加到集群中，如下图所示：

如果kubeadm join指令失败了，可以执行kubeadm reset进行重置，然后再次执行kubeadm join。

最后我们通过“kubectl get nodes”查看节点是否添加到集群中，如下图所示：

到此，Kubernetes集群就搭建完毕了。

6. 总结

通过上述的案例，我们就可以把Kubernetes集群搭建完成，之后我们可以在此基础上继续搭建Kubernetes的Dashboard，也可以在Kubernetes部署nginx、redis等软件。总之，通过Kubernetes我们可以很方便的进行分布式、集群操作，很方便的实现在物理机、虚拟机或者是云上进行项目的部署和迁移。 ​


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