Kubernetes简介

Kubernetes是Google基于Borg开源的容器编排调度引擎，作为CNCF（Cloud Native Computing Foundation）最重要的组件之一，它的目标不仅仅是一个编排系统，而是提供一个规范，可以让你来描述集群的架构，定义服务的最终状态，Kubernetes可以帮你将系统自动得达到和维持在这个状态。

更直白的说，Kubernetes可以让用户通过编写一个yaml或者json格式的配置文件，也可以是通过工具/代码生成或者是直接请求Kubernetes API来创建应用，该配置文件中包含了用户想要应用程序保持的状态，不管整个Kubernetes集群中的个别主机发生什么问题，都不会影响应用程序的状态，你还可以通过改变该配置文件或请求Kubernetes API来改变应用程序的状态。

这意味着开发人员不需要在意节点的数目，也不需要在意从哪里运行容器以及如何与它们交流。开发人员也不需要管理硬件优化，或担心节点关闭（它们将遵循墨菲法则），因为新的节点会添加到Kubernetes集群，同时Kubernetes会在其他运行的节点中添加容器，Kubernetes会发挥最大的作用。

总结：Kubernetes是容器控制平台，可以抽象所有的底层基础设施（容器运行用到的基础设施）。

Kubernetes——让容器应用进入大规模工业生产。

Kubernetes另一个深入人心的特点是：它标准化了云服务提供商。比如，有一个Azure、Google云平台或其他云服务提供商的专家，他担任了一个搭建在全新的云服务提供商的项目。这可能引起很多后果，比如说：他可能无法在截止期限内完成；公司可能需要招聘更多相关的人员，等等。相对的，Kubernetes就没有这个问题。因为不论是哪家云服务提供商，你都可以在上面运行相同的命令，以既定的方式向Kubernetes API服务器发送请求，Kubernetes会负责抽象，并在不同的云服务商中实现。

对于公司来说，这意味着他们不需要绑定到任何一家云服务商。他们可以计算其他云服务商的开销，然后转移到别家，并依旧保留着原来的专家，原来的人员，他们还可以花更少的钱。

Pod

Kubernetes有很多技术概念，同时对应很多API对象，最重要的也是最基础的对象就是Pod。Pod是Kubernetes集群中运行部署应用的最小单元，并且是支持多个容器的。

Pod的设计理念是支持多个容器在一个Pod中共享网络地址和文件系统，可以通过进程间通信和文件共享这种简单高效的方式组合完成服务。Pod对多容器的支持是Kubernetes最基础的设计理念。比如你运行一个操作系统发行版的软件仓库，一个Nginx容器用来发布软件，另一个容器专门用来从源仓库做同步，这两个容器的镜像不太可能是一个团队开发的，但是他们一块儿工作才能提供一个微服务；这种情况下，不同的团队各自开发构建自己的容器镜像，在部署的时候组合成一个微服务对外提供服务。不过，在大多数情况下，我们只会在Pod中运行一个容器，本文中的例子也是这样的。

Pod 的另一个特征是：如果我们希望使用其他 RKE 等技术的话，我们可以做到不依赖Docker容器。

Docker是kubernetes中最常用的容器运行时，但是Pod也支持其他容器运行时。

总的来说，Pod的主要特征包括：

  • 每个Pod可以在Kubernetes集群内拥有唯一的IP地址；

  • Pod可以拥有多个容器。这些容器共享同一个端口空间，所以他们可以通过localhost交流（可想而知它们无法使用相同的端口），与其他Pod内容器的交流可以通过结合Pod的IP来完成；

  • 一个Pod内的容器共享同一个卷、同一个 IP、端口空间、IPC 命名空间。

定义一个Pod

如下，我们定义一个最简单的Pod：

apiVersion: v1
kind: Pod # 定义Kubernetes资源的类型为Pod
metadata:
  name: demo-web # 定义资源的名称
  labels: # 为Pod贴上标签，后面会介绍其用处
    app: demo-web
spec: # 定义资源的状态，对于Pod来说，最重要属性就是containers
  containers: # containers一个数组类型，如果你希望部署多个容器，可以添加多项
    - name: web # 定义本Pod中该容器的名称
      image: rainingnight/aspnetcore-web # 定义Pod启动的容器镜像地址
      ports:
        - containerPort: 80 # 定义容器监听的端口（与Dockerfile中的EXPOSE类似，只是为了提供文档信息）

然后保存，我这里命名为demo-web-pod.yaml。

现在我们可以在终端中输入以下命令来创建该Pod：

kubectl create -f demo-web-pod.yaml

# 输出
# pod/demo-web created

可以使用如下命令，来查看kubernetes中的Pod列表:

kubectl get pods

# 输出
# NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                       1/1     Running   0          65s

如果该Pod还处于ContainerCreating状态的话，你可以在运行命令的时候加入--watch参数，这样当Pod变成运行状态的时候，会自动显示在终端中。

访问应用程序

在上面，我们成功部署了一个ASP.NET Core Mvc程序的Pod，那么如何访问它呢？如果只是为了调试，我们可以使用转发端口的方式来快速访问：

kubectl port-forward demo-web 8080:80

# 输出
# Forwarding from 127.0.0.1:8080 -> 80

然后我们再浏览器中访问：127.0.0.1:8080，显示如下：

aspnetcore-web

如上，还展示了Pod的主机名和IP，这是因为我在应用中添加了如下代码：

public void OnGet()
{
    HostName = Dns.GetHostName();
    HostIP = Dns.GetHostEntry(HostName).AddressList.FirstOrDefault(x => x.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork).ToString();
}

不过，端口转发的方式只能在本机访问，为了从外部访问应用程序，我们需要创建Kubernetes中的另外一种资源：Service。

Service

Kubernetes中的Service资源可以作为一组提供相同服务的Pod的入口，这个资源肩负发现服务和平衡Pod之间负荷的重任。

在Kubernetes集群中，我们拥有提供不同服务的Pod，那么Service如何知道该处理哪个Pod呢？

这个问题就用标签来解决的，具体分两个步骤：

  • 给所有需要Service处理的对象Pod贴上标签。
  • 在Service中使用一个选择器（Label Selector），该选择器定义了所有贴有对应的标签的对象Pod。

标签

标签提供了一种简单的方法用于管理Kubernetes中的资源。它们用一对键值表示，且可以用于所有资源。

其实在上面的Pod定义中，我们已经定义了标签：

metadata:
  name: demo-web
  labels:
    app: demo-web

如上，我们为Pod附加了标签app:demo-web，在查看Pod的时候，可以使用--show-labels参数来显示Pod对应的标签：

kubectl get pods --show-labels

# 输出
# NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE     LABELS
# demo-web                       1/1     Running   0          1m52s   app=demo-web

可以看到，我们的Pod都拥有一个app=demo-web标签。

定义Service

现在，让我们为刚才创建的Pod定义一个Service：

apiVersion: v1
kind: Service # 定义Kubernetes资源的类型为Service
metadata:
  name: demo-web-service # 定义资源的名称
spec:
  selector: # 指定对应的Pod
    app: demo-web # 指定Pod的标签为demo-web
  ports:
  - protocol: TCP # 协议类型
    port: 80 # 指定Service访问的端口
    targetPort: 80 # 指定Service转发请求的端口
    nodePort: 30000
  type: NodePort # 指定Service的类型，在这里使用NodePort来对外访问

如上，我们使用selector属性来选择相应的标签，并把服务类型（type）设置为NodePort，type的取值有以下4种：

  • ClusterIP：默认值，通过集群的内部IP暴露服务，该模式下，服务只能够在集群内部可以访问。

  • NodePort：通过每个Node上的IP和静态端口（NodePort）暴露服务，NodePort服务会路由到ClusterIP服务，这个ClusterIP服务会自动创建。

  • LoadBalancer：使用云提供商的负载均衡器，可以向外部暴露服务，外部的负载均衡器可以路由到NodePort服务和ClusterIP服务。

  • ExternalName：通过返回CNAME和它的值，可以将服务映射到externalName字段的内容（如：foo.bar.example.com）。没有任何类型代理被创建，这只有 Kubernetes 1.7 或更高版本的kube-dns才支持。

对于服务类型我们先了解这么多就可以了，后续会再来详细介绍。

然后使用如下命令创建Service：

kubectl create -f demo-web-service.yaml

# 输出
# service/demo-web-service created

使用如下命令来检查服务的状态：

kubectl get services

# 输出
# NAME               TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
# demo-web-service   NodePort    10.105.132.214   <none>        80:30000/TCP   10s

如上，它有一个CLUSTER-IP为10.105.132.214，因此我们可以在集群内使用10.105.132.214:80来访问该服务，如果是在集群外部，可以使用NodeIP:30000来访问。

服务发现与负载均衡

在上面我们说到，Service肩负着发现服务和平衡Pod之间负荷的重任，那它是怎么做的呢？让我们先再添加一个Pod：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: demo-web-copy
  labels:
    app: demo-web
spec:
  containers:
    - name: web
      image: rainingnight/aspnetcore-web      
      ports:
        - containerPort: 80

如上，其定义与之前的Pod一样，只是把name改成了demo-web-copy，然后创建Pod:

kubectl create -f demo-web-copy.pod.yaml

# 查看Pod
kubectl get pods

# 输出
# NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                       1/1     Running   0          10m
# demo-web-copy                  1/1     Running   0          29s

现在我们使用NodeIP:30000来访问，打开两个浏览器窗口，多刷新几次，以便让它们分别路由到不同的Pod，最终显示如下：

aspnetcore-web-service

可以看到，我们新创建的Pod已经通过Servie来接受请求了，不需要修改成任何程序代码，Kubernetes就已经帮我们实现了服务发现和负载均衡，是不是非常爽。

Deployment

在上面我们手动部署了两个Pod，但是这只是单机的玩法，它与直接使用Docker容器相比并无太大优势，如果我们需要部署一千个实例，那就是一个痛苦的过程，或者我们又想快速更新和迅速回滚，这根本就是不可能的！

其实在k8s中，我们很少直接使用Pod，更多的是使用Kubernetes的另外一种资源：Deployment。

Deployment表示用户对Kubernetes集群的一次更新操作。可以是创建一个新的服务或是更新一个新的服务，也可以是滚动升级一个服务。Deployment可以帮助每一个应用程序的生命都保持相同的一点：那就是变化。此外，只有挂掉的应用程序才会一尘不变，否则，新的需求会源源不断地涌现，更多代码会被开发出来、打包以及部署，这个过程中的每一步都有可能出错。Deployment可以自动化应用程序从一版本升迁到另一版本的过程，并保证服务不间断，如果有意外发生，它可以让我们迅速回滚到前一个版本。

Deployment定义

现在，我们使用Deployment来部署我们的Pod，并实现在部署期间服务不间断服务，可以如下定义：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment # 定义Kubernetes资源的类型为Deployment
metadata:
  name: demo-web-deployment # 定义资源的名称
  labels:
    app: demo-web-deployment
spec:  # 定义资源的状态。
  replicas: 2 # 定义我们想运行多少个Pod，在这里我们希望运行2个
  selector:
    matchLabels: # 定义该部署匹配哪些Pod
      app: demo-web
  minReadySeconds: 5 # 可选，指定Pod可以变成可用状态的最小秒数，默认是0
  strategy: # 指定更新版本时，部署使用的策略
    type: RollingUpdate # 策略类型，使用RollingUpdate可以保证部署期间服务不间断
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 1 # 部署时最大允许停止的Pod数量（与replicas相比）
      maxSurge: 1 # 部署时最大允许创建的Pod数量（与replicas相比）
  template: # 用来指定Pod的模板，与Pod的定义类似
    metadata:
      labels: # 根据模板创建的Pod会被贴上该标签，与上面的matchLabels对应
        app: demo-web
    spec:
      containers:
        - name: web
          image: rainingnight/aspnetcore-web
          imagePullPolicy: Always # 默认是IfNotPresent，如果设置成Always，则每一次部署都会重新拉取容器映像（否则，如果本地存在指定的镜像版本，就不会再去拉取）
          ports:
            - containerPort: 80

保存为demo-web-deployment.yaml，然后输入以下命令来创建Deployment：

kubectl create -f demo-web-deployment.yaml

# 输出
# deployment.apps/demo-web-deployent created

现在我们再来查看以下Pod:

kubectl get pods

# 输出
# NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                               1/1     Running   0          4h28m
# demo-web-copy                          1/1     Running   0          18m
# demo-web-deployment-745f7997c4-d24bb   1/1     Running   0          16s
# demo-web-deployment-745f7997c4-jk9jn   1/1     Running   0          16s

如上，我们有4个运行中的Pod，其中前二个是我们手动创建的，其他两个是使用Deployment创建的。

我们可以使用kubectl delete pod <pod-name>删除一个Deployment创建的Pod，看看结果会怎样：

kubectl delete pod demo-web-deployment-745f7997c4-d24bb

# 输出
# pod "demo-web-deployment-745f7997c4-d24bb" deleted

再次查看Pod列表：

kubectl get pods

# 输出
# NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                               1/1     Running   0          31m
# demo-web-copy                          1/1     Running   0          22m
# demo-web-deployment-745f7997c4-jk9jn   1/1     Running   0          3m39s
# demo-web-deployment-745f7997c4-mrrw6   1/1     Running   0          11s

可以看到，又重新创建了一个Pod：demo-web-deployment-745f7997c4-mrrw6，Deployment会监控我们的Pod数量，保持为我们预期的个数。

零停机时间部署(Zero-downtime)

现在我们尝试以下零停机部署，首先修改Deployment中的image为：rainingnight/aspnetcore-web:1.0.0，然后运行如下命令：

kubectl apply -f demo-web-deployment.yaml --record

# 输出
# deployment.apps/demo-web-deployment configured

将kubectl的--record设置为true可以在annotation中记录当前命令创建或者升级了该资源。这在未来会很有用，例如，查看在每个 Deployment revision 中执行了哪些命令。

除了修改yaml外，还可以直接运行kubectl set image deployment demo-web-deployment web=rainingnight/aspnetcore-web:1.0.0 --record来达到同样的效果。

然后使用如下命令检查服务更新状态：

kubectl rollout status deployment demo-web-deployment

# 输出
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 of 2 updated replicas are available...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 of 2 updated replicas are available...
# deployment "demo-web-deployment" successfully rolled out

如上可以看到，新版本已经成功上线，并在这个过程中副本被逐个替换，也就意味着应用程序始终在线。

现在我们刷新一下浏览器，可以看到标题已经变成了Home page - Web-v1:

回滚到前一个状态

如果突然发现新上线的版本有Bug，需要紧急回滚到上一个版本，那对Kubernetes来说也是非常简单的。

我们首先运行如下命令来查看历史版本：

kubectl rollout history deployment demo-web-deployment

# 输出
# deployment.extensions/demo-web-deployment 
# REVISION  CHANGE-CAUSE
# 1         <none>
# 2         kubectl apply --filename=demo-web-deployment.yaml --record=true

如上，可以看到有2条历史，那么为什么第1条的CHANGE-CAUSE是<none>呢，这就是因为我们第二次部署的时候使用了--record=true参数。现在，我们想回滚到第一个版本，只需运行如下命令：

kubectl rollout undo deployment demo-web-deployment --to-revision=1

# 输出
# deployment.extensions/demo-web-deployment rolled back

再次刷新浏览器，标题又变回了Home page - Web。

部署多个应用

现在我们再部署一个ASP.NET Core WebApi程序，并在刚才的Web应用中调用它，形成一个最简单的微服务模式。

部署WebApi

与前面的Web应用的部署类似，就不用过多介绍，定义如下YAML:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: demo-api-deployment
  labels:
    app: demo-api-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: demo-api
  minReadySeconds: 5
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 1
      maxSurge: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: demo-api
    spec:
      containers:
        - name: api
          image: rainingnight/aspnetcore-api
          imagePullPolicy: Always
          ports:
            - containerPort: 80

然后创建Deployment：

kubectl create -f demo-api-deployment.yaml

查看部署情况：

kubectl get pods

# 输出
# NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-api-deployment-66575d644-9wk7g    1/1     Running   0          75s
# demo-api-deployment-66575d644-fknpx    1/1     Running   0          75s
# demo-web-deployment-745f7997c4-h7fr8   1/1     Running   0          9m23s
# demo-web-deployment-745f7997c4-kvptm   1/1     Running   0          9m23s

前面手动创建的2个Pod已经被我删除了，因为用Deployment创建的Pod就好了。

现在我们为Api应用也创建一个Service，以便在Web应用中访问它：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: demo-api-service
spec:
  selector:
    app: demo-api
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80

因为我们的Api应用是不需要在集群外部访问的，因此服务类型（type）不需要设置，使用默认的ClusterIP就可以了。

部署Servcie:

kubectl create -f demo-api-service.yaml

然后查看Servie:

kubectl get services

# 输出
# NAME               TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
# demo-api-service   ClusterIP   10.111.25.49     <none>        80/TCP         26s
# demo-web-service   NodePort    10.105.132.214   <none>        80:30000/TCP   58m

可以使用浏览器来访问：10.111.25.49/api/values 来验证一下是否部署成功。

调用服务

那么，还剩下最后一个问题，我们的Web应用中如何获取到Api应用的访问地址呢？

我们先看一下，在Web应用的代码中是怎么调用Api的：

// Startup.cs
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
    services.AddHttpClient("api", _ => _.BaseAddress = new Uri(Configuration["ApiBaseUrl"]));
}

// FetchData.cshtml
public class FetchDataModel : PageModel
{
    private static HttpClient _client;

    public FetchDataModel(IHttpClientFactory httpClientFactory)
    {
        _client = httpClientFactory.CreateClient("api");
    }

    public IList<WeatherForecast> Forecasts { get; set; }

    public async Task OnGetAsync()
    {
        var res = await _client.GetStringAsync("/api/SampleData/WeatherForecasts");
        Forecasts = JsonConvert.DeserializeObject<IList<WeatherForecast>>(res);
    }
}

如上，我们首先注册了一个HttpClient，并从配置文件中读取ApiBaseUrl做为BaseAddress，然后在FetchData页面中使用HttpClient调用Api服务。

因为在Asp.Net Core中，默认情况下，环境变量中的配置是会覆盖appsettings.json中的配置的，因此我们可以使用添加环境变量的方式来配置ApiBaseUrl。

修改demo-web-deployment.yaml，添加env属性，如下：

containers:
  - name: web
    image: rainingnight/aspnetcore-web
    imagePullPolicy: Always
    ports:
      - containerPort: 80
    env:
      - name: ApiBaseUrl
        value: "http://10.111.25.49"

然后在Kubernetes中应用该配置：

kubectl apply -f demo-web-deployment.yaml

等待滚动更新完成，刷新浏览器，点击FetchData菜单：

aspnetcore-web-fetchdata

如上，可以看到数据成功返回，但是直接使用集群IP10.111.25.49，这也有点太低级了，其实我们可以直接使用域名：http://demo-api-service，修改后如下：

  env:
    - name: ApiBaseUrl
      value: "http://demo-api-service"

提交到Kubernetes，然后刷新浏览器，可以看到完美运行，这是因为CoreDNS(Kube-DNS)帮我们完成了域名解析。

在Kubernetes 1.11中，CoreDNS已经实现了基于DNS的服务发现的GA，可作为kube-dns插件的替代品。这意味着CoreDNS将作为各种安装工具未来发布版本中的一个选项来提供。事实上，kubeadm团队选择将其作为Kubernetes 1.11的默认选项。

CoreDNS是一个通用的、权威的DNS服务器，提供与Kubernetes后向兼容但可扩展的集成。它解决了kube-dns所遇到的问题，并提供了许多独特的功能，可以解决各种各样的用例。

DNS服务器监控kubernetes创建服务的API, 并为每个服务创建一组dns记录。如果在整个群集中启用了dns, 所有Pod都会使用它作为DNS服务器。比如我们的demo-api-service服务，DNS服务器会创建一条”my-service.my-ns”也就是10.111.25.49:demo-api-service.default的dns记录，因为我们的Web应用和Api应用在同一个命名空间(default)中，所以可以直接使用demo-api-service来访问。

总结

本文带领大家一步一步部署了一个最简单的ASP.NET Core MVC + WebApi的微服务程序，介绍了Kubernetes中最基本的三个概念：Pod，Deployment，Service，相信大家对Kubernetes也有了一个全面的认识。

虽然Kubernetes整个体系是非常复杂的，但是不用担心，一开始我们不用去求甚解，最重要的是先跑起来，后续我会和大家一起逐步深入，由简到繁，愉快的掌握Kubernetes。

附本文所用示例代码：https://github.com/RainingNight/AspNetCoreDocker。

相关资料：

版权声明：本文为RainingNight原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
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