Kubernetes是如何工作的？

• 主节点或主组件是什么？

  • 什么是Kube-ApiServers
  • etcd
  • kube调度器
  • kube控制器管理器
  • 云控制器管理器

• 节点组件是什么？

  • kubelet
  • kube代理

• 附加组件

  • DNS
  • 网页UI
  • 容器资源监控

Q) 主组件是什么？

• 主组件提供集群的控制平面。主组件做出关于集群的全局决策（例如，调度），并检测和响应集群事件（例如，当部署的副本字段未满足时启动一个新的pod）。

• 主组件可以在集群中的任何机器上运行。然而，为了简化，设置脚本通常在同一台机器上启动所有主组件，并且不在该机器上运行用户容器。

• Kubernetes主节点运行调度器、控制器管理器、API服务器和etcd组件，并负责管理整个Kubernetes集群。简而言之，它是集群的大脑！现在，让我们深入了解每个主组件。

kube-apiserver

• API服务器是Kubernetes控制平面的一个组件，它暴露了Kubernetes API。API服务器是Kubernetes控制平面的前端。

• Kubernetes API服务器的主要实现是kube-apiserver。kube-apiserver设计为水平扩展——也就是说，它通过部署更多实例来扩展。你可以运行多个kube-apiserver实例并将流量在这些实例之间进行负载均衡。

• 当你使用kubectl命令行界面与你的Kubernetes集群交互时，实际上是在与主API服务器组件通信。

• API服务器是整个集群的主要管理点。简而言之，它处理REST操作，验证它们，并在etcd中更新相应的对象。API服务器提供Kubernetes API，并旨在成为一个相对简单的服务器，大多数业务逻辑实现在单独的组件或插件中。

• API服务器还负责身份验证和授权机制。所有API客户端都应经过身份验证才能与API服务器交互。

• API服务器还实现了监视机制（类似于etcd），供客户端异步监控变化。这使得调度器和控制器管理器等组件能够以松耦合的方式与API服务器交互。

etcd

• 用于存储所有集群数据的高可用键值存储系统。

• 如果你的Kubernetes集群使用etcd作为其后端存储，请确保你有这些数据的备份计划。

• 对于Kubernetes来说，etcd可靠地存储Kubernetes集群的配置数据，表示集群在任何给定时间点的状态（集群中存在哪些节点，应该运行哪些pod，它们运行在哪些节点上，等等）。

• Kubernetes使用etcd作为其数据库。

• Etcd是用Go语言编写的，并使用Raft一致性算法管理一个高可用复制日志。Raft是一种设计为Paxos替代方案的一致性算法。一致性问题涉及多个服务器就值达成一致；这是分布式状态机上下文中常见的一个问题。Raft定义了三种角色（Leader、Follower和Candidate），并通过选举领导者实现一致性。更多信息请阅读Raft论文。

• Raft一致性算法

• Etcdctl是用Go语言编写的一个命令行接口工具，允许操作etcd集群。它可以执行各种操作，例如：

  • 设置、更新和删除键。
  • 验证集群健康状况。
  • 添加或移除etcd节点。
  • 生成数据库快照。

• 你可以在http://play.etcd.io上在线操作一个5节点的etcd集群。

• Etcd还实现了监视功能，为异步监控键的变化提供了基于事件的接口。一旦键被更改，“观察者”就会收到通知。这是Kubernetes上下文中的一个关键特性，因为API服务器组件严重依赖于此来接收通知并调用适当的业务逻辑组件，使当前状态向期望状态移动。

• etcd是一个可靠的集群范围协调和状态管理系统。它是基于Raft构建的。

• Raft为etcd系统中的分布式etcd节点提供了一个事件的总顺序。这有很多优点和缺点：

• 优点包括：

  • 任何节点都可以像主节点一样对待
  • 最小化停机时间（如果一个节点没有响应，客户端可以尝试另一个节点）
  • 避免分裂脑问题
  • 是一种可靠的分布式锁构建方法
  • 例如：你会使用etcd来协调自动选举新的Postgres主节点，以确保集群中只有一个主节点。

• 缺点包括：

  • 为了安全起见，需要集群的大多数节点提交写入——通常是到磁盘——然后再回复客户端
  • 相比单一主节点系统，需要更多的网络通信

kube-controller-manager

• 运行控制器的主组件。

• 从逻辑上讲，每个控制器都是一个独立的进程，但为了减少复杂性，它们都被编译成一个二进制文件并在一个进程中运行。

• 这些控制器包括：

  • 节点控制器：负责发现和响应节点下线的情况。
  • 复制控制器：负责维护系统中每个复制控制器对象所需的正确数量的pod。
  • 端点控制器：填充端点对象（即，将服务和服务端点关联起来）。
  • 服务账户和令牌控制器：为新命名空间创建默认账户和API访问令牌。

• Kube-controller-manager运行控制器，这些控制器是后台线程，负责集群中的例行任务。从逻辑上讲，每个控制器都是一个独立的进程，但为了减少复杂性，它们都被编译成一个二进制文件并在一个进程中运行。

• Kubernetes控制器管理器是一个守护进程，嵌入了Kubernetes随附的核心控制循环（也称为“控制器”）。基本上，一个控制器通过API服务器的监视功能观察集群的状态，当得到通知时，它会试图通过必要的变更将当前状态推向期望状态。随Kubernetes提供的控制器示例包括复制控制器、端点控制器和命名空间控制器。

• 此外，控制器管理器执行生命周期功能，如命名空间的创建和生命周期、事件垃圾回收、终止pod垃圾回收、级联删除垃圾回收、节点垃圾回收等。

kube-scheduler

• 在主节点上运行的组件，监视尚未分配节点的新创建pod，并选择一个节点让它们运行。

• 调度决策考虑的因素包括单个和集体资源需求、硬件/软件/策略约束、亲和性和反亲和性规范、数据局部性、工作负载之间的干扰以及截止日期。

• Kube-scheduler监视尚未分配节点的新创建pod，并选择一个节点让它们运行。

• 调度器监视未调度的pod，并根据请求资源的可用性、服务质量要求、亲和性和反亲和性规范以及其他约束，通过/binding pod子资源API将它们绑定到节点。一旦pod被分配了节点，Kubelet的常规行为就会被触发，pod及其容器会被创建。

节点组件

• 节点组件运行在每个节点上，保持正在运行的pod并提供Kubernetes运行环境。

kubelet

• 在集群中的每个节点上运行的代理。它确保pod中的容器正在运行。

• Kubelet通过各种机制提供的PodSpec集确保正在运行并健康的容器。Kubelet不会管理由Kubernetes创建之外的容器。

• Kubelet是主要的节点代理。它监视分配给其节点的pod（无论是通过apiserver还是本地配置文件）并：

  • 挂载pod所需的卷。
  • 下载pod的秘密。
  • 通过docker（或实验性地，通过rkt）运行pod的容器。
  • 定期执行任何请求的容器存活探针。
  • 通过必要时创建镜像pod来向系统其余部分报告pod的状态。
  • 向系统其余部分报告节点的状态。

kube-proxy

• kube-proxy是在集群中每个节点上运行的网络代理，实现了Kubernetes服务概念的一部分。

• kube-proxy在节点上维护网络规则。这些网络规则允许来自集群内外的网络会话与你的Pod进行网络通信。

• 如果操作系统包过滤层可用，kube-proxy会使用它。否则，kube-proxy自己转发流量。

容器运行时

• 容器运行时是负责运行容器的软件

参考资料：

Kubernetes主组件：etcd、API服务器、控制器管理器和调度器

理解etcd一致性及故障恢复

《Raft一致性算法》

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