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45、Kubernetes学习总结-懂 Pod 就懂了 Kubernetes 的一半

分类：Kubernetes学习总结    2024-01-28    阅读(124)

前言

Kubernetes 可以理解成一个对计算、网络、存储等云计算资源的抽象后的标准 API 服务。几乎所有对 Kubernetes 的操作，不管是用 kubectl 命令行工具，还是在UI或者CD Pipeline 中，都相当于在调用其 REST API。很多人说 Kubernetes 复杂，除了其本身实现架构复杂以外，还有一个原因就是里面有二十多种原生资源的 API 学起来曲线比较陡。但不用担心，我们只要抓住本质 – 提供容器计算能力的平台，就能纲举目张，很容易快速理解。在 K8S 中，最重要也最基础的资源是 Pod，翻译一下就是“豆荚”，我们用下面这个最最基础的 Nginx 容器为例，搞清楚豆荚的一生，K8S 就懂了一半。大家也不需要研究 Kubernetes 怎么搭建，推荐用 OrbStack 在本地一键安装一套 Docker & K8S 环境出来，快速开始实验。首先，写一段这样的 Yaml 文件出来。

# nginx.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
    - name: web
      image: nginx
      ports:
        - name: web
          containerPort: 80
          protocol: TCP

然后用kubectl 将 nginx 的 Pod 进行创建，命令后面加 -v8 是详细日志模式，可以看出来 kubectl 到底做了什么事情。

kubectl create pod -f nginx.yaml -v8

kubectl get pod -v8

在OpenLens 或 K9S 等可视化工具中，我们可以看到一个叫 Nginx 的 Pod 就被”生“出来了，从 kubectl 的详细日志中也可以看到 POST/GET 等请求的信息。

I1127 14:55:06.886901   83798 round_trippers.go:463] GET http://127.0.0.1:60649/77046cfbc5f80b52d9a1501954ee0672/api/v1/namespaces/default/pods?limit=500
I1127 14:55:06.886916   83798 round_trippers.go:469] Request Headers:
I1127 14:55:06.886921   83798 round_trippers.go:473]     User-Agent: kubectl...
I1127 14:55:07.166333   83798 round_trippers.go:580]     Cache-Control: no-cache, private

可以看到，在创建完成 Pod 之后，实际的 Pod 比我们在 Yaml 中声明的字段更多，这些多出来的字段就是 Pod 从出生后的经历证明：由调度器调度到集群可用节点、交给 kubelet 管理 Pod 生命周期、分配网络IP、挂载临时存储、容器运行时拉取镜像启动容器、控制器协调校正运行状态等等。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
status:
  phase: Running
  hostIP: 10.....
  podIP: 10.....
  conditions:
    - type: Initialized
      status: 'True'
      lastProbeTime: null
      lastTransitionTime: '2023-11-27T06:59:13Z'
    - type: Ready
      status: 'True'
      lastProbeTime: null
    .....
spec:
  volumes:
    - name: kube-api-access-72rkq
      ......
  containers:
    - name: web
      image: nginx
      ports:
        - name: web
          containerPort: 80
          protocol: TCP
      resources: {}
      volumeMounts:
        - name: kube-api-access-72rkq
          readOnly: true
          mountPath: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount
      terminationMessagePath: /dev/termination-log
      terminationMessagePolicy: File
      imagePullPolicy: Always
  restartPolicy: Always
  terminationGracePeriodSeconds: 30
  dnsPolicy: ClusterFirst
  serviceAccountName: default
  serviceAccount: default
  securityContext: {}
  schedulerName: default-scheduler
  tolerations:
    - key: node.kubernetes.io/not-ready
      operator: Exists
      effect: NoExecute
      tolerationSeconds: 300
    - key: node.kubernetes.io/unreachable
      operator: Exists
      effect: NoExecute
      tolerationSeconds: 300
  priority: 0
  enableServiceLinks: true
  preemptionPolicy: PreemptLowerPriority

展开来看，运行一个容器，必要的就是3大件：计算、网络、存储。

  1. 计算资源，就是 CPU/Mem/GPU，是在 spec 的 container 部分声明，这个案例中没有设置到底需要多少 resources，requests 和 resources.limits 为空，也就是说可能占满整个宿主机，这种情况一般叫 Best-Effort QoS 级别，调度优先级是比较低的。
  2. 实际情况下一般会设置合理的 requests/limits，达到 Burstable QoS 级别或者设置 requests、limits 一模一样达到 Guarantee 级别。这个 Pod 经过调度器调度到某个节点之后，就会交给一个叫 CRI（Container Runtime Interface）的接口，让 CRI 的实现来把容器真正建出来，通常是 containerd，cri-o，podman， docker 等等。
  3. 网络方面，可以看到在 status 里面，多出了 PodIP 字段，这个是调用底层一个叫 CNI（Container Network Interface）的接口，让 CNI 的实现层给出的IP，这个过程比较复杂，涉及到一个叫 pause 容器的东西，入门的时候可以忽略这些细节。
  4. 存储方面，可以看到自动挂载了一个 volume/volumeMounts，这是对 Pod 挂载的额外存储，可能是配置文件或密钥，也可能是挂载一些云厂商提供的持久化存储，比如 EBS、EFS 盘，则会涉及到 K8S 第三类底层接口，CSI（Container Storage Interface，我们用的云厂商的 Kubernetes 发行版本一般都已经内置了CSI的实现。

有了计算网络存储，Pod 就运行起来了，如果我们要更新 Pod，可以用 Update， Patch 接口，但是，Pod是一个 Kubernetes 的原子资源，只能更新极少数字段，比如 image 和 readinessGate。如果想结束掉这个 Pod，可以用 Delete 接口，来让 Pod 进入 Terminating 状态，最终被控制器删除，回收掉计算资源，容器镜像文件最终也会被 GC 掉。

这里只是讲了最浅显的流程，详细的 Pod 生命周期可以参考这里：https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/pods/pod-lifecycle/，尤其是一些和业务强相关的生命周期活动，比如 postStart 并行的启动 hook，preStop 串行的停止 hook，发送 SIGTERM 尝试结束进程，过了 Graceful Period 后发送 SIGKILL 信号等等，对业务很有用。

Kubernetes 集群视角的计算、网络、存储

至此，我们明白了计算网络存储资源，如何赋予到 Pod 这个载体上。那么，计算、网络、存储的资源池本身，在 Kubernetes 里叫什么？Kubernetes 集群的计算节点叫 Node，和传统云平台对硬件机器的定义不同，Node 也是抽象的资源，可以长出来，也可以死掉，不和运行哪个容器直接绑定，而是通过 label/selector，affinity 等调度相关的机制关联到 Pod。Kubernetes 集群的块存储资源叫 PersistentVolume，实际使用场景下，一般是用分布式文件系统来实现，根据业务的磁盘请求，自动创建 PersistentVolume 的东西叫 StorageClass。

  • Kubernetes 的网络是分好几层的：让整个集群变成一个大内网的 Pod 网络；让集群内服务互相访问自带 L4 负载均衡的 Service 网络，以及做精细流量治理的 L7 Ingress/GatewayAPI/ServiceMesh 网络。还有控制网络访问策略的 NetworkPolicy 资源。
  • 首先我们看 Pod 网络，虽然不同 CNI 实现的网络原理差别巨大，但目的都是一样的，给每个 Pod 分配IP，并打通和其他 Pod 之间的路由。比如 AWS 就用了一个很讨巧的方式实现，直接给 Pod 分配当前 VPC-Subnet 的二级IP，DHCP和路由表都是复用的，Pod 之间和现有 EC2 节点之间的通信方式完全一样。
  • 再来看作为内部L4负载均衡器的 Service 网络，给每个 K8S services 资源分配一个虚拟 IP（ClusterIP）。ClusterIP 分配后，kube-proxy 组件负责来实现这个虚拟IP的路由的创建和 Pod Endpoint 变化的实时校正。

还是以AWS EKS 为例，EKS 默认使用的 iptables 模式，kube-proxy 会在每个节点上把每个 ClusterIP Service 的 IP 写入 iptables，用 iptables 命令可以看到实现细节。

  • 由于每次变更导致的 iptables 修改，大规模集群用 K8S 内置的 Service 负载均衡是存在性能问题的，切换到 ipvs 模式可以解决；
  • 还有一种没有 ClusterIP 的 Headless Service，借助 DNS 实现了端点自动发现，不是常规的 L4 负载均衡；
  • 如果需要直接把某个 Service 暴露到公网去，还有 NodePort/LoadBalancer 类型的 Service，kube-proxy 会在集群每个节点 listen NodePort 端口，iptables写入 NodePort 对应的 DNAT 规则；
  • LoadBalancer / NodePort类型的Service还有一个关键字段“externalTrafficPolicy”，简单理解是跨节点负载均衡模式还是本地节点直连模式，跨节点负载均衡还会引起外部 LB 的健康检查失效问题以及内部服务无法获取 Client IP 问题，这些都是平台方需要处理好的，不需要业务方关心，业务团队记住一个原则，永远不要用 NodePort Service 就行。
# https://zhuanlan.zhihu.com/p/196393839
iptables -L -n
# Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
# target     prot opt source               destination         
# KUBE-PROXY-FIREWALL  all  --  anywhere             anywhere             ctstate NEW /* kubernetes load balancer firewall */
# KUBE-SERVICES  all  --  anywhere             anywhere             ctstate NEW /* kubernetes service portals */
# KUBE-FIREWALL  all  --  anywhere             anywhere  

iptables -L -t nat
#Chain KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU (1 references)
#target     prot opt source               destination         
#KUBE-SEP-HI2KQBDGYW5OVKWN  all  --  anywhere             anywhere             /* kube-system/kube-dns:dns -> 10.52.xx.xx:53 */ statistic mode random probability 0.50000000000

#KUBE-SEP-XQT5TF2PMBOMEGDC  all  --  anywhere             anywhere             /* kube-system/kube-dns:dns -> 10.52.xx.xx:53 */

最后了解一下L7服务网络，一般由类似 Nginx Ingress/Envoy 之类的应用流量负载均衡器提供，对于业务来说，就当把 nginx conf 拆成一个一个 yaml 片段就好。Ingress 直管南北向流量，而 Service Mesh 把东西南边向流量全托管了，也能实现一些比 Nginx conf 里面更复杂的行为，比如流量加密、鉴权、故障注入、熔断降级、重试等等。

其他原生资源要么是对 Pod 套娃、要么是打辅助的

Kubernetes 的 API 设计非常符合单一职责原则（SRP），Pod 就是一个包容器的单纯的豆荚，delete 了就没了。但是，你要跑服务怎么办？没关系，单一职责原则下，实现新功能就是一个套娃，Kubernetes 抽象了一个叫 Deployment 套住一个叫 ReplicaSet的东西，ReplicaSet 再来套住 Pod。这样，Deployment 只管变更处理轮换 RS，RS 只管保证有 n 个 pod 在跑，Pod 没了再生，死了重启，这里也体现了 Erlang 典型的 let it crash 思维。哪天你说要训练一个AI模型干掉 OpenAI，Kubernetes 给你提供了一个叫 CronJob和 Job 的抽象，CronJob 套住了 Job，Job 又套住了 Pod。Job 只管一次性 run 的东西，要重试几次，跑完多久删 Pod 这些事，Cronjob则是一个天然的分布式cron，只管定时把 job 这个东西生出来。CronJob 和 Job 广泛用在大数据处理管线、CICD管线，AI训练这些领域。OpenAI 也是一个包含 8000 多个节点的巨大Kubernetes 集群训练出来的。哪天你又想用 Kubernetes 运行一个数据库，恭喜头铁的你，学到了最复杂的一种原生资源，StatefulSet，deployment是把豆荚当牲畜，想杀就杀，StatefulSet 是把Pod 当宠物，宠物不好养的，每个 Pod 都不能随便动，更新的时候只能按序一个一个更新。除了这些对 Pod 套娃的资源，剩下的可以理解成打辅助的，比如把流量引入集群的Ingress，内部流量负载均衡的 Service，给每个Pod提供的分布式配置ConfigMap、分布式密钥存储 Secret。还有一些策略控制和资源限额的辅助类，这里不一一展开了。

重新思考 Kubernetes 是什么

到这里，我们大概搞清楚了 Kubernetes 对于使用者来说意味着什么。从Kubernetes 自身的组件视图来看包括这些东西：

  • 每个机器装一个叫 kubelet 的 Agent，控制这台机器运行什么
  • 每个机器装一个 kube proxy 的东西用来托管网络防火墙规则，并装一个 CNI 的实现，控制集群内部的 Pod IP 分配和网络路由
  • 可选的，装一个CSI的实现，接管持久化存储盘的创建和挂载
  • 这些东西都听 API Server + Controller Manager + Scheduler 组成的控制中心，这套控制中心暴露一套标准的可扩展的 REST API，数据全部存到了 ETCD 元数据集群里。让我们操作分布式集群，再也不用撸 shell 命令，一切命令都 API 化，一切资源都变成了 ETCD 的数据记录。

了解了这些，也就明白了 Kubernetes 本质上是对现有技术的封装，形成了一套云资源操作系统，真正干活的还是服务器上的进程而已，真正对资源做隔离的还是 cgroup 和 namespace 这些 linux 内核原有的东西。了解了这些，也就明白了，为什么 Kubernetes 挂了不影响正在跑的服务？为什么在Kubernetes 集群做应用性能调优，还是去看 EC2 用什么 instance type，PV存储是哪一代的 EBS、EFS，还是去看 Subnet 内核 VPC 之间怎么优化 RTT 延迟和提升带宽？Kubernetes 包含了分布式集群的一切，Kubernetes 又一无所有。

Kubernetes 的 A/B 面

  • Kubernetes 带来的最大的几个好处，分别是标准化、弹性、可扩展。REST API 带来的管理界面完全标准化，存个 ETCD 记录就创建或校正资源状态带来了极致弹性，扩缩容就在弹指之间。开发一个自定义资源就实现任意功能带来了丰富的可扩展性，演化出庞大的 CloudNative 生态系统。既要又要还要，标准，弹性，可扩展，都有了，看起来很完美，但任何事物都有两面，Kubernetes 的这些好处，也是坏处的根源。标准化的暗面是复杂化。标准要考虑到所有情况，所以这个标准不可能简单，仅仅是一个Pod的spec，就有几十个字段，可能一小半字段大部分人都没有见过。
  • Kubernetes 学透的难度和自建运维难度，从培训考证机构可见一斑。即使是大公司，也最好不要有自建 Kubernetes 的念头，Kubernetes 自己的几个组件每个都有上百个启动参数，要么是不懂坑有多大的年轻人，要么是假装整明白的人，要么是身在云厂商里面真正懂的人。弹性的暗面是易失性，连集群的 Node 能随时长出、随时消逝，带来了对应用架构的侵入，在 Kubernetes 中运行的有状态服务必须具备动态发现的能力，想在代码中配置静态IP的时代结束了。我还发现一个 Kubernetes 带来的效应，”日志丢失焦虑“，在VM上大概没有人会担心日志没采集到，Kubernetes上Pod飘来飘去，总有人问，服务挂掉前的最后一行日志怎么采的，采不到怎么办？
  • 可扩展的暗面是良莠不齐，在CNCF Landscape和开源社区的并不是都是优秀的产品，甚至有些问题很大的东西也流行起来。比如之前团队有位同事仔细读过 Clickhouse operator 代码，这个1.5K star的项目，代码质量可能在及格线以下。4年前和另一位同事尝试用 ES Operator 和 Kafka Helm Chart 来运维 ES/Kafka，当时成熟度还远没有达到生产可用的水平。另外，Helm 这个 Kubernetes 最流行的包管理工具，也是”worse is better“的典型代表，Helm 作者哲学家 Matt Butcher 提出 OAM 思想后，自己去搞”下一代云计算”WASM生态去了