写给前端的 K8S 上手指南

作者:阮大蒙,
链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/445217118

K8S 是什么

在回答这个问题之前,让我们一起先了解下 web 应用部署方式的演化过程。

宿主机模式

在我刚接触软件开发的时候,人们部署应用的方式通常是这样的:

首先需要一台服务器,然后在服务器上安装 Web Server (例如:Nginx 或者 Apache Server)。接着,根据应用的运行时要求,安装对应的软件包(例如:如果代码是用 Node.js 编写,就需要安装 Node.js 运行时环境)。最后,根据应用的其他功能,安装对应的软件,如数据库之类的。

应用部署的同时,宿主机上也多了各种软件程序。此时,这个 web 应用提供的服务如下图所示:

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随着 web 应用的日趋复杂,这种部署方式的弊端逐渐出现了。

现代服务器性能非常强悍,如果一台主机上仅运行几个程序,就可能造成机器资源利用率偏低。而且,由于程序是直接运行在宿主机上的,程序之间存在资源竞争关系,会互相影响。如果某个程序造成宿主机卡顿或挂掉,那么其他程序也无法正常工作了

在 2013 年出现 Docker 容器技术之后,这种部署方式逐渐被淘汰了。

容器

容器技术有多种实现方式,比较主流的是 Docker。

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其 logo 很好的体现了“容器”的特点——程序就像一个个集装箱,彼此隔离的运行在宿主机上。

区别于传统的宿主机部署模式,容器化技术提供了一个隔离环境。程序之间既不会互相影响,也不会影响宿主机的稳定。

Docker 方式运行的容器,可以理解为一个虚拟机(但和虚拟机还是有区别的,虚拟机是对硬件的虚拟化;Docker 是操作系统层的虚拟化)。它包含了运行程序所需的运行时环境和程序代码,启动后能够以端口映射的方式,将容器自身的服务暴露给宿主机和外部用户。

容器之间除了彼此隔离之外,也能够通过 Docker 引擎实现互联。容器之间的访问通常是以内部 IP 的方式进行的。

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随着 web 应用规模的继续扩大,单主机不再能满足性能要求。现在的部署是基于多主机、多容器进行的。那么,如何对这些主机资源和应用容器进行管理?这个问题的答案指向了本文的主角—— K8S。

开源的容器管理平台

K8S 的全称是Kubernetes,因为在首字母k和尾字母s中间有8个字母,因此被简写为 K8S(类似的还有i18n等)。它是由谷歌开源的,主流的容器管理平台。

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它的 logo 也很有意思,K8S 就像一个舵一样,让用户能够在茫茫大海中将满载集装箱的大船驶向成功的彼岸。

借助 K8S 提供的能力,运维人员——甚至是前端开发人员——能够很容易地在集群环境中部署和管理容器。并且,对于以下功能,K8S 也能够很好地支持:

  • 负载均衡
  • 高可用
  • 高并发(多实例)
  • 集群管理

K8S 环境需要先被安装和运行起来。由于这部分的操作需要服务器支持,这里就不做介绍了。下文的全部内容都基于读者能够连接到任一 K8S 系统这个前提之上。

K8S 核心知识点

在 K8S 中,所有资源都是通过声明式配置进行管理的,它们被称作 K8S 对象。以 namespace 为例:

 apiVersion: v1
 kind: Namespace
 metadata:
   name: demo-space
 spec:
   finalizers:
   - kubernetes
 status:
   phase: Active

不同类型的对象所需的配置不完全相同,但他们都应有如下几个基础配置:

  • apiVersion – 创建该对象所使用的 Kubernetes API 的版本,不同的版本,对于 yaml 中可使用配置项的字段、格式有不同的要求。
  • kind – 想要创建的对象的类别
  • metadata – 帮助唯一性标识对象的一些数据
  • spec – 你所期望的该对象的状态

更详细的文档,请移步 K8S 官网。

常见的 K8S 对象包括 Namespace、Ingress、Sevice、Development、Pod。其中,Namespace 是一个虚拟的概念,用来对集群划分不同的命名空间。通常,同一个 Namespace 中的资源,其命名应该是唯一的。其他几种类型的资源的关系如下图所示:

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Ingress

通常一个集群会包含数台物理主机,它们都是集群的节点,这些节点需要一个统一的 IP 进行访问。Ingress 提供了这项能力,它是整个集群的流量入口。

Ingress 控制器有多种实现,比较常见的是基于 Nginx 实现的。

Ingress-nginx 文档:https://kubernetes.github.io/ingress-nginx/user-guide/nginx-configuration/annotations/

Sevice

流量从 Ingress 进入集群之后,应该被分配给不同的容器处理。但通常来说,容器的 IP 不是固定的,这是因为在 K8S 中,可以随时增减容器的数量,此时容器 IP 就是动态的。

Service 是一个抽象概念,它的作用是在 Ingress 和 Pod 之间解藕它们二者的关联。它会动态获取可用的 Pod 的信息,传递给 Ingress,以保证进行正确的负载均衡。

不论是正常的增减容器数量(扩缩容)还是容器自身因为意外重启,流量总会被分配到可用的容器上。

Development

Development 是用于管理副本集和容器配置的。K8S 不建议用户直接操作副本集配置,所以 Development 通常是用户所需要接触的最基础的配置。

副本集一组以期望的规模稳定运行的容器集合。

通过 Development,可以实现如下功能:

  • 修改副本数量,然后副本集会以修改后的数量自动增删容器
  • 修改容器配置,此时会采用先启动新的容器,然后关闭旧的容器的方式,依次更新容器。这个阶段,服务一直会处于可用的状态。

Pod

Pod 是 K8S 中最小的部署单元,它包含了一组容器(可以是一个或多个)。同一个 Pod 中的不同容器之间可以通过localhost:<port>的方式互相访问对方暴露出来的服务,同时,容器之间可以访问共同的数据卷。多容器的使用场景通常是一个主容器加上多个 sidecar,他们彼此配合,共同实现功能需求。

以下是多容器配合的一个实例:

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上图中的 Web Server 容器可以对外提供资源访问的服务,同时,File Puller 作为一个 sidecar 容器,可以同时将远端的内容更新到本地存储中,以保证 Web Server 提供的内容是最新的。

kubectl 工具介绍

kubectl 是 K8S 提供的命令行工具,使得用户可以在本地对 K8S 集群发送操作指令。

MacOS 下的安装教程:https://kubernetes.io/zh/docs/tasks/tools/install-kubectl-macos/

安装完成后,创建配置文件:

 touch $HOME/.kube/config

然后在文件中加入集群配置:

下面的配置仅做参考,连接集群的时候需要改为对应的配置。

 apiVersion: v1
 # 集群配置,可以是多个;集群必须包含 server 字段
 clusters:
   - cluster:
       server: https://dami.net
     name: dami-c3
 # 上下文配置,可以是多个,每个上下文必须包含集群名称、namespace 名称、用户名
 contexts:
   - context:
       cluster: dami-c3
       namespace: demo-space
       user: manooog
     name: c3-demo-space-context
 # 当前默认的上下文配置,所有 kubectl 命令,都会默认使用这个上下文
 current-context: c3-demo-space-context
 kind: Config
 # 用户信息,包含用户名和对应的权限信息,可能是 token
 users:
   - name: manooog
     user:
       token: <yourToken>

保存好配置之后,就可以是使用 kubectl 命令对集群进行操作了。eg:

 kubectl get ingress # 获取当前 context 中对应的 namespace 中的 Ingress 配置

kubectl 功能比较多,根据使用习惯的不同,同一个功能也有不同的使用方式。下面列举一些我使用得比较多的命令。

查看配置

 kubectl get service/<xxx> -o yaml

以上命令的含义是,获取名称为xxx的 service 对应的配置文件,并且以 yaml 格式输出。对于不同的资源,通常是以<类型>/<名称>进行区分的。

应用配置文件

上面提到过,K8S 中一切资源都可以从声明式配置中得到。当我们想创建一个资源的时候,可以先创建对应的配置文件。然后使用以下命令使配置生效:

 kubectl create -f service.yaml
kubectl apply -f service.yaml

以上命令都可以应用配置文件,区别就在在于,create 通常用于第一次创建,apply则用于修改已存在的配置文件。我更倾向于使用 apply 命令。

二者在使用上的区别:https://stackoverflow.com/questions/47369351/kubectl-apply-vs-kubectl-create

查看 Pod 输出

 kubectl logs <pod> <conteiner-name>

获取 Pod 中对应的容器的输出信息。如果 Pod 中只有一个容器,container-name 可以省略。

进入容器内部命令行环境

在容器运行过程中,可能会出现异常情况,这个时候需要进入容器内部进行检查。这个时候可以使用以下命令:

 kubectl exec -it demo-5b7846d65b-nvnnm -- sh

如果 Pod 包含多个容器,同样需要使用 -c参数,指定需要进入的容器名称。

DEMO

这个 demo 的目标是启动一个 3 实例的 Node.js 后端程序,并实现以下效果:

 curl demo-20211215.io/20211215
// -> Hello World

http://demo-20211215.io 域名指向的是集群 Ip,当请求/20211215这个路径的时候,期望能收到 Node.js 后端返回的字符串:Hello World

由于这个示例域名是不存在的,因此我们这里利用 Hosts 进行配置。在本地 Hosts 增加一条记录,将域名直接绑定到测试集群的 Ingress IP上:

 <Ingress IP> demo-20211215.io

现在执行测试命令,将会得到下面的提示:

 $ curl -v demo-20211215.io/2021215
 *   Trying <Ingress IP>...
 * TCP_NODELAY set
 * Connected to demo-20211215.io (<Ingress IP>) port 80 (#0)
 > GET /2021215 HTTP/1.1
 > Host: demo-20211215.io
 > User-Agent: curl/7.64.1
 > Accept: */*
 > 
 < HTTP/1.1 404 Not Found
 < Server: nginx/1.19.2
 < Date: Tue, 14 Dec 2021 07:10:59 GMT
 < Content-Type: text/plain; charset=utf-8
 < Content-Length: 21
 < Connection: keep-alive

目前集群还不能响应对于 /20211215 这个 path 的请求。接下来,让我们一起试着将这个服务部署起来。

ingress 创建

首先,我们需要创建一条 Ingress 规则,并保存为ingress.yml

 apiVersion: extensions/v1beta1
 kind: Ingress
 metadata:
   name: demo-20211215
   annotations:
     nginx.ingress.kubernetes.io/ssl-redirect: "false"
 spec:
   rules:
     - host: demo-20211215.io
       http:
         paths:
           - path: /20211215
             backend:
               serviceName: demo-service-20211215
               servicePort: 80
 

执行创建命令:

 kubectl apply -f ingress.yaml

接着再执行:

 kubectl get ingress                             
NAME HOSTS ADDRESS PORTS AGE
demo-20211215 demo-20211215.io 10.136.3.47,10.136.3.48,10.136.32.44,10.136.32.45,10.136.35.53,10.136.37.54 80 2m13s

就可以看到刚才创建的那条 ingress 规则了。这个时候,再尝试访问demo-20211215.io/20211215,返回结果已经有了变化:

 $ curl demo-20211215.io/20211215
 < HTTP/1.1 503 Service Temporarily Unavailable
 < Server: nginx/1.19.2
 < Date: Tue, 14 Dec 2021 07:20:28 GMT
 < Content-Type: text/html
 < Content-Length: 197
 < Connection: keep-alive

目前服务仍不可访问,但配置已生效。

配置解析:

 metadata.name // 这条 ingress 的规则名称,同一个 namespace 中,name 字段是唯一的。
metadata.annotations // 这个是对 ingress 控制器的配置,视具体情况而定
spec.rules // 匹配规则

在这个配置中,有一条规则。即:响应对 http://demo-20211215.io/20211215 这个 URL 的请求,并且将请求转发给名为 demo-service-20211215的这个 service 的 80 端口。

注意,这个时候尚未创建对应的 Service,但 K8S 并没有提示创建 ingress 失败。这是因为K8S提供的服务发现的能力,如果后期对应的服务被创建了,那么自然会被 ingress 识别,并分配流量过去。

service 创建

创建service.yaml并贴入以下内容:

 apiVersion: v1
 kind: Service
 metadata:
   name: demo-service-20211215
 spec:
   selector:
     app: demo-app-20211215
   ports:
     - protocol: TCP
       port: 80
       targetPort: 3000

执行创建命令:

 kubectl apply -f service.yaml

创建好之后通过以下命令查看:

 kubectl get service/demo-service-20211215               
 NAME            TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
 demo-service-20211215   ClusterIP   10.254.40.168   <none>        80/TCP    51s

配置解析:

 metadata.name // service 的名称,在同一个 namespace 中,该字段是唯一的
spec.selector.app // 这是一个选择器,可以选择 labels 中包含 app=demo-app-20211215 的 pod 加入这个 service 中

deployment 创建

将下面的配置内容保存为deployment.yaml

 apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: demo-deployment-20211215
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: demo-app-20211215
template:
metadata:
labels:
app: demo-app-20211215
spec:
containers:
- name: demo-20211215
image: rxh1212/demo-20211215
ports:
- containerPort: 3000

创建以及查看的命令就不再举例了。

配置解析:

 metadata.name // deployment 的名称,也是 namespace 中必须要唯一的
spec.replicas // pod 的实例个数,这里是 3,表示将会部署三个应用实例
spec.selector.matchLabels // 应该与 spec.template.metadata.labels 相同,表示的是 pod 的 labels。
spec.template.spec.containers // 是一个数组,表示这个 deployment 所使用的容器。

在这里我使用了名为 rxh1212/demo-20211215 镜像,它是我单独编译的,包含一个 Node.js 应用。代码如下:

 "use strict"
 
 const express = require("express")
 
 // Constants
 const PORT = 3000
 const HOST = "0.0.0.0"
 
 // App
 const app = express()
 app.get("/20211215", (req, res) => {
   res.send("Hello World")
 })
 
 app.listen(PORT, HOST)
 console.log(`Running on http://${HOST}:${PORT}`)

镜像启动之后,会在 3000 端口提供一个 Http 服务。如果访问 /20211215,会收到Hello World的响应。

这个镜像的封装、编译过程,在此略过。感兴趣的可以在评论区留言。

言归正传,deployment 创建好之后,再对demo-20211215.io/20211215进行访问,即可得到以下响应:

 $ curl demo-20211215.io/20211215
< HTTP/1.1 200 OK
< Server: nginx/1.19.2
< Date: Tue, 14 Dec 2021 07:25:54 GMT
< Content-Type: text/html; charset=utf-8
< Content-Length: 11
< Connection: keep-alive
< X-Powered-By: Express
< ETag: W/"b-Ck1VqNd45QIvq3AZd8XYQLvEhtA"
<
* Connection #0 to host demo-20211215.io left intact
Hello World* Closing connection 0

至此,我们完成了一个简单的 K8S 部署流程。

源码

以上 Demo 使用的配置代码,已上传至 github 中:https://github.com/manooog/K8S-demo-20211215

写在后面

  • 为什么写容器相关文章?容器技术在前端开发中经常会遇到,例如:Gitlab CI/CD 使用的容器技术作为构建中的一环、开源或者公司自建的容器平台产品都是以容器技术作为支撑的。为了用好基于容器技术的各种工具、更好地熟悉云产品形态,前端开发工程师们很有必要了解一下容器相关技术。本文以 K8S 为引子,介绍了软件开发中应用部署方式的迭代变化、K8S 中的基础概念以及 kubectl 工具的用法,希望能够为初学容器技术的小伙伴提供一点帮助。

  • 看完之后能让读者得到什么?看完本文后,我希望读者能够掌握以下知识点:


    • K8S 是什么
    • 掌握配置和使用 kubectl 工具的方法
    • 熟悉 K8S 的核心概念
    • 对“基于 K8S 部署的服务“进行简单的故障排查和系统恢复
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