Introduction basic of kubernetes
我們要學習 Kubernetes，就有首先了解 Kubernetes 的技術范圍、基礎理論知識庫等，要學習 Kubernetes，肯定要有入門過程，在這個過程中，學習要從易到難，先從基礎學習。
那么 Kubernetes 的入門基礎內容（表示學習一門技術前先了解這門技術）包括哪些？
根據 Linux 開源基金會的認證考試，可以確認要了解 Kubernetes ，需要達成以下學習目標：
- Discuss Kubernetes.
- Learn the basic Kubernetes terminology.
- Discuss the configuration tools.
- Learn what community resources are available.
接下來筆者將一一介紹 Kubernetes 的一些概念(Discuss)、技術術語(Terminology)、相關配置工具以及社區開源資源(Community resources)。
本系列教程將會混雜一些英文，因為研究和使用 Kubernetes 的過程中，會接觸到大量英文，并且 Kubernetes 的國際認證考試，都是英文考試，多接觸一些英文單詞，慢慢積累吧。。。
本系列教程主要參考 Linux 開源基金會的課程內容及 Kubernetes 文檔，課程內容按照 Attribution 3.0 Unported (CC BY 3.0) 協議，在寫作時參考、復制網站內容、共享知識庫等。關于 CC BY 3.0 協議，其說明如下：
- 共享—以任何媒介或格式復制和重新分發材料
- 適應-重新混合，變換并在材料上構建
- 出于任何目的，甚至出于商業目的。
Linux 開源基金會認證考試與課程學習網址：
https://training.linuxfoundation.org/#
使用條款：
https://www.linuxfoundation.org/terms/
學習 Kubernetes 后，可以進一步考取以下認證證書：
Kubernetes 管理員認證 (CKA)、Kubernetes 應用程序開發者認證 (CKAD)、Kubernetes安全專家認證 (CKS)。
What Is Kubernetes?
我們先思考一下，運行一個 Docker 容器，只需要使用 docker run ... 命令即可，這是相當簡單(relatibely simple)的方法。
但是，要實現以下場景，則是困難的：
- 跨多臺主機的容器相互連接(connecting containers across multiple hosts)
- 拓展容器(scaling containers)
- 在不停機的情況下配置應用(deploying applications without downtime)
- 在多個方面進行服務發現(service discovery among several aspects)
在 2008年，LXC（Linux containers） 發布第一個版本，這是最初的容器版本；2013 年，Docker 推出了第一個版本；而 Google 則在 2014 年推出了 LMCTFY。
為了解決大集群(Cluster)中容器部署、伸縮和管理的各種問題，出現了 Kubernetes、Docker Swarm 等軟件，稱為 容器編排引擎。
Kubernetes 是什么？
"an open-source system for automating deployment, scaling, and management of containerized applications".
“一個自動化部署、可拓展和管理容器應用的開源系統”
Google 的基礎設施在虛擬機(Virtual machines)技術普及之前就已經達到了很大的規模，高效地(Efficiency)使用集群和管理分布式應用成為 Google 挑戰的核心。而容器技術提供了一種高效打包集群的解決方案。
多年來，Google 一直使用 Borg 來管理集群中的容器，積累了大量的集群管理經驗和運維軟件開發能力，Google 參考 Borg ，開發出了 Kubernetes，即 Borg 是 Kubernetes 的前身。（但是 Google 目前還是主要使用 Borg）。
Kubernetes 從一開始就通過一組基元(primitives)、強大的和可拓展的 API 應對這些挑戰，添加新對象和控制器地能力可以很容易地地址各種各樣的產品需求(production needs)。
因為 Kubernetes 這個單詞不好發音，而 k 和 s 之間有 8 個單詞，因此一般大家都讀 k 8 s。
Kubernetes 是使用 Go 語言編寫的。
當然，除了 Kubernetes ，還有 Docker Swarm、Apache Mesos、Nomad、Rancher 等軟件可以監控容器狀態、動態伸縮等。
Components of Kubernetes
Kubernetes 的組件分為兩種，分別是 Control Plane Components(控制平面組件)、Node Components(節點組件)。
Control Plane Components 用于對集群做出全局決策；
Node Components 在節點中運行，為 Pod 提供 Kubernetes 環境。
Docker 和 Kubernetes 并不是想上就上的，這可能需要改變開發模式和系統管理方法(system administration approach)。在傳統環境中，會在一臺專用服務器(dedicated server)部署(Deploy)單一的應用(a monolithic application)，當業務發展后，需要更大的流量帶寬、CPU和內存，這時可能對程序進行大量的定制（提高性能、緩存優化等），同時也需要更換更大的硬件(hardware)。
而在使用 Kubernetes 的解決方案中，是使用更多的小型服務器或者使用微服務的方式，去替代單一的、大型的一臺服務器模式。
例如，為了保證服務可靠性，當一臺主機的服務進程掛掉后，會啟用另一臺服務器去替代服務；如果單臺服務器配置非常高，那么成本必定也會很高，這種方案的實現成本會比較高。而使用 Kubernetes 的方案中，當一臺服務器或進程掛掉后，啟動另一臺服務器，可能只需要不到 1GB 的內存，更何況微服務可以實現應用模塊解耦(decoupling)。
PS：現在大家使用的 Web 服務器應該大多數是 Nginx，Nginx 正是支持負載均衡、反向代理、多服務器配置等，非常適合微服務和多主機部署。而 Apache 的模式是使用許多 httpd 的守護進程(daemons) 去響應頁面請求。
將一個單一應用拆分為多個 microservice；將一臺高配置的服務器改完多態小型服務器，即 agent。接著便可以使用 Kubnentes 管理集群。而為了管理多臺服務器、多個服務實例，Kubernentes 提供了各種各樣的組件。
在 Kubernetes 中，在每臺小型服務器上的部署的應用，我們稱 microservice(邏輯上) 或 agent(等同于一臺服務器)，應用的生命周期都是短暫(transient)，因為一旦出現異常，都可能被替換掉。為了使用集群中的多個 microservice，我們需要服務和 API 調用。一個服務需要連接到另一個服務，則需要 agent 跟 agent 之間通訊，例如 Web 需要連接到 數據庫。 Kubernetes 和 Consul 都有服務發現和網絡代理或組網的功能，Kubernetes 提供了 kube-proxy ，Consul 提供了 Consul connect ，讀者可以單獨查閱資料了解。
讀者可以點擊下面的鏈接了解更多 Components of Kubernetes 的知識：
https://www.vmware.com/topics/glossary/content/components-kubernetes
Kubernetes Architecture
上圖是簡單的 kubernetes 結構，左側虛線方框中，稱為 central manager (也叫master) ，意思是中心(central)管理器；而右側是三個工作節點(worker node)，這些節點被稱為 minions 。這兩部分對應為 Master-Minions。
在 上圖中， Master 由多個組件構成：
- 一個 API 服務(kube-apiserver)
- 一個調度器(kube-scheduler)
- 各種各樣的控制器(上圖有兩個控制器)
- 一個存儲系統(這個組件稱為etcd)，存儲集群的狀態、容器的設置、網絡配置等書籍
接下來我們將圍繞這張圖片，去學習那些 Kubernetes 中的術語和關鍵字。
Docker cgroup And namespace
我們知道，操作系統是以一個進程為單位進行資源調度的，現代操作系統為進程設置了資源邊界，每個進程使用自己的內存區域等，進程之間不會出現內存混用。Linux 內核中，有 cgroups 和 namespaces 可以為進程定義邊界，使得進程彼此隔離。
namespace
在容器中，當我們使用 top 命令或 ps 命令查看機器的進程時，可以看到進程的 Pid，每個進程一個 Pid，而機器的所有容器都具有一個 Pid = 1 的基礎，但是為什么不會發生沖突？容器中的進程可以任意使用所有端口，而不同容器可以使用相同的端口，為什么不會發生沖突？這些都是命名空間可以設定邊界的表現。
Linux 中，unshare 可以創建一個命名空間(實際上是一個進程，命名空間中的其它進程是這個進程的子進程)，并且創建一些資源(子進程)。為了深刻理解 Docker 中的 namespace，我們可以在 Linux 中執行：
sudo unshare --fork --pid --mount-proc bash
然后執行 ps aux 查看進程：
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND root 1 0.0 0.1 23612 3556 pts/1 S 21:14 0:00 bash root 13 0.0 0.1 37624 3056 pts/1 R+ 21:14 0:00 ps aux
是不是跟 Docker 容器執行命令的結果相似？我們還可以使用 nsenter 命令進入另一個進程的命名空間。
上面的代碼中，--pid 參數代碼創建 pid 命名空間，但是因為并沒有隔離網絡，因此當我們執行 netstat --tlap 命令時，這個命名空間的網絡跟其它命名空間的網絡還不是隔離的。
Linux 中的 namespace 類型有：
- mount ：命名空間具有獨立的掛載文件系統；
- ipc：Inter-Process Communication (進程間通訊)命名空間，具有獨立的信號量、共享內存等；
- uts：命名空間具有獨立的 hostname 、domainname；
- net：獨立的網絡，例如每個 docker 容器都有一個虛擬網卡；
- pid：獨立的進程空間，空間中的進程 Pid 都從 1 開始；
- user：命名空間中有獨立的用戶體系，例如 Docker 中的 root 跟主機的用戶不一樣；
- cgroup：獨立的用戶分組；
Docker 中的命名空間正是依賴 Linux 內核實現的。
cgroups
cgroups 可以限制進程可使用的內存、CPU大小。cgroups 全稱是 Control Groups，是 Linux 內核中的物理資源隔離機制。
為了避免篇幅過大，讀者只需要知道 Docker 限制容器資源使用量、CPU 核數等操作，其原理是 Linux 內核中的 cgroups 即可，筆者這里不再贅述。
kube-apiserver
Kubernetes 通過 kube-apiserver 暴露一組 API，我們可以通過這些 API 控制 Kubernetes 的行為，而 kubernetes 有一個調用了這些 API 的本地客戶端，名為 kubectl。當然，我們也可以利用這些 API 開發出跟 kubectl 一樣強大的工具，例如網格管理工具 istio。
kube-scheduler
當要運行容器時，發送的請求會被調度器(kube-scheduler)轉發到 API；調度器還可以尋找一個合適的節點運行這個容器。
node
集群中的每個節點都會運行著兩個進程，分別是 kubelet，kube-proxy。（可以留意上圖的 Kubernetes Mimons 里面）
在前面，我們知道當要運行一個容器時，需要調度器轉發 API，這個請求最終會發送到 node 上的 kubelet，kubelet 可以接收 ”運行容器“ 的請求；kubelet 還可以管理那些必需的資源以及在本地節點上監控它們。
kube-proxy 可以創建和管理網絡規則，以便在網絡上公開容器。
Kubernetes Master 只能是 Linux，而 node 則可以是 Linux 和 Windows 等。
Terminology
本章將介紹一些 Kubenetes 的術語，以便提前了解 kubernetes 中的一些概念。本小節的內容并不會有太多解釋，因為每部分要講起來會很復雜，而這些在后面的 Kubernetes 技術中，都會單獨講解到，因此這里只是介紹一些簡明的概念。讀者不需要仔細看，只需要概覽一遍即可。
Orchestration is managed
編排管理(Orchestration is managed) 是通過一系列的 監控循環(watch-loops)去控制或操作的；每個控制器(controller interogates) 都向 kube-apiserver 詢問對象狀態，然后修改它，直至達到條件。
容器編排是管理容器的最主要的技術。Dockers 也有其官方開發的 swarm 這個編排工具，但是在 2017 年的容器編排大戰中，swarm 敗于 Kubernetes。
namespace
Kubernetes 文檔說，對于只有幾到幾十個用戶的集群，根本不需要創建或考慮名字空間。這里我們只需要知道，集群資源被使用名字劃出來，資源之間可以隔離開，這種名字稱為命名空間。當然這個命名空間跟前面提到的 Linux 內核的命名空間技術不同，讀者只需要了解到兩者的理念相通就行。
Pod
Pod 是 Kubernetes 中創建和管理的、最小的可部署的計算單元。
在前面的學習中，我們已經了解到 Kubernetes 是一個編排系統(orchestration system)，用于部署(deploy)和管理容器。而容器，在 一個 Pod 上運行，一個 Pod 運行著多個 容器，并且這些容器共享著 IP 地址、訪問存儲系統和命名空間。Kubernetes 通過命名空間讓集群中的對象相互隔離開，實現資源控制和多租戶(multi-tenant)連接。
Replication Controller
Replication Controller 簡稱 RC，應答控制器(Replication Controller) 用來部署和升級 Pod。
ReplicaSet
ReplicaSet 的目的是維護一組在任何時候都處于運行狀態的 Pod 副本的穩定集合。
如果 Pod 掛了，我們可以手工重啟 Pod，但是這種操作方法肯定不靠譜，不可能人力 24 小時以及瞬時執行完一系列命令。
Deployments
Deployment 提供了一種對 Pod 和 ReplicaSet 的管理方式。這里不贅述，以后需要時再提及。
Kubernetes 對象
kubernetes 對象是持久化的實體，通過這些實體，可以雕塑整個集群的狀態。這里介紹一些對象信息的表示。
- 對象名稱和 IDs：使用名稱、UID來表示其在同類資源中的唯一性；
- 命名空間：即之前提到的 namespace；
- 標簽和選擇算符：標簽（Labels） 是附加到 Kubernetes 對象（比如 Pods）上的鍵值對；
- 注解：為對象附加的非標識的元數據；
- 字段選擇器：根據一個或多個資源字段的值 篩選 Kubernetes 資源；
到此這篇關于Kubernetes(K8S)入門基礎內容的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持。
