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Kubernetes核心原理和搭建

来源:黑马程序员

浏览18001人

2020.10.30

## 1. 引言

在过去,我们在进行程序部署的时候,是直接将环境和程序统一配置部署到主机上,但是这样做容易造成程序与程序之间的混淆,所以为了处理这种问题,我们可以搭建一台不可变的虚拟机镜像,将环境和程序配置部署到虚拟机镜像中,但是虚拟机镜像部署存在体量过于庞大并且不可移动的问题,所以容器技术应运而生,容器技术是基于操作系统级别的虚拟化技术,各个容器与宿主机是隔离的,各个容器之间也是是隔离的,它比虚拟机镜像更容易搭建,并且可以很方便在不同的主机上移动。但是随着分布式、集群等技术在实际应用中越来越多,在实际的生产环境中,我们可能会涉及到多个容器,而这些容器可能会跨越多个服务器主机进行部署,所以一个基于容器技术的分布式架构解决方案应用而生,它就是Kubernetes。

## 2. Kubernetes的概念

Kubernetes(k8s)是一个基于容器技术的的分布式架构解决方案,是Google开源的容器集群管理系统,Google内部称为Borg,主要用于自动部署、扩展和管理容器化的应用程序,是以Docer为基础的分布式系统架构;Kubernetes可以对分布式系统进行完美的支撑,它具备完善的集群控制能力,内建有智能的负载均衡器,拥有强大的故障发现和自我修复能力。同时还针对开发、部署测试、运维监控等提供了完善的管理工具。

Kubernetes的核心思想是:一切以服务为中心,根据这一核心思想,Kubernetes可以让在其上构建的系统独立运行在物理机、虚拟机群或者云上,所以,Service(服务)是Kubernetes进行分布式集群构建的核心,必须拥有如下关键特征:

- 拥有一个唯一指定的名称。

- 拥有一个虚拟IP和端口。

- 能够提供某种远程服务能力。

- 可以被映射到提供这种远程服务能力的一组容器应用上。

## 3. Kubernetes的术语

### 3.1 Master

Kubernetes的集群控制节点,负责整个集群的管理和控制,拥有一个etcd服务,用来保存所有资源对象的数据,我们执行的所有控制命令会发给他,他负责具体的执行过程,Master节点通常会独占一个服务器,在其上会运行以上一组关键的进程:

- **Kubernetes API Server**:提供Http Rest接口的关键服务进程,是Kubernetes中增、删、改、查等操作的唯

  一入口,是集群控制的入口进程。

- **Kubernetes Controller Manager**:Kubernetes中所有资源对象的自动化控制中心。

- **Kubernetes Scheduler**:负责资源调度的进程。

### 3.2 Node

Kubernetes集群中的其他机器被称为Node节点,Node节点可以是一台物理主机,也可以是一台虚拟机,每个Node节点会被Master节点分配一些负载,所以Node节点是Kubernetes集群中工作负载节点,当某个Node节点宕机时,工作负载会被Master自动转移到其他节点。Node节点之上会运行一组关键进程:

- **kubelet**:负责Pod对应容器的创建,启动、停止等任务。

- **kube-proxy**:实现Kubernetes Service通讯与负载均衡机制的重要组件。

- **Docker Engine**:Docker引擎,负责容器的创建和管理

### 3.3 Pod

Pod是Kurbernetes进行创建、调度和管理的最小单位,Pod运行在Node节点之上,其中包含多个业务容器,这些业务容器之间共享网络命名空间、Ip地址、端口,可以通过localhost进行通讯。Pod有两种类型:普通Pod和静态Pod。

### 3.4 Replication Controller

Kurbernetes用来管理和保证集群中拥有的Pod。

## 4. Kubernetes的架构

Kubernetes的一切都是基于分布式的,下面这张图就是Kubernetes的架构图

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通过这张架构图我们发现Kurbernetes主要由以下几个核心组件组成:

- **Etcd**:保存整个集群的状态。

- **API Server**:提供认证、授权、访问控制、API注册和发现等机制,是资源操作的唯一入口。

- **Kurbernetes Controller**:负责维护集群的状态。

- **Scheduler**:负责资源的调度。

- **kubelet**:负责维护容器的生命周期,同时管理Volume和网络。

- **Container**:负责镜像管理以及Pod和容器的真正运行。

- **kube-proxy**:负责为Service提供cluster内部的服务发现和负载均衡。

## 5. Kubernetes的搭建

### 5.1 准备工作

因为Kubernetes的一切都是基于分布式的,那么,要想搭建Kubernetes就需要准备多台服务器主机,因为条件有限,这里我采用搭建多台虚拟机系统的方式进行,所以需要将虚拟机和镜像系统准备好。

- **虚拟机**:这里的虚拟机我采用的是VMware,当然也可以采用VirtualBox,VMware下载地址如下:

  https://www.vmware.com/cn.html

- **镜像系统**:虚拟机的镜像系统我采用的是:CentOS-7-x86_64-DVD-1810,下载地址如下:

  http://mirrors.zju.edu.cn/centos/7.6.1810/isos/x86_64/CentOS-7-x86_64-DVD-1810.iso

### 5.2 虚拟机环境搭建

我们准备安装三个虚拟机节点,一个为Kubernetes的Master节点,剩下两个为Kubernetes的Node节点,这里我们只演示第一个安装第一个节点,剩下的两个节点,采用VMware复制镜像的方式进行。

#### 5.2.1 虚拟机环境要求

搭建Kubernetes,虚拟机环境至少要满足以下要求:

- 操作系统 CentOS 7

- 内存 2G 【至少】

- CPU 2核【至少】

- 硬盘 20G 【至少】

#### 5.2.2 创建虚拟机

打开VMware,选择“文件”菜单“新建虚拟机”选项,或者直接点击界面上的“创建新的虚拟机”选项,创建新的虚拟机,如下图所示:

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在弹出的弹窗中选择“经典”选项,点击“下一步”按钮,如下图所示:

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在弹出的新的弹窗中选择“稍后安装操作系统”选项,点击“下一步”按钮,如下图所示:

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在弹出的新的弹窗中选择客户机操作系统为“Linux”,版本为“CentOS 64位”,点击“下一步”按钮,如下图所示:

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在弹出的新的弹窗中设置虚拟机名称为“K8S_Node1”,选择虚拟机系统的安装位置,点击“下一步”按钮,如下图所示:

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在弹出的新的弹窗中设置最大磁盘大小为20G,选择“将虚拟磁盘存储为单个文件”,点击“下一步”按钮,如下图所示:

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在弹出的新的弹窗中选择“自定义硬件”选项

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在弹出的硬件配置弹窗中,内存设置为2048M,如下图所示:

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处理器设置为2个,如下图所示:

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镜像文件选择本地下载好的镜像文件,如下图所示:

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设置完内存、处理、镜像文件之后,点击“关闭”按钮,回到新建虚拟机向导页面,点击“完成”按钮,完成新建虚拟机。

#### 5.2.3 安装操作系统

在新建好虚拟机之后,在VMware主界面,选择对应的虚拟机,点击“开启此虚拟机”选项,启动虚拟机,如下图所示:

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在打开的系统界面中选择“Install CentOS 7”,进行CentOS 7系统的安装,如下图所示:

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在打开的界面中选择中文语言环境,点击“继续”按钮,继续进行安装,如下图所示:

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在打开的界面中进行安装配置,如下图所示:

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注意:"软件选择”建议选择最后一个“开发及生产工作站”,“安装位置”选择默认“自动分区”,禁用Kdump,打开网络,让你的虚拟机可以连接到互联网。

在新打开的页面中设置Root密码,进行安装CentOS 7系统

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安装完成后,会进入到系统的基本配置操作页面,可以进行语言环境的配置,如下图所示:

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系统键盘布局和输入方式选择配置,如下图所示:

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最后点击“开始使用CentOS Linux(s)”按钮,开始进入到CentOS 7系统中,如下图所示:

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进入系统之后,使用“ifconfig”指令查看系统的ip地址,发现没有ip地址,如下图所示:

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没有ip地址的原因,查看之前2.2.8的配置步骤,发现已经配置了网络适配器为NAT,那没有ip地址的原因可能就是系统在启动的时候没有加载网卡造成的,所以使用“vi”指令打开“/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33”文件,将其中的“ONBOOT=no”改为“ONBOOT=yes”,使用“wq”指令保存文件,如下图所示:

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修改文件之后,需要通过“service network restart”重启网络服务,之后在使用“ifconfig”指令查看,就会发现ip地址就有了,如下图所示:

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#### 5.2.4 远程操作操作系统

因为在操作系统的终端中直接操作指令不太方便,比较好的方法是使用第三方的终端模拟软件,比如Xshell、SecureCRT登录,我这里使用的是SecureCRT进行操作。打开SecureCRT软件,配置一个连接,连接CentOS 7操作系统,如下图所示:

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在远程连接成功之后,我们还需要配置CentOS 7的yum源,因为使用CentOS 7自带的yum源,在安装软件和下载依赖的时候会非常的慢,甚至有时候还会超时失败,所以这里不建议使用CentOS 7自带的yum源,我们可以执行如下命令,使用阿里云的源替换CentOS 7自带的yum源,如下图所示:

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考虑到后续我们需要安装Kubernetes集群需要各种网络,所以需要将防火墙关闭,避免因为防火墙的问题导致连网失败,如下图所示:

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在安装Kubernetes集群的时候,为了避免因为内存交互而影响性能以及稳定性,所以这里我们需要关闭Swap内存交互机制。使用“vi”指令打开“/etc/fstab”文件,将其中的swap配置注释掉,如下图所示:

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#### 5.2.5 安装Docker

Kubernetes是以Docker为基础的一个全新的分布式系统架构,安装Kubernetes必须要先安装Docker,可以参考Docker官方文档进行操作:https://docs.docker.com/install/linux/docker-ce/centos/#prerequisites

因为使用yum安装Docker的时候经常会超时失败,所以可以添加阿里云的Docker仓库,如下图所示:

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使用yum安装Docker最新版本,如下图所示:

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执行如下命令启动Docker并激活开机自动启动,如下图所示:

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### 5.3 Kubernetes集群搭建

虚拟机环境我们在上边已经搭建好了,接下来我们就该搭建Kubernetes集群,我们将现在的虚拟机作为主节点,先安装Kubernetes,之后再复制出两个虚拟机作为工作节点。

#### 5.3.1 安装Kubernetes

我们可以参考Kubernetes官方文档进行安装Kubernetes,下面是官方文档网址:https://kubernetes.io/docs/setup/independent/create-cluster-kubeadm/, 官方仓库因为被墙的原因我们无法使用,所以还是使用阿里云的仓库,执行以下命令添加kubernetes仓库:

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Linux会对我们的访问进行控制,所以需要关闭,如下图所示:

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#### 5.3.2 安装kubelet、kubeadm、kubectl

执行以下的指令安装Kubernetes的kubelet、kubeadm、kubectl,如下图所示:

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执行以下的指令配置kubelet的cgroup drive,要和docker的cgroup drive保持一致,如下图所示:

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执行以下指令,启动kubelet

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但是启动kubelet会失败,因为缺少证书,但是不用担心,之后我们在执行kubeadm init命令的时候会创建证书,这里不启动也不影响后续的配置。

#### 5.3.3 下载Kubernetes的Docker镜像

接下来我们需要使用Kubernetes官方提供的kubeadm工具来初始化Kubernetes集群,但是kubeadm init默认会访问谷歌服务器,使用的Docker镜像仓库是k8s.gcr.io,国内是无法访问的,我们可以使用docker.io/mirrorgooglecontainers中转一下,所以需要执行以下命令,如下图所示:

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但是coredns没包含在docker.io/mirrorgooglecontainers中,所以需要手工到coredns官方镜像转换下,执行以下命令进行操作,如下图所示:

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最后通过“docker images”查看所有的镜像,会发现所有镜像都已经下载完成,如下图所示:

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### 5.4 复制虚拟机

上面执行完成,Kubernetes就已经安装完毕了,接下来就需要复制虚拟机将其他节点创建出来。

#### 5.4.1 复制虚拟机

关闭之前的虚拟机,在VMware的界面中,右键点击第一个节点,我这里叫做K8S_Node1,选择“管理”选项中的“克隆”选项,开始复制虚拟机,如下图所示:

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进入到选择克隆源的选择,选择“虚拟机中的当前状态”选项,然后点击“下一步”按钮,如下图所示:

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在弹出的选择克隆类型的窗口中选择“创建完整克隆”选项,点击“下一步”按钮,如下图所示:

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在弹出的设置新的虚拟机名称的窗口中设置新的虚拟机的名称为K8S_Node2,并设置保存位置,然后点击“完成”按钮,进行复制操作,如下图所示:

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重复上面的步骤复制出名称为K8S_Node3的虚拟机。

#### 5.4.2 设置虚拟机网络

复制虚拟机结束之后,我们会发现三个节点ip为:

- K8S_Node1:192.168.149.129

- K8S_Node2:192.168.149.130

- K8S_Node3:192.168.149.131

但是我们还需要进行一些配置,以便后续操作可以配置连接,这里以K8S_Node1为例:

- 使用“vi”指令编辑“/etc/hostname”文件,将hostname改为k8s-node1,注意这里不能大写,不能使用“_”,不然后续的Kubernetes配置会出问题,如下图所示:

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- 使用“vi”指令编辑“/etc/hosts”文件,在其最后添加192.168.149.129  k8s-node1,如下图所示:

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配置完毕之后,重启生效,剩下的两个节点也是如此的配置,这里不再演示。

### 5.5 创建Kubernetes集群

前面的准备工作都已经准备好了,接下来我们就可以开始创建Kubernetes集群了,这里我们使用之前安装的kubeadm来快速、方便的创建一个Kubernetes集群。

#### 5.5.1 初始化Kubernetes集群

在主节点(K8S_Node1)上执行以下的命令,如下图所示:

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当看到如下信息时,就表示Kubernetes集群初始化成功了,如下图所示:

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我们需要将初始化成功的提示信息中的kubeadm join记录下来(之后会使用到),同时需要执行提示信息中关于以下的几个指令,如下图所示:

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#### 5.5.2 创建网络

当初始化好Kubernetes集群之后,我们还需要配置网络,以便实现各个节点之间的通讯,设置网络可以使用Calico或者是flannel,这里我们采用flannel来设置网络,如下图所示:

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### 5.6 配置Kubernetes集群

当Kubernetes集群初始化成功并设置好网络之后,我们就需要将Pod调度到Master上,因为Kubernetes默认是不会将Pod调度到Master中,所以我们需要手动设置。

#### 5.6.1 将Master作为工作节点

可以执行以下命令,将Master节点作为工作节点,如下图所示:

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#### 5.6.2 将其他节点添加到集群

在K8S_Node2和K8S_Node3的节点上执行K8S_Node1节点进行kubeadm init初始化集群成功之后提示的kubeadm join指令,将K8S_Node2和K8S_Node3添加到集群中,如下图所示:

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如果kubeadm join指令失败了,可以执行kubeadm reset进行重置,然后再次执行kubeadm join。

最后我们通过“kubectl get nodes”查看节点是否添加到集群中,如下图所示:

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到此,Kubernetes集群就搭建完毕了。

## 6. 总结

通过上述的案例,我们就可以把Kubernetes集群搭建完成,之后我们可以在此基础上继续搭建Kubernetes的Dashboard,也可以在Kubernetes部署nginx、redis等软件。总之,通过Kubernetes我们可以很方便的进行分布式、集群操作,很方便的实现在物理机、虚拟机或者是云上进行项目的部署和迁移。