迈入Docker、Kubernetes容器世界的大门

tracy 发布于2019-07-01 17:28 / 1651人阅读

说明

本文通过简单的示例，带领初学者快速迈入Docker、Kubernetes（K8S）容器世界的大门。假设，你已拥有一个K8S集群，否则，可通过minikube或minishift快速搭建一实验环境。

Docker Docker与K8S

Docker本质上是一种虚拟化技术，类似于KVM、XEN、VMWARE，但其更轻量化，且将Docker部署在Linux环境时，其依赖于Linux容器技术（LXC）。Docker较传统KVM等虚拟化技术的一个区别是无内核，即多个Docker虚拟机共享宿主机内核，简而言之，可把Docker看作是无内核的虚拟机，每Docker虚拟机有自己的软件环境，相互独立。

K8S与Docker之间的关系，如同Openstack之于KVM、VSphere之于VMWARE。K8S是容器集群管理系统，底层容器虚拟化可使用Docker技术，应用人员无需与底层Docker节点直接打交道，通过K8S统筹管理即可。

Docker基础

如下所示，运行docker run -it --name test-docker busybox /bin/sh命令，观察其输出，可发现docker先在本地查找名为busybox的镜像（Image）¹，若本地无镜像，则从docker.io官方镜像库（Registry）下载镜像后保存到本地，接着以此镜像构建一个名为test-docker的虚拟机，其Docker官方术语命名为容器（Container）。

# docker run -it --name test-docker busybox /bin/sh
Unable to find image "busybox:latest" locally
Trying to pull repository docker.io/library/busybox ... 
latest: Pulling from docker.io/library/busybox
f70adabe43c0: Pull complete 
Digest: sha256:186694df7e479d2b8bf075d9e1b1d7a884c6de60470006d572350573bfa6dcd2
/ #

Docker较传统KVM、VMware虚拟机更轻量，如下所示，test-docker容器不会运行额外的系统与内核进程，其仅运行docker run命令提供的/bin/sh进程：

/ # ps -ef
PID   USER     TIME  COMMAND
    1 root      0:00 /bin/sh
    7 root      0:00 ps -ef

如在Openstack中创建虚拟机，首先需在Glance镜像库中存储虚拟机镜像，而后才能选择镜像以创建虚拟机。Docker同理，且官方提供一共享的镜像仓库（Registry），其中存储了各式各样的镜像（Image）。如本例用busybox镜像创建容器，其镜像被拉（pull）到了本地，可执行如下命令检查发现其仅1MB左右，相当轻量。

# docker images|grep busybox
docker.io/busybox         latest              8ac48589692a        5 weeks ago         1.146 MB

通过本节，我们了解了3个Docker基本要素：镜像仓库（Registry）中存储了镜像（Image），而镜像（Image）包含了程序运行所需的软件环境，当部署容器（Container）时，镜像（Image）通过网络被拉取到Doker主机（Node）。

Kubernetes

K8S是Google开源容器集群管理系统，其源于Google内部管理系统Borg，以下将通过一个个简单连贯的示例，带领初学者熟悉K8S集群。

Pod

K8S以Pod为最小单位来调度并管理Docker容器（Container），其中1个Pod可含多个容器，且相同Pod里的容器共享本地网络，容器间可通过localhost地址互访，即容器如同部署在相同的主机上，而以Pod为最小单元来调度则表明：Pod内的容器被调度到相同的Docker节点上。

如下所示，创建一名为myhttp的Pod，其包含一个使用httpd镜像部署的容器，容器名为myhttp：

# cat > /tmp/myhttpd.pod <
        执行kubectl get pod命令观察Pod运行成功后，接着验证容器能提供web服务：
# kubectl get pod
NAME         READY     STATUS    RESTARTS   AGE
myhttp       1/1       Running   0          1h
# kubectl describe pod myhttp|grep IP
IP:           10.129.0.232
# curl 10.129.0.232
It works!
Deployment
    将应用直接以Pod形式部署很少见，主因是：Pod无法提供弹性伸缩，且节点故障时K8S无法将其调度到幸存节点上，缺少自愈能力。鉴于此，应用常使用“镜像（Rc）/部署（Deployment）”部署，且在K8S新版本中，官方推荐用Deployment替代Rc部署无状态（Stateless）应用。
        执行kubectl delete pod myhttp删除pod后，换成以Deployment部署：
# cat > myhttp.yaml <
    Deployment中的.spec.replicas表明部署多少个Pod，如本例当前仅含一Pod：
# kubectl get deploy,pod
NAME            DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deploy/myhttp   1         1         1            1           2m

NAME                         READY     STATUS    RESTARTS   AGE
po/myhttp-7bc6d8b87c-gzlkq   1/1       Running   0          2m
        执行kubectl delete pod 删除Pod后，可发现deployment将自动重建pod，其将确保拥有.spec.replicas个pod数量，即意味着，当pod异常时，deployment具备自愈特性。
# kubectl delete pod myhttp-7bc6d8b87c-gzlkq

# kubectl get pod -w
NAME                      READY     STATUS              RESTARTS   AGE
myhttp-7bc6d8b87c-dhmtz   0/1       ContainerCreating   0          2s
myhttp-7bc6d8b87c-dhmtz   1/1       Running             0          8s
myhttp-7bc6d8b87c-gzlkq   1/1       Terminating         0          8m
    当需伸缩或扩展应用时，若以Pod形式部署，则需删除或创建Pod，而若使用Deployment部署，则我们仅需调整.spec.replicas，而后K8S镜像控制器将自动调整Pod数量。如下所示，扩展http应用为2服务：
# kubectl scale deploy/myhttp --replicas=2

# kubectl get pod -w
NAME                      READY     STATUS              RESTARTS   AGE
myhttp-7bc6d8b87c-cj4g8   0/1       ContainerCreating   0          3s
myhttp-7bc6d8b87c-zsbcc   1/1       Running             0          8m
myhttp-7bc6d8b87c-cj4g8   1/1       Running   0         18s

# kubectl get deploy
NAME      DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
myhttp    2         2         2            2           21m
    执行kubectl delete pod 删除Pod后，可发现Pod名（即容器主机名）及IP是随机分配的，那么，我们该如何访问应用？
# kubectl get pod
# kubectl describe pod myhttp-7bc6d8b87c-cj4g8|grep IP
IP:             10.129.3.28
Service
    Service服务类似于传统的F5、A10等硬件负载均衡，但其在K8S中通过软件实现，且当伸缩应用时可实时跟踪后端Server，无需人为调整。
内部访问

我们将对上节部署的myhttp应用创建一个Service服务，但在此前，先创建一个Pod作为集群内部客户端以用于后续Service验证。因下面验证Svc将使用curl工具，而官方centos镜像包含此工具，故用此镜像创建Pod，且为保证Pod一直运行不退出，使用了command在前台执行了无限循环命令。
# kubectl create -f - <
    执行如下命令为myhttp应用创建一个myhttp-int的服务：
# kubectl expose deployment myhttp --port=8080 --target-port=80 --name=myhttp-int
service "myhttp-int" exposed
    上面命令等价于使用下面的Yaml文件手动创建Service：创建名为myhttp-int的服务，其8080端口指向后端服务的80端口，而后端服务是通过selector选择label（标签）为app:myhttp的Pod，观察myhttp Deployment，可发现.spec.template.metadata.labels定义的标签就是app:myhttp，故而，通过myhttp-int:8080即可访问myhttp服务。
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: myhttp
  name: myhttp-int
spec:
  clusterIP:
  ports:
  - port: 8080
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    app: myhttp
  sessionAffinity: None
    在测试容器中通过myhttp-int:8080访问Service，可发现将负载均衡到后端的两pod上：
# kubectl get pod
NAME                      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
myclient                  1/1       Running   0          1h
myhttp-7bc6d8b87c-cj4g8   1/1       Running   0          1d
myhttp-7bc6d8b87c-zsbcc   1/1       Running   0          1d

# 重置web主页，输出每Pod名称以便后续观察
# kubectl exec myhttp-7bc6d8b87c-cj4g8 -it -- sh -c "hostname>htdocs/index.html"
# kubectl exec myhttp-7bc6d8b87c-zsbcc -it -- sh -c "hostname>htdocs/index.html"

# kubectl exec -it myclient -- curl myhttp-int:8080
myhttp-7bc6d8b87c-cj4g8
# kubectl exec -it myclient -- curl myhttp-int:8080
myhttp-7bc6d8b87c-zsbcc
    当伸缩Pod时，我们可通过如下命令观察到Service将动态跟踪后端（Endpoints）服务：
# kubectl get endpoints myhttp-int
NAME         ENDPOINTS                        AGE
myhttp-int   10.129.0.237:80,10.129.3.28:80   1h

# kubectl scale deploy myhttp --replicas=3
# kubectl get endpoints myhttp-int
NAME         ENDPOINTS                                        AGE
myhttp-int   10.129.0.237:80,10.129.3.28:80,10.131.0.194:80   1h
外部访问

    若应用需向K8S集群外提供服务，则可创建类型为NodePort的Service，此时K8S集群上所有节点均监听nodePort指定的端口，故外部应用可通过集群中任一节点访问集群内部提供的服务。
# kubectl create -f - <
    执行如下命令检查服务，发现一个为ClusterIP类型，一个为NodePort类型，但两者均分配了ClusterIP地址：
# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
myhttp-int   ClusterIP   172.30.37.43           8080/TCP         1h
myhttp-pub   NodePort    172.30.6.69            8080:30001/TCP   3m
    myhttp-pub服务通过nodePort打开了集群各节点的主机端口，此时可通过集群任何节点访问服务：
# curl 192.168.220.21:30001
myhttp-7bc6d8b87c-zsbcc
# curl 192.168.230.21:30001
myhttp-7bc6d8b87c-zsbcc
# curl 192.168.240.21:30001
myhttp-7bc6d8b87c-cj4g8
    通过NodePort类型的Service虽可将服务暴露到集群外部，但问题是：端口数量有限（限制为30000-32767）、节点故障后，通过此节点访问服务将失败。鉴于此原因，NodePort类型的Service不常用，而是换成使用Ingress的技术来暴露服务到集群外部，但为简单考虑，本文不再讲解Ingress。
Configmap
    当容器异常时，镜像控制器用Image重建Container，此时对容器的修改会丢失，故而，若需自定义httpd镜像的httpd.conf文件，我们不应直接登录各容器修改配置，而应考虑使用K8S提供的Configmap²技术，其作为中央存储配置库所创建的文件将Pod共享。
    如下所示，为简单考虑，我们随意创建一文件并挂载到Deployment中，修改Configmap，扩展Deployment，用此来讲解Configmap作用。
创建一名为my-config的cm³：

# kubectl create -f  - <
执行kubectl edit deploy myhttp修改Deployment，将cm挂载到/etc/myhosts目录中。完整Yaml文件如下（PS：添加volumeMounts与volume）：

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: myhttp
  name: myhttp
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: myhttp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myhttp
    spec:
      containers:
      - image: httpd
        name: myhttp
        volumeMounts:
        - name: config-hosts
          mountPath: /etc/myhosts
      volumes:
      - name: config-hosts
        configMap:
          name: my-config
    修改Deploy后，可发现Pod将自动重建，而后检查每Pod可发现目录中含有cm的hosts文件：
# kubectl get pod
NAME                      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
myhttp-774ffbb989-gz6bd   1/1       Running   0          11m
myhttp-774ffbb989-k8m4b   1/1       Running   0          11m
myhttp-774ffbb989-t74nk   1/1       Running   0          11m

# kubectl exec -it myhttp-774ffbb989-gz6bd  -- ls /etc/myhosts
hosts
# kubectl exec -it myhttp-774ffbb989-gz6bd  -- cat /etc/myhosts/hosts
127.0.0.1   localhost localhost.localdomain
#::1        localhost localhost.localdomain
修改cm，几分钟后，可发现pod中的配置被自动更新：

# kubectl edit cm my-config
...
data:
  hosts: |
    127.0.0.1   localhost localhost.localdomain
    ::1        localhost localhost.localdomain
...

# kubectl exec -it myhttp-774ffbb989-gz6bd  -- cat /etc/myhosts/hosts
127.0.0.1   localhost localhost.localdomain
::1        localhost localhost.localdomain
扩展应用，继而检查新的Pod，发现其包含cm内容：

# kubectl scale deploy myhttp --replicas=4
# kubectl get pod
myhttp-774ffbb989-gz6bd   1/1       Running   0          15h
myhttp-774ffbb989-k8m4b   1/1       Running   0          15h
myhttp-774ffbb989-t74nk   1/1       Running   0          15h
myhttp-774ffbb989-z5d6h   1/1       Running   0          21s

# kubectl exec -it myhttp-774ffbb989-z5d6h  -- cat /etc/myhosts/hosts
127.0.0.1   localhost localhost.localdomain
::1        localhost localhost.localdomain
Secret
    相较于Configmap用于保存明文，那么Secret则保存密文，如用户密码等铭感数据，可使用Secret加密保存。如下所示，我们创建一个Secret加密用户与密码，而后提供给容器使用。
Opaque的Secret数据是一个map类型，要求value是base64编码格式。加密用户与密码：

# echo -n root | base64
cm9vdA==
# echo -n Changeme | base64
Q2hhbmdlbWU=
创建名为userpwd-secret的Secret，其包含用户与密码：

#  kubectl create -f - <
更新deployment，将secret以volume方式挂载到容器中：

# kubectl edit deployment myhttp
...
spec:
...
    spec:
      containers:
      - image: httpd
      ...
        volumeMounts:
        - name: userpwd
          mountPath: /etc/mysecret
      ...
      volumes:
      - name: userpwd
        secret:
          secretName: userpwd-secret
...
登录容器可发现secret中的key被保存为文件，其内容为value，但在容器内已被正确解密：

# kubectl exec -it myhttp-64575c77c-kqdj9 -- ls -l /etc/mysecret
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 May 17 07:01 password -> ..data/password
lrwxrwxrwx. 1 root root 15 May 17 07:01 username -> ..data/username

# kubectl exec -it myhttp-64575c77c-kqdj9 -- cat /etc/mysecret/username
root
Storage
    我们将web应用保存到外部存储中，而后挂载到Pod上，这样，无论pod是否重建亦或伸缩，我们发布的应用都不会丢失。
配置NFS存储
为简单考虑，本例采用NFS作为共享存储：
nfs服务器安装软件：
# yum install nfs-utils
配置共享目录：
# mkdir -p /exports/httpd
# chmod 0777 /exports/*
# chown nfsnobody:nfsnobody /exports/*
# cat > /etc/exports.d/k8s.exports <
配置防火墙，放行nfs端口：
# firewall-cmd --add-port=2049/tcp
# firewall-cmd --permanent --add-port=2049/tcp
配置Selinux以允许Docker写数据到nfs：
# getsebool -a|grep virt_use_nfs
# setsebool -P virt_use_nfs=true
启动nfs服务：
# systemctl restart nfs-config
# systemctl restart nfs-server
# systemctl enable nfs-server

K8S集群使用存储
K8S集群每节点安装nfs客户端软件，并设置Selinux权限：
# yum install nfs-utils
# setsebool -P virt_use_nfs=true
创建一类型为nfs的持久化卷：PersistentVolume（PV），其指向nfs后端存储：
# kubectl create -f - <
创建一持久化卷声明PersistentVolumeClaim（PVC）指向上一步创建的PV：
# kubectl create -f - <
检查可发现pvc/httpd绑定到pv/httpd：
# oc get pv,pvc
NAME         CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM   ...   
pv/httpd     1Gi        RWX            Retain           Bound    demo/httpd  ...

NAME         STATUS    VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc/httpd    Bound     httpd     1Gi        RWX                           53s
重建deployment，添加volume与mount挂载点：
# kubectl delete deploy myhttp
# kubectl create -f - <
Pod生成后，检查发现nfs目录被挂载到容器内：
# kubectl get pod
# kubectl exec -it myhttp-8699b7d498-dlzrm -- df -h
Filesystem                       Size  Used Avail Use% Mounted on
...
192.168.240.11:/exports/httpd    37G   17G   21G  44% /usr/local/apache2/htdocs               ...
# kubectl exec -it myhttp-8699b7d498-dlzrm -- ls htdocs       # 当前目录为空
登录任何一个容器，将web应用发布到htdocs目录：
# kubectl exec -it myhttp-8699b7d498-dlzrm -- /bin/sh
# echo "this is a test of pv" > htdocs/index.html             # 容器内
而后，我们删除容器亦或扩展容器，均会发现容器中的htdocs包含所发布的应用：
# kubectl delete pod -l app=myhttp                            # 删除所有myhttp pod
# kubectl get pod                                             # 等待pod重建完毕
# kubectl exec -it myhttp-8699b7d498-6q8tv -- cat htdocs/index.html
this is a test of pv
Satefulset
    如上面用Deplyment创建的myhttp应用，其是无状态（stateless）的，主机名是随机动态分配的，且所有Pod可共享挂载相同的存储（volume），但如Kafaka、Zookeeper集群，其是有状态的，需要主机名确定为一，且各自挂载存储，鉴于此，K8S提供了Satefulset技术来满足此类应用需求。
    如下所示，我们使用nginx镜像创建一个有状态的集群，用此来讲解Statefulset用法。
不同于Deployment，我们必须先创建一个ClusterIP: None的Service服务：
# kubectl create -f - <
此Service无ClusterIP，也即我们无法直接通过此Servcie访问后端服务。
# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
web          ClusterIP   None                   80/TCP           3s
创建名为nginx的有状态服务，镜像数为2，且注意ServiceName配置为上步创建的Svc：
# kubectl create -f - <
观察pod启动，可发现pod名称为nginx-n格式⁴，此名称是固定唯一的，且可发现pod是顺序启动的，即容器nginx-n在nginx-后启动。
# kubectl get pod -w
NAME                     READY     STATUS              RESTARTS   AGE
nginx-0                  0/1       ContainerCreating   0          7s
nginx-0                  1/1       Running             0          10s
nginx-1                  0/1       Pending             0          0s
nginx-1                  0/1       Pending              0          0s
nginx-1                   0/1       ContainerCreating   0          1s
nginx-1                    1/1       Running             0          13s
创建的service被statefulset用在dns上以跟踪pod名称：
# kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
# 如下操作均在刚创建的dns-test pod中进行：

# nslookup web                            # 查找web服务，可发现后端有两pod
...

Name:      web
Address 1: 10.129.0.248 nginx-0.web.demo.svc.cluster.local
Address 2: 10.131.0.200 nginx-1.web.demo.svc.cluster.local

# nslookup nginx-0.web                    # 验证pod名称对应的IP地址
...
Name:      nginx-0.web.demo.svc.cluster.local
Address 1: 10.129.0.248 nginx-0.web.demo.svc.cluster.local

# nslookup nginx-1.web
...
Name:      nginx-1.web.demo.svc.cluster.local
Address 1: 10.131.0.200 nginx-1.web.demo.svc.cluster.local
配置satefulset挂载volume：
# kubectl delete statefulset nginx        # 为简单起见，删除以上创建的statefulset
# kubectl create -f - <
    注意：在volumeClaimTemplates.spec中添加的storageClassName，其指定了名为glusterfs-raid0的存储，这样，当pod生成时，k8s会使用动态提供⁵创建PVC、PV并自动从存储池glusterfs-raid0中动态分配volume。当然，若使用Storage一节中配置的nfs存储，则此处需删除storageClassName，而后手动创建存储、pv、pvc。
检查：
# 如下卷是k8s使用动态提供自动从glusterfs创建的：
# kubectl get pvc
NAME          STATUS    VOLUME                CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS      AGE
www-nginx-0   Bound     pvc-4a76e4a9...       1Gi        RWO            glusterfs-raid0   22h
www-nginx-1   Bound     pvc-536e8980...       1Gi        RWO            glusterfs-raid0   22h

# kubectl get statefulset,pod
NAME                 DESIRED   CURRENT   AGE
statefulsets/nginx   2         2         22h

NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE
po/nginx-0                  1/1       Running   0          22h
po/nginx-1                  1/1       Running   0          22h

# 两Pod挂载各自的卷：
# kubectl exec -it nginx-0 -- df -h
Filesystem                         Size  Used Avail Use% Mounted on              
192.168.220.21:vol_e6858...       1016M   33M  983M   4% /usr/share/nginx/html

# kubectl exec -it nginx-1 -- df -h
Filesystem                         Size  Used Avail Use% Mounted on              
192.168.220.21:vol_c659cc...       1016M   33M  983M   4% /usr/share/nginx/html
Namespace
    细心的读者会在Storage一节中看到demo/httpd，此demo就是作者所使用的Namespace/Project⁶。如同Openstack云计算平台提供了多租户用途，其每租户可创建自己的Project（项目），K8S同样提供多租户功能，我们可创建不同的Namespace（命名空间），并将以上所示的Pod、Service、Configmap等限制在Namespace中。
    刚搭建的K8S集群，默认有如下两Namespace：
# kubectl get namespace
NAME                                DISPLAY NAME   STATUS
default                                            Active         # 默认命名空间
kube-system                                        Active         # k8s自身使用的命名空间
    我们可执行如下命令创建命名空间：
# kubectl create namespace demo
namespace "demo" created
    而后，执行kubectl命令时可附带”-n “参数。如下所示，查询Pod：
# kubectl get pod -n demo
NAME                     READY     STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-0                  1/1       Running   0          23h
nginx-1                  1/1       Running   0          23h
    最后，对于Openshift平台，我们可执行如下命令登录到Namespace中，这样，我们就无需每次附带“-n ”了。
# oc project demo
# oc get pod
NAME                     READY     STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-0                  1/1       Running   0          23h
nginx-1                  1/1       Running   0          23h
结束语
    通过本文，我们学习了Docker、K8S核心知识，我相信读者应完全可以熟练使用K8S平台了。


 镜像格式为：:，若不写image_tag，则默认为latest tag ↩

 参考官方文档：Configure a Pod to Use a ConfigMap。 ↩

 内容为key:value格式，且一个cm可包含多个 ↩

 statefulset名称的生成规则是固定的：-n ↩

 存储必须支持动态提供，如glusterfs存储，要支持动态提供，必须配置heketi； ↩

 Openshift平台，其Project即为K8S的Namespace ↩

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cncoder 2019-06-28 16:25 评论0 收藏0
PHPer书单

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godiscoder 2019-07-01 16:24 评论0 收藏0