基于Kubernetes的容器云平臺(tái)建設(shè)

摘要：Kubernetes（簡(jiǎn)稱K8S）已經(jīng)成為容器云管理的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，如何構(gòu)建K8S容器云平臺(tái)具有很大的市場(chǎng)空間和現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)分析容器云的軟硬件設(shè)施，K8S的核心部件構(gòu)成，結(jié)合比較成熟的開(kāi)源解決方案，給出了建設(shè)K8S容器云平臺(tái)的基本架構(gòu)，對(duì)于中小企業(yè)搭建容器云平臺(tái)，具有現(xiàn)實(shí)的參考意義。關(guān)鍵詞：Kubernetes;容器云;鏡像倉(cāng)庫(kù);日志管理;監(jiān)控告警

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）36-0047-02

在云計(jì)算時(shí)代，企業(yè)在線購(gòu)買(mǎi)云廠商的云主機(jī)，在數(shù)分鐘之內(nèi)，就可以創(chuàng)建出所需的多臺(tái)虛擬機(jī)，部署企業(yè)自己的應(yīng)用。與購(gòu)買(mǎi)硬件設(shè)備自己搭建的傳統(tǒng)方法相比，響應(yīng)速度有了很大的改進(jìn)，實(shí)施效率有了很大的提高。

但是在云主機(jī)的操作系統(tǒng)上構(gòu)建自己的應(yīng)用，還涉及應(yīng)用軟件運(yùn)行環(huán)境的準(zhǔn)備，采用云主機(jī)方式仍然需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的部署過(guò)程。

容器技術(shù)的出現(xiàn)為云計(jì)算增添了新的活力，通過(guò)對(duì)應(yīng)用和運(yùn)行環(huán)境的整體打包，生成單一的鏡像，在任何Docker平臺(tái)上部署一個(gè)Web應(yīng)用，只需要一條命令，在幾秒之內(nèi)就可以完成應(yīng)用部署，極大地提升了應(yīng)用部署的效率。

在單機(jī)上運(yùn)行容器非常方便，對(duì)于多臺(tái)機(jī)器上的容器之間，如何進(jìn)行協(xié)同工作，容器編排管理成為競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)了這幾年容器技術(shù)的高速迭代和發(fā)展，K8S打敗了Swarm和Me-sos，成為容器編排的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外的主要云服務(wù)廠商亞馬孫、谷歌，國(guó)內(nèi)的阿里云、騰訊云和華為云等等，均已推出K8S容器云服務(wù)，為企業(yè)提供正式的商業(yè)服務(wù)。

Kubernetes具有很多優(yōu)點(diǎn)：屏蔽了底層硬件的差異;支持上千臺(tái)的大規(guī)模計(jì)算機(jī)集群;支持高可用部署;具有彈性伸縮能力，可以擴(kuò)展或收縮容器的規(guī)模，應(yīng)對(duì)突發(fā)訪問(wèn)請(qǐng)求;容器部署與復(fù)制白動(dòng)完成;將容器組成服務(wù)，提供容器級(jí)的負(fù)載均衡;集群內(nèi)機(jī)器宕機(jī)、容器失效，集群自動(dòng)修復(fù)，具有容錯(cuò)能力、白愈能力;開(kāi)源社區(qū)活躍，各大IT廠商紛紛支持;非常適合互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。正因K8S具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，掌握K8S容器云技術(shù)，建設(shè)K8S容器云平臺(tái)勢(shì)在必行。

1容器云的硬件基礎(chǔ)設(shè)施

云平臺(tái)是運(yùn)行在硬件設(shè)備上的，建設(shè)容器云平臺(tái)，服務(wù)器、存儲(chǔ)、交換機(jī)、防火墻等設(shè)備同樣不可缺少。服務(wù)器可以直接使用裸機(jī)部署以減少性能損失，也可以通過(guò)KVM或VMWare，先虛擬化，獲得更多的虛機(jī)，繼而在虛機(jī)的基礎(chǔ)之上，再進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。好處是虛擬機(jī)多，平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要，創(chuàng)建多個(gè)K8S平臺(tái)。缺點(diǎn)是多了一層虛擬化，硬件性能會(huì)有所損耗。

K8S需要存放應(yīng)用的持久化數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)設(shè)備也是必不可少的，直接購(gòu)買(mǎi)存儲(chǔ)廠商的存儲(chǔ)，性能和售后均有保障。如果企業(yè)有自己的研發(fā)力量，為降低成本，也可以自行構(gòu)建Ceph、GlusterFS等分布式存儲(chǔ)，提供文件系統(tǒng)和塊存儲(chǔ)設(shè)備以及對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備。

運(yùn)行K8S平臺(tái)的主機(jī)節(jié)點(diǎn)，需要有網(wǎng)絡(luò)層支撐。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)上劃分管理網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、外部網(wǎng)等也是必要的，可有效隔離網(wǎng)絡(luò)管理流量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量。服務(wù)器多個(gè)網(wǎng)卡，盡可能使用萬(wàn)兆設(shè)備解決網(wǎng)絡(luò)帶寬的瓶頸問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)出口處，對(duì)外發(fā)布的應(yīng)用，還需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全、負(fù)載均衡設(shè)備來(lái)保證應(yīng)用的安全和性能。

2容器云的軟件運(yùn)行環(huán)境

K8S容器云是運(yùn)行在Linux系統(tǒng)及Docker容器環(huán)境之上的，Linux系統(tǒng)有很多發(fā)行版本，Ubuntu Server LTS版本是推薦的操作系統(tǒng)，更適合運(yùn)行K8S容器云平臺(tái)。整個(gè)K8S平臺(tái)的架構(gòu)，都是以Docker容器技術(shù)為基礎(chǔ)的，K8S的所有組件以及用戶的應(yīng)用軟件，都是運(yùn)行在Docker容器環(huán)境之上。

3 K8S核心組件的部署

K8S的核心組件分為兩類，一類安裝在管理節(jié)點(diǎn)上，另一類安裝在工作節(jié)點(diǎn)上。

在管理節(jié)點(diǎn)上主要運(yùn)行Etcd、APIServer、Scheduler、Control-ler-Manager等核心組件。APIServer為K8S集群提供統(tǒng)一的訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證、授權(quán)和準(zhǔn)入控制、API注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)等功能，對(duì)于整個(gè)K8S集群的操作，都是通過(guò)API進(jìn)行的，管理員使用Kubectl命令行工具通過(guò)APIServer實(shí)現(xiàn)對(duì)K8S集群的管理。Etcd數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)整個(gè)K8S集群的重要信息，只有APIServer能夠訪問(wèn)Etcd數(shù)據(jù)庫(kù)。Scheduler根據(jù)各種調(diào)度策略，負(fù)責(zé)將Pod調(diào)度到相應(yīng)Node節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。K8S中的各種資源有對(duì)應(yīng)的控制器（Controller），Controller-Manager組件負(fù)責(zé)K8S中各種控制器的管理，監(jiān)控并維護(hù)整個(gè)集群達(dá)到期望的狀態(tài)。

工作節(jié)點(diǎn)上主要運(yùn)行Kubelet和Kube-proxy等核心組件。Kubelet主要負(fù)責(zé)容器的創(chuàng)建刪除等生命周期管理，以及容器的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)管理、健康檢查、監(jiān)控等。Kube-proxy監(jiān)聽(tīng)APIServer中Service和Endpoint的變化，通過(guò)IPtables或IPVS模式，創(chuàng)建路由規(guī)則，實(shí)現(xiàn)Service和Pod之間的服務(wù)負(fù)載均衡。

K8S架構(gòu)復(fù)雜，核心組件也較多，技術(shù)人員學(xué)習(xí)掌握比較困難。使用K8S二進(jìn)制軟件包方法安裝、使用官方Kubeadmin工具安裝K8S，許多鏡像因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的問(wèn)題無(wú)法下載，K8S部署經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題。為解決K8S學(xué)習(xí)難操作難的問(wèn)題，出現(xiàn)了Rancher和Kubesphere等比較優(yōu)秀的開(kāi)源K8S管理解決方案，大大降低了學(xué)習(xí)和操作的難度，K8S易用性有了很大提高，更適合企業(yè)云平臺(tái)部署。

4私有鏡像倉(cāng)庫(kù)管理

企業(yè)內(nèi)部的應(yīng)用往往包含敏感數(shù)據(jù)，不適合運(yùn)行在公有云上，企業(yè)也希望這些應(yīng)用的Docker容器鏡像能保存在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中。另外，與從公共鏡像倉(cāng)庫(kù)下載容器鏡像相比，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)帶寬更大，K8S部署容器更快捷穩(wěn)定。企業(yè)有必要在內(nèi)部搭建一套私有鏡像倉(cāng)庫(kù)。Harbor就是一款很好的私有鏡像倉(cāng)庫(kù)產(chǎn)品。

Harbor是VMWare公司開(kāi)源的容器鏡像管理產(chǎn)品，它在Docker官方的簡(jiǎn)易倉(cāng)庫(kù)Registry基礎(chǔ)上，加入多個(gè)組件，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理、用戶權(quán)限管理、鏡像管理、Web圖形界面等基本功能，成為一款企業(yè)級(jí)的開(kāi)源鏡像管理產(chǎn)品。由于它采用容器化的安裝方式，部署非常方便，使用圖形化的管理界面，用戶操作方便，功能夠用，很快得到了普及。

企業(yè)內(nèi)的開(kāi)發(fā)人員將應(yīng)用的鏡像通過(guò)Docker push命令上傳到私有鏡像倉(cāng)庫(kù)中。運(yùn)維人員在K8S平臺(tái)上部署應(yīng)用時(shí)，直接到私有倉(cāng)庫(kù)中快速下載應(yīng)用鏡像，部署到K8S平臺(tái)中。私有倉(cāng)庫(kù)是建設(shè)容器云必不可少的功能。

5容器云的集中日志管理系統(tǒng)

K8S可以管理上千個(gè)節(jié)點(diǎn)的集群，如果集群出現(xiàn)問(wèn)題，需要通過(guò)日志進(jìn)行排查，要想發(fā)現(xiàn)故障在哪一個(gè)環(huán)節(jié)，只靠命令行的方式去操作，簡(jiǎn)直無(wú)法想象。構(gòu)建一套集群的日志收集、存儲(chǔ)、查詢和圖形化展示的集中式日志管理系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)維非常必要。

EFK組合是常用的一種日志管理方案，主要有三個(gè)組件構(gòu)成（ElasticSearch、Fluentd、Kibana）。Fluentd安裝到所有的K8S節(jié)點(diǎn)上，充當(dāng)日志代理角色，負(fù)責(zé)將各節(jié)點(diǎn)上的各種日志收集、過(guò)濾、發(fā)送到后端的ElastieSearch;ElastieSearch負(fù)責(zé)日志的存儲(chǔ)和索引，通過(guò)HTTP API方式提供全文檢索功能;最終在Kibana面板上對(duì)采集來(lái)的各種日志數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，用圖形、表格形式進(jìn)行集群日志展示。

6容器云的監(jiān)控告警系統(tǒng)

Prometheus是開(kāi)源的監(jiān)控告警和時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，是云原生計(jì)算基金會(huì)CNCF的產(chǎn)品之一，Prometheus項(xiàng)目非常活躍，社區(qū)提供了很好的支持，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、硬件設(shè)備、持續(xù)集成工具、存儲(chǔ)軟件、Web服務(wù)器軟件、日志和監(jiān)控軟件等上百種應(yīng)用都提供了專門(mén)的Exporter配合使用，一些應(yīng)用直接內(nèi)置Pro-metheus數(shù)據(jù)格式支持，比如Etcd、Kubernetes、SkyDNS等。

Prometheus也是時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，它通過(guò)Pull方式到各應(yīng)用的Exporter上拉去度量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到自身的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中，內(nèi)置PromQL查詢語(yǔ)言。Alertmanager組件是獨(dú)立的告警管理器，可以根據(jù)事先設(shè)定的告警策略，向郵件系統(tǒng)、企業(yè)微信、釘釘、Slaek等即時(shí)通信工具發(fā)送告警數(shù)據(jù)，及時(shí)提醒管理人員。Grafana組件是一款常用的數(shù)據(jù)顯示面板，可以將Prometheus數(shù)據(jù)庫(kù)中的指標(biāo)數(shù)據(jù)以圖形化的方式直觀地展示在面板中。

在K8S集群中的各節(jié)點(diǎn)上部署node-exporter組件，可以獲取各節(jié)點(diǎn)上CPU、內(nèi)存等資源的度量數(shù)據(jù);通過(guò)部署kube-state-metries組件，可以獲取K8S集群中Service、Deployment或者Daemonset等各種資源的數(shù)據(jù);K8S已經(jīng)內(nèi)置Prometheus接口，Prometheus可以直接從集群獲取K8S核心組件的度量數(shù)據(jù);而對(duì)于很多第三方的容器應(yīng)用，社區(qū)都已推出相應(yīng)的exporter來(lái)支持Prometheus，根據(jù)需要將這些Exporter部署到集群中，由Prometheus向這些專用的exporter抓取度量數(shù)據(jù)。

有了監(jiān)控告警系統(tǒng)，K8S容器云平臺(tái)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)可以用直觀的圖形化的方式在Grafana面板中集中展示，無(wú)論是資源占用、系統(tǒng)性能、告警事件、健康狀態(tài)等，都能夠一目了然。有利于運(yùn)維人員及時(shí)了解集群狀態(tài)，并在第一時(shí)間獲取告警信息。

7容器云的圖形化管理

Kubemetes官方提供Dashboard面板，能夠查看K8S集群的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、K8ST作負(fù)載、部署、服務(wù)、容器等各種資源的基本情況，在Web管理界面上完成集群的應(yīng)用部署、日志查看等各項(xiàng)基本操作，功能比較簡(jiǎn)單。

Kubesphere、Rancher是另兩款比較優(yōu)秀的開(kāi)源圖形化K8S管理T具，除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)集群機(jī)器以及K8S的接管以外，還各自增加了特有的功能，集成了項(xiàng)目管理、多租戶管理、應(yīng)用商店、監(jiān)控告警、持續(xù)集成和部署、服務(wù)網(wǎng)格等增強(qiáng)功能，極大降低了用戶使用K8S的難度，雖是開(kāi)源軟件，但已達(dá)到了企業(yè)級(jí)應(yīng)用的水平。

8結(jié)束語(yǔ)

Kubemetes功能非常強(qiáng)大，可以輕松管理和調(diào)度上千臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)同運(yùn)作，提供強(qiáng)大的集群處理能力，已經(jīng)成為容器云管理的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。但由于其概念眾多，操作復(fù)雜，非常不容易學(xué)習(xí)掌握和推廣應(yīng)用，完整的K8S平臺(tái)高效運(yùn)行所需的各個(gè)功能模塊較多，本文通過(guò)對(duì)K8S容器云的硬件基礎(chǔ)設(shè)施、軟件運(yùn)行環(huán)境、Kubernetes核心組件、私有鏡像倉(cāng)庫(kù)以及事件日志、監(jiān)控告警、圖形化管理等運(yùn)行容器云平臺(tái)必備工具進(jìn)行逐一介紹，像搭積木一樣，將各個(gè)基本功能模塊都搭建好，構(gòu)建一套比較完整實(shí)用的容器云平臺(tái)，對(duì)于容器云推廣普及具有指導(dǎo)作用。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】

收稿日期：2019 -10 -10

作者簡(jiǎn)介：王偉軍，男，江蘇阜寧人，工程碩士，南京報(bào)業(yè)傳媒集團(tuán)技術(shù)部工程師，中級(jí)職稱，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、容器

技術(shù)。