12. Kubernetes-第一个容器化应用

发布于 2021-08-13  135 次阅读


在上一篇文章《从 0 到 1:搭建一个完整的 Kubernetes 集群》中,我和你一起部署了一套完整的 Kubernetes 集群。这个集群虽然离生产环境的要求还有一定差距(比如,没有一键高可用部署),但也可以当作是一个准生产级别的 Kubernetes 集群了。

而在这篇文章中,我们就来扮演一个应用开发者的角色,使用这个 Kubernetes 集群发布第一个容器化应用。

在开始实践之前,我先给你讲解一下 Kubernetes 里面与开发者关系最密切的几个概念。

作为一个应用开发者,你首先要做的,是制作容器的镜像。这一部分内容,我已经在容器基础部分《白话容器基础(三):深入理解容器镜像》重点讲解过了。

而有了容器镜像之后,你需要按照 Kubernetes 项目的规范和要求,将你的镜像组织为它能够“认识”的方式,然后提交上去。

那么,什么才是 Kubernetes 项目能“认识”的方式呢?

这就是使用 Kubernetes 的必备技能:编写配置文件。

备注:这些配置文件可以是 YAML 或者 JSON 格式的。为方便阅读与理解,在后面的讲解中,我会统一使用 YAML 文件来指代它们。

Kubernetes 跟 Docker 等很多项目最大的不同,就在于它不推荐你使用命令行的方式直接运行容器(虽然 Kubernetes 项目也支持这种方式,比如:kubectl run),而是希望你用 YAML 文件的方式,即:把容器的定义、参数、配置,统统记录在一个 YAML 文件中,然后用这样一句指令把它运行起来:

$ kubectl create -f 我的配置文件

这么做最直接的好处是,你会有一个文件能记录下 Kubernetes 到底“run”了什么。比如下面这个例子:

---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

像这样的一个 YAML 文件,对应到 Kubernetes 中,就是一个 API Object(API 对象)。当你为这个对象的各个字段填好值并提交给 Kubernetes 之后,Kubernetes 就会负责创建出这些对象所定义的容器或者其他类型的 API 资源。

可以看到,这个 YAML 文件中的 Kind 字段,指定了这个 API 对象的类型(Type),是一个 Deployment。

所谓 Deployment,是一个定义多副本应用(即多个副本 Pod)的对象,我在前面的文章中(也是第 9 篇文章《从容器到容器云:谈谈 Kubernetes 的本质》)曾经简单提到过它的用法。此外,Deployment 还负责在 Pod 定义发生变化时,对每个副本进行滚动更新(Rolling Update)。

在上面这个 YAML 文件中,我给它定义的 Pod 副本个数 (spec.replicas) 是:2。

而这些 Pod 具体的又长什么样子呢?

为此,我定义了一个 Pod 模版(spec.template),这个模版描述了我想要创建的 Pod 的细节。在上面的例子里,这个 Pod 里只有一个容器,这个容器的镜像(spec.containers.image)是 nginx:1.7.9,这个容器监听端口(containerPort)是 80。

关于 Pod 的设计和用法我已经在第 9 篇文章《从容器到容器云:谈谈 Kubernetes 的本质》中简单的介绍过。而在这里,你需要记住这样一句话:

Pod 就是 Kubernetes 世界里的“应用”;而一个应用,可以由多个容器组成。

需要注意的是,像这样使用一种 API 对象(Deployment)管理另一种 API 对象(Pod)的方法,在 Kubernetes 中,叫作“控制器”模式(controller pattern)。在我们的例子中,Deployment 扮演的正是 Pod 的控制器的角色。关于 Pod 和控制器模式的更多细节,我会在后续编排部分做进一步讲解。

你可能还注意到,这样的每一个 API 对象都有一个叫作 Metadata 的字段,这个字段就是 API 对象的“标识”,即元数据,它也是我们从 Kubernetes 里找到这个对象的主要依据。这其中最主要使用到的字段是 Labels。

顾名思义,Labels 就是一组 key-value 格式的标签。而像 Deployment 这样的控制器对象,就可以通过这个 Labels 字段从 Kubernetes 中过滤出它所关心的被控制对象。

比如,在上面这个 YAML 文件中,Deployment 会把所有正在运行的、携带“app: nginx”标签的 Pod 识别为被管理的对象,并确保这些 Pod 的总数严格等于两个。

而这个过滤规则的定义,是在 Deployment 的“spec.selector.matchLabels”字段。我们一般称之为:Label Selector。

另外,在 Metadata 中,还有一个与 Labels 格式、层级完全相同的字段叫 Annotations,它专门用来携带 key-value 格式的内部信息。所谓内部信息,指的是对这些信息感兴趣的,是 Kubernetes 组件本身,而不是用户。所以大多数 Annotations,都是在 Kubernetes 运行过程中,被自动加在这个 API 对象上。

一个 Kubernetes 的 API 对象的定义,大多可以分为 Metadata 和 Spec 两个部分。前者存放的是这个对象的元数据,对所有 API 对象来说,这一部分的字段和格式基本上是一样的;而后者存放的,则是属于这个对象独有的定义,用来描述它所要表达的功能。

在了解了上述 Kubernetes 配置文件的基本知识之后,我们现在就可以把这个 YAML 文件“运行”起来。正如前所述,你可以使用 kubectl create 指令完成这个操作:

$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml

然后,通过 kubectl get 命令检查这个 YAML 运行起来的状态是不是与我们预期的一致:

$ kubectl get pods -l app=nginx
nginx-deployment-5d59d67564-944bh   1/1     Running   1          22d
nginx-deployment-5d59d67564-tzd6c   1/1     Running   1          22d

kubectl get 指令的作用,就是从 Kubernetes 里面获取(GET)指定的 API 对象。可以看到,在这里我还加上了一个 -l 参数,即获取所有匹配 app: nginx 标签的 Pod。需要注意的是,在命令行中,所有 key-value 格式的参数,都使用“=”而非“:”表示。

从这条指令返回的结果中,我们可以看到现在有两个 Pod 处于 Running 状态,也就意味着我们这个 Deployment 所管理的 Pod 都处于预期的状态。

此外, 你还可以使用 kubectl describe 命令,查看一个 API 对象的细节,比如:

$ kubectl describe pod nginx-deployment-5d59d67564-575h9
Name:         nginx-deployment-5d59d67564-575h9
Namespace:    default
Priority:     0
Node:         k8s-node02/192.168.137.4
Start Time:   Sat, 14 Aug 2021 16:00:11 +0800
Labels:       app=nginx
              pod-template-hash=5d59d67564
Annotations:  <none>
Status:       Running
IP:           10.244.2.4
IPs:
  IP:           10.244.2.4
Controlled By:  ReplicaSet/nginx-deployment-5d59d67564
Containers:
  nginx:
    Container ID:   docker://6f20092c02b1acaa6b6dd8a39a00c2bdb28965f5b8b38ec24abb01367ccd7f2d
    Image:          nginx:1.7.9
    Image ID:       docker-pullable://nginx@sha256:e3456c851a152494c3e4ff5fcc26f240206abac0c9d794affb40e0714846c451
    Port:           80/TCP
    Host Port:      0/TCP
    State:          Running
      Started:      Sat, 14 Aug 2021 16:00:56 +0800
    Ready:          True
    Restart Count:  0
    Environment:    <none>
    Mounts:
      /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount from kube-api-access-22qhh (ro)
Conditions:
  Type              Status
  Initialized       True 
  Ready             True 
  ContainersReady   True 
  PodScheduled      True 
Volumes:
  kube-api-access-22qhh:
    Type:                    Projected (a volume that contains injected data from multiple sources)
    TokenExpirationSeconds:  3607
    ConfigMapName:           kube-root-ca.crt
    ConfigMapOptional:       <nil>
    DownwardAPI:             true
QoS Class:                   BestEffort
Node-Selectors:              <none>
Tolerations:                 node.kubernetes.io/not-ready:NoExecute op=Exists for 300s
                             node.kubernetes.io/unreachable:NoExecute op=Exists for 300s
Events:
  Type    Reason     Age    From               Message
  ----    ------     ----   ----               -------
  Normal  Scheduled  2m32s  default-scheduler  Successfully assigned default/nginx-deployment-5d59d67564-575h9 to k8s-node02
  Normal  Pulling    2m29s  kubelet            Pulling image "nginx:1.7.9"
  Normal  Pulled     110s   kubelet            Successfully pulled image "nginx:1.7.9" in 39.806550218s
  Normal  Created    107s   kubelet            Created container nginx
  Normal  Started    107s   kubelet            Started container nginx

在 kubectl describe 命令返回的结果中,你可以清楚地看到这个 Pod 的详细信息,比如它的 IP 地址等等。其中,有一个部分值得你特别关注,它就是 Events(事件)。

在 Kubernetes 执行的过程中,对 API 对象的所有重要操作,都会被记录在这个对象的 Events 里,并且显示在 kubectl describe 指令返回的结果中。

比如,对于这个 Pod,我们可以看到它被创建之后,被调度器调度(Successfully assigned)到了 node-1,拉取了指定的镜像(pulling image),然后启动了 Pod 里定义的容器(Started container)。

所以,这个部分正是我们将来进行 Debug 的重要依据。如果有异常发生,你一定要第一时间查看这些 Events,往往可以看到非常详细的错误信息。

接下来,如果我们要对这个 Nginx 服务进行升级,把它的镜像版本从 1.7.9 升级为 1.8,要怎么做呢?

很简单,我们只要修改这个 YAML 文件即可。

...
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.8 #这里被从1.7.9修改为1.8
ports:
- containerPort: 80

可是,这个修改目前只发生在本地,如何让这个更新在 Kubernetes 里也生效呢?

我们可以使用 kubectl replace 指令来完成这个更新:

$ kubectl replace -f nginx-deployment.yaml

不过,在本专栏里,我推荐你使用 kubectl apply 命令,来统一进行 Kubernetes 对象的创建和更新操作,具体做法如下所示:

$ kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

# 修改nginx-deployment.yaml的内容

$ kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

这样的操作方法,是 Kubernetes“声明式 API”所推荐的使用方法。也就是说,作为用户,你不必关心当前的操作是创建,还是更新,你执行的命令始终是 kubectl apply,而 Kubernetes 则会根据 YAML 文件的内容变化,自动进行具体的处理。

而这个流程的好处是,它有助于帮助开发和运维人员,围绕着可以版本化管理的 YAML 文件,而不是“行踪不定”的命令行进行协作,从而大大降低开发人员和运维人员之间的沟通成本。

举个例子,一位开发人员开发好一个应用,制作好了容器镜像。那么他就可以在应用的发布目录里附带上一个 Deployment 的 YAML 文件。

而运维人员,拿到这个应用的发布目录后,就可以直接用这个 YAML 文件执行 kubectl apply 操作把它运行起来。

这时候,如果开发人员修改了应用,生成了新的发布内容,那么这个 YAML 文件,也就需要被修改,并且成为这次变更的一部分。

而接下来,运维人员可以使用 git diff 命令查看到这个 YAML 文件本身的变化,然后继续用 kubectl apply 命令更新这个应用。

所以说,如果通过容器镜像,我们能够保证应用本身在开发与部署环境里的一致性的话,那么现在,Kubernetes 项目通过这些 YAML 文件,就保证了应用的“部署参数”在开发与部署环境中的一致性。

而当应用本身发生变化时,开发人员和运维人员可以依靠容器镜像来进行同步;当应用部署参数发生变化时,这些 YAML 文件就是他们相互沟通和信任的媒介。

以上,就是 Kubernetes 发布应用的最基本操作了。

接下来,我们再在这个 Deployment 中尝试声明一个 Volume。

在 Kubernetes 中,Volume 是属于 Pod 对象的一部分。所以,我们就需要修改这个 YAML 文件里的 template.spec 字段,如下所示:

---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  annotations: 
    volume: nginx
  name: nginx-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.8.1
        ports:
        - containerPort: 80
        volumeMounts:
        - mountPath: "/usr/share/nginx/html/"
          name: nginx-vol
      volumes:
      - name: nginx-vol
        # 隐式声明目录,创建临时目录
        emptyDir: {}

可以看到,我们在 Deployment 的 Pod 模板部分添加了一个 volumes 字段,定义了这个 Pod 声明的所有 Volume。它的名字叫作 nginx-vol,类型是 emptyDir。

那什么是 emptyDir 类型呢?

它其实就等同于我们之前讲过的 Docker 的隐式 Volume 参数,即:不显式声明宿主机目录的 Volume。所以,Kubernetes 也会在宿主机上创建一个临时目录,这个目录将来就会被绑定挂载到容器所声明的 Volume 目录上。

备注:不难看到,Kubernetes 的 emptyDir 类型,只是把 Kubernetes 创建的临时目录作为 Volume 的宿主机目录,交给了 Docker。这么做的原因,是 Kubernetes 不想依赖 Docker 自己创建的那个 _data 目录。

而 Pod 中的容器,使用的是 volumeMounts 字段来声明自己要挂载哪个 Volume,并通过 mountPath 字段来定义容器内的 Volume 目录,比如:/usr/share/nginx/html。

当然,Kubernetes 也提供了显式的 Volume 定义,它叫作 hostPath。比如下面的这个 YAML 文件:

...
volumes:
- name: nginx-vol
  hostPath:
    path: " /var/data"

这样,容器 Volume 挂载的宿主机目录,就变成了 /var/data。

在上述修改完成后,我们还是使用 kubectl apply 指令,更新这个 Deployment:

$ kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

接下来,你可以通过 kubectl get 指令,查看两个 Pod 被逐一更新的过程:

$ kubectl get pods

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

nginx-deployment-5c678cfb6d-v5dlh 0/1 ContainerCreating 0 4s

nginx-deployment-67594d6bf6-9gdvr 1/1 Running 0 10m

nginx-deployment-67594d6bf6-v6j7w 1/1 Running 0 10m

$ kubectl get pods

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

nginx-deployment-5c678cfb6d-lg9lw 1/1 Running 0 8s

nginx-deployment-5c678cfb6d-v5dlh 1/1 Running 0 19s

从返回结果中,我们可以看到,新旧两个 Pod,被交替创建、删除,最后剩下的就是新版本的 Pod。这个滚动更新的过程,我也会在后续进行详细的讲解。

然后,你可以使用 kubectl describe 查看一下最新的 Pod,就会发现 Volume 的信息已经出现在了 Container 描述部分:

...
Containers:
  nginx:
    Container ID:   docker://fa8612940d166601ae1728e0d7405f91b32bb895ff29ae66b9369390a9757d78
    Image:          nginx:1.8.1
...
    Environment:    <none>
    Mounts:
      /usr/share/nginx/html/ from nginx-vol (rw)
      /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount from kube-api-access-mmcsl (ro)

...
Volumes:
  nginx-vol:
    Type:          HostPath (bare host directory volume)
    Path:          /var/data
    HostPathType:  


备注:作为一个完整的容器化平台项目,Kubernetes 为我们提供的 Volume 类型远远不止这些,在容器存储章节里,我将会为你详细介绍这部分内容。

最后,你还可以使用 kubectl exec 指令,进入到这个 Pod 当中(即容器的 Namespace 中)查看这个 Volume 目录:

kubectl exec -it nginx-deployment-5ff75dc4bc-mrxq9 -- /bin/bash
# ls /usr/share/nginx/html

此外,你想要从 Kubernetes 集群中删除这个 Nginx Deployment 的话,直接执行:

$ kubectl delete -f nginx-deployment.yaml

就可以了。

总结

在今天的分享中,我通过一个小案例,和你近距离体验了 Kubernetes 的使用方法。

可以看到,Kubernetes 推荐的使用方式,是用一个 YAML 文件来描述你所要部署的 API 对象。然后,统一使用 kubectl apply 命令完成对这个对象的创建和更新操作。

而 Kubernetes 里“最小”的 API 对象是 Pod。Pod 可以等价为一个应用,所以,Pod 可以由多个紧密协作的容器组成。

在 Kubernetes 中,我们经常会看到它通过一种 API 对象来管理另一种 API 对象,比如 Deployment 和 Pod 之间的关系;而由于 Pod 是“最小”的对象,所以它往往都是被其他对象控制的。这种组合方式,正是 Kubernetes 进行容器编排的重要模式。

而像这样的 Kubernetes API 对象,往往由 Metadata 和 Spec 两部分组成,其中 Metadata 里的 Labels 字段是 Kubernetes 过滤对象的主要手段。

在这些字段里面,容器想要使用的数据卷,也就是 Volume,正是 Pod 的 Spec 字段的一部分。而 Pod 里的每个容器,则需要显式的声明自己要挂载哪个 Volume。

上面这些基于 YAML 文件的容器管理方式,跟 Docker、Mesos 的使用习惯都是不一样的,而从 docker run 这样的命令行操作,向 kubectl apply YAML 文件这样的声明式 API 的转变,是每一个容器技术学习者,必须要跨过的第一道门槛。

所以,如果你想要快速熟悉 Kubernetes,请按照下面的流程进行练习:

首先,在本地通过 Docker 测试代码,制作镜像;

然后,选择合适的 Kubernetes API 对象,编写对应 YAML 文件(比如,Pod,Deployment);

最后,在 Kubernetes 上部署这个 YAML 文件。

更重要的是,在部署到 Kubernetes 之后,接下来的所有操作,要么通过 kubectl 来执行,要么通过修改 YAML 文件来实现,就尽量不要再碰 Docker 的命令行了

思考题

在实际使用 Kubernetes 的过程中,相比于编写一个单独的 Pod 的 YAML 文件,我一定会推荐你使用一个 replicas=1 的 Deployment。请问,这两者有什么区别呢?

解答:推荐使用replica=1而不使用单独pod的主要原因是pod所在的节点出故障的时候 pod可以调度到健康的节点上,单独的pod只能在节点健康的情况下由kubelet保证pod的健康状况

来自 <https://time.geekbang.org/column/article/40008>