让你的Kubernetes 资源编排UP一个段位

随着云原生运维平台使用的持续深入,部分用户对于其原理和概念尚有一些困惑。推出《Kubernetes资源编排》,从底层 Pod YAML 开始,逐步递进地讲解相关内容,希望能够解答大家对于 Kubernetes 的一些疑问,让用户对于云原生相关技术有更深入的了解。

1、Pod 整体结构

Pod YAML的整体结构,可以初步分为 Resource(资源)、Object(元数据)、Spec(规范)、Status(状态)。本文将会围绕这四部分一一展开。

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  • Resource:定义资源类型与版本, 作为从Rest API中获取资源必带的属性。
  • Object:资源的元数据属性,明确资源的基本标识。
  • Spec / Status:
  • Spec:定义资源的期望状态,包括用户提供的配置、系统扩展的默认值,以及周边系统初始化或者更改值(scheduler、hpa等)。
  • Status:定义资源的当前状态,从而基于Spec定义的申明式配置,使pod不断朝期望状态靠近。

2、Resource(资源)- Rest API

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K8s 资源按照 Scope 可以分为 Namespace 资源、Cluster 资源,Namespace 在 K8s 可以认为是软租户的效果,实现资源层面的隔离,Pod 资源就是属于 Namespace 资源,而 Namespace 不光体现在 YAML 参数中,也表现在 K8s Rest API 中。

Rest API的整体结构,以Pod举例

apiVersion: v1kind: Podmetadata:  name: test-pod  namespace: default

基于上述YAML,可以明确出 namespace 为default, name 为 test-pod 的 Pod 资源对象,也就是明确出Pod为Namespace资源,该Pod资源对象对应的apiVersion为v1,后续 K8s 自内联相关的 Group为/api,自然而然,我们就将该对象的数据分离出来了:

  • group:api
  • apiVersion:v1
  • kind:Pod
  • name:test-pod
  • namespace:default

基于上述的数据展示,apiserver 自然而然会相应的注册出下列 rest api,

  • /api/{apiVersion}/{kind}:该kind下的所有资源列表
  • /api/{apiVersion}/namespace/{namespace}/{kind}/:该kind下当前namespace的所有资源列表
  • /api/{apiVersion}/namespace/{namespace}/{kind}/{name}:该kind下当前namespace且名为name的资源
  • /api/{apiVersion}/namespace/{namespace}/{kind}/{name}/{subresource}:该kind下当前namespace且名为name的资源下子资源操作

后续基于扩展,我们就需要明确出method,这样一个真正完整的Rest API就诞生了。

3、Object(元数据)

在rest api中明确了Resource的kind、apiVersion, 也确定了Object的namespace、name,作为凡是k8s资源对象都会引用的公共结构,自然也存在很多公共机制供使用。

metadata:  annotations:    alibabacloud.com/owner: testdemo    k8s.aliyun.com/pod-eni: "true"  creationTimestamp: "2022-06-02T07:21:36Z"  deleteTimestamp: "2022-06-02T07:22:51Z"  labels:    app: taihao-app-cn-shanghai-pre-cloud-resource    pod-template-hash: 5bbb759f78  name: testdemo-5bbb759f78-27v88  namespace: default  ownerReferences:  - apiVersion: apps/v1    blockOwnerDeletion: true    controller: true    kind: ReplicaSet    name: testdemo-5bbb759f78    uid: 9c3f268a-c0d1-4038-bb2b-b92928f45e3d  resourceVersion: "60166035"  uid: e4236960-8be2-41bf-ac44-e7460378afbb

观察上述YAML,我们将其整理一下,有这样一些字段:

  • namespace:常规来说,Namespace资源才会使用该资源对象
  • name:代表资源实例名称
  • uid:是资源的唯一标识,可以区别已删除与重新创建的同名资源实例
  • resourceVersion:是k8s的内部版本,具备时间属性,基于此就能明确该资源对是什么时候发生改变的,也是保证k8s list-watch核心机制
  • creationTimestamp: 资源实例创建时间
  • deleteTimestamp: 资源实例删除时间,后续会在pod的生命周期内讲到对该字段应用
  • ownerReferences: 资源从属对象,从上面yaml可知,该Pod资源从属于名为testdemo-5bb759f78,ownerReferences内部是没有namespace参数,也就是ownerReferences不允许跨namespace, 将资源由下到上能够建立起来
  • labels:标签, k8s内的服务发现以及相应的软关联,都是围绕label运作的,比如testdemo-5bb759f78 replicaset 的labelselector(标签筛选器)能够筛选到当前Pod的label,保证两者关联由上到下的建立
  • annotations: 注释,通常来说会是作为额外字段供应给周边系统使用,比如当前k8s.aliyun.com/pod-eni=”true”是提供网络系统使用

label & labelSelector

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Deployment 会根据自己的 labelseletor:app=taihao-app-cluster 以及计算出 podtemplate 的 hash lable:pod-template-hash: 5b8b879786, 筛选出符合的 replicaset,replicaset 再根据自己的labelselector 去筛选出符合的 pods, 相应的服务发现 service,也是通过 labelselector 去筛选出符合的 Pod。

Owner & GC(垃圾回收)

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基于 Pod 的 metadata.ownerReferences 找寻到对应的 replicaset,replicaset 基于自身的 metadata.ownerReferences 找寻到 deploy;当 deployment 被删除后,基于原有 owner 构建的树状,回收原有的rs与pod。

Deploy & Replicaset

基于label&labelselector,明确了从上到下的筛选归纳;基于owner&GC,明确了关联资源的回收流程。

apiVersion: apps/v1kind: ReplicaSetmetadata:  generation: 1  labels:    app: testdemo    pod-template-hash: bcd889947  name: testdemo-bcd889947  namespace: taihao  ownerReferences:  - apiVersion: apps/v1    blockOwnerDeletion: true    controller: true    kind: Deployment    name: testdemo    uid: 1dddc849-c254-4cf5-aec8-9e1c2b5e65afspec:  replicas: 1  selector:    matchLabels:      app: testdemo      pod-template-hash: bcd889947  template:    metadata:      creationTimestamp: null      labels:        app: testdemo        pod-template-hash: bcd889947    spec:      containers:      - args:        - -c        - sleep 1000000        command:        - sh        image: centos:7        imagePullPolicy: IfNotPresent        name: testdemostatus:  fullyLabeledReplicas: 1  observedGeneration: 1  replicas: 1

replicaset.spec.replicas: 实例数,rs控制下的Pod个数
replicaset.spec.selector:基于label 筛选出对应的Pod
replicaset.spec.template:replicaset创建的Pod会基于podtemplate
replicaset.status:replicaset 当前管理Pod的状态

apiVersion: apps/v1kind: Deploymentmetadata:  labels:    app: testdemo  name: testdemospec:  replicas: 1  revisionHistoryLimit: 10  selector:    matchLabels:      app: testdemo  strategy:    rollingUpdate:      maxSurge: 25%      maxUnavailable: 25%    type: RollingUpdate  template:    metadata:      creationTimestamp: null      labels:        app: testdemo    spec:      containers:      - args:        - -c        - sleep 1000000        command:        - sh        image: centos:7        imagePullPolicy: IfNotPresent        name: testdemostatus:  availableReplicas: 1  observedGeneration: 2  readyReplicas: 1  replicas: 2  unavailableReplicas: 1  updatedReplicas: 1

deploy.spec.replicas: deploy期望的pod实例格式
deploy.spec.revisionHistoryLimit:deploy 管理replicaset的保留三个月
deploy.spec.selector:deploy 筛选符合标签
deploy.spec.strategy:deploy的升级策略
deploy.template:deploy基于此模版要创建的pod格式

4、Spec(规范)

Spec作为Pod的期望状态,一定程度上也覆盖了Pod完整生命周期的逻辑,Pod的生命周期分为以下阶段。

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  • Pending:代表Pod处于未调度阶段
  • Creating:节点上的kubelet已经发现了Pod,处于创建阶段
  • Running:至少一个容器运行完毕,kubelet这会发起健康监测
  • Terminating:Pod处于删除状态,kubelet开始回收容器
  • Terminated: Pod 销毁完成

Pod生命周期: Pending

Pod资源创建完毕后,处于还未调度阶段,这个时候scheduler(调度器)基于pod yaml本身的配置与节点资源状态情况,来进行调度。

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scheduler 会去分析 podyaml,将其中的策略提取出来,与节点组中的节点配置进行匹配,若匹配成功后,会选出最佳节点,重新修改pod yaml,将 spec.nodeName 更新掉,完成整个调度环节。

资源策略

资源策略表明Pod运行需要的资源情况,以demo为例,Pod需要2核4G的资源,那么调度过去的节点也需要有2核4G的资源剩余,Pod才能运行在该节点上。

节点标签筛选策略

节点标签筛选策略,筛选节点是否存在 topology.kubernetes.io/region: cn-hangzhou

亲和策略

亲和策略,有节点亲和与Pod亲和(Pod所在节点优先调度),常规来说可以优先满足亲和的节点上,当前例子就是节点亲和,满足标签disk-type=aaa 或者disk-type=bbb

Pod生命周期: Creating

当Pod调度完毕后,开始创建阶段,kubelet会基于pod.spec 期望状态来创建出Pod

kubelet 在创建Pod阶段,总共大致经历以下过程

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  • Group配置:主要是为了容器配置cgroup,里面涉及了对容器资源限制,比如不允许超过cpu、memory配置,这里涉及到Pod的qos级别判定;
  • 初始化环境配置:主要是对相关 Pod 数据存储目录进行配置,涉及到 volume,则会去引用 CSI 协议,也会去获取镜像 secret,为了后续拉取镜像进行准备工作;
  • 创建 pause 容器:创建pause容器,该容器主要是为了后续配置容器网络,配置容器网络会去调用CNI;
  • 创建 Pod 容器:基于 imagesecret 拉取业务镜像,在创建Pod容器阶段,也会将相应的 Pod YAML 配置传输进去,在启动Pod容器完毕后,会基于poststart进行相关的回调。

上述阶段,会选择部分关键概念进行详细说明

image

spec:  containers:  - image: testdemo:v1    imagePullPolicy: Always    name: test-config  imagePullSecrets:  - name: image-regsecret

imagePullSecrets:  拉取镜像的密钥,保证能够拉取 image:testdemo:v1,尤其在镜像库是私有库的阶段

imagePullPolicy:镜像拉取策略

  • Always:总是拉取镜像
  • IfNotPresent:本地若有则使用本地镜像,不进行拉取
  • Never:只使用本地镜像,不拉取

containers

注意这个 containers 用的是复数,可以填多个容器镜像: 比如可以放 nginx 和 业务容器。这样做的好处是可以尽量减少业务容器中与业务无关的代码或进程。

container 涉及很多配置,其中有涉及到 volume、env、dnsconfig、host 等基础配置

spec:containers:  - env:    - name: TZvalue: Asia/Shanghaiimage: testdemo:v1name: taihao-app-cn-shanghai-pre-sharevolumeMounts:    - mountPath: /home/adminname: test-configreadOnly: truednsConfig:nameservers:    - 100.100.1.1    - 100.100.2.1options:    - name: ndotsvalue: "3"    - name: timeoutvalue: "3"    - name: attemptsvalue: "3"searches:    - default.svc.cluster.local    - svc.cluster.local    - cluster.localhostAliases:  - hostnames:    - kubernetes    - kubernetes.default    - kubernetes.default.svc    - kubernetes.default.svc.cluster.localip: 1.1.1.1volumes:  - configMap:defaultMode: 420name: test-configname: test-config
  • env:配置Pod的环境变量
  • dnsConfig:配置Pod的域名解析
  • hostALiases:配置/etc/hosts文件内容
  • volume/volumeMount:配置文件挂载到容器内,也可以配置文件存储系统挂载到容器内

postStart

containers:  - image: testdemo:v1imagePullPolicy: Alwayslifecycle:postStart:exec:command:          - /bin/sh          - -c          - sleep 5

当前 poststart demo 是发起 command 命令,也可以发起 http 请求,主要作用可以作为资源部署以及环境准备。

Pod生命周期: Running

在 Pod running 阶段的时候,Pod 就迎来对其健康的检查,当前 kubelet 提供三种方式判定

  • readiness:检查Pod是否为健康
  • liveness:件看 Pod 是否正常,若检查失败,则重启容器
  • readinessGate:提供给第三方组件健康验证,第三方组件验证不过,则Pod不为健康
spec:readinessGates:  - conditionType: TestPodReadycontainers:  - image: testdemo:v1imagePullPolicy: AlwayslivenessProbe:failureThreshold: 3initialDelaySeconds: 45periodSeconds: 5successThreshold: 1tcpSocket:port: 8080timeoutSeconds: 1readinessProbe:failureThreshold: 3httpGet:path: /actuator/healthport: 8989scheme: HTTPinitialDelaySeconds: 25periodSeconds: 3successThreshold: 1timeoutSeconds: 1

readiness 与 liveness 检查参数都是一致的

  • httpGet/tcpSocket:都是检查方式,一种是http请求验证,一种是tcpSocket,其中也有exec执行命令,以及grpc形式验证
  • initialDelaySeconds:延迟多久开始检查,原因在于容器启动的时候,通常需要过段时间进行验证
  • periodSeconds:检验时间周期
  • failureThreshold:连续几次失败,则代表这轮检验失败
  • successThreshold:连续几次成功,则代表这轮检验成功
  • timeoutSeconds:代表检验超时时间,若检验在该配置时间内没有返回,则认为检验失败

readiness、liveness虽然参数不一样,但对检验的结果行为不一致。

  • readiness默认状态下为false,也就是Pod为不健康,直到检查通过,才将Pod变为健康
  • liveness默认状态下为true,不会在刚开始就将Pod重启,只有等检查不通过后,才会进行容器重启操作

readinessGate 是 Pod 健康的扩展,kubelet 会基于此,默认在 pod.status.conditions 上配置对应的 condition, 比如当前例子 readinessGate 为conditionType: TestPodReady,则相应就会有 conditions

status:conditions:  - lastProbeTime: nulllastTransitionTime: "2022-07-05T09:16:07Z"status: "false"type: TestPodReady

当该 condition.status 为 false 时,则 Pod 就会一直是不健康,哪怕 readiness 检查通过,直到第三方系统去操作更新 Pod 该 condition.status 为 true,才可以将 Pod 变为健康,这样就可以接入更多的 Pod 健康指标。

Pod生命周期: Terminating

client 在发起请求删除Pod的时候,实际上是配置 ​​pod.metadata.deletionTimestamp​,kubelet 感知到后,开始进行 Pod 回收流程

整个 Pod 的回收周期,常规来说 preStop—>SIGTERM—>SIGKILL

lifecycle:preStop:exec:command:      - /bin/sh      - -c      - sleep 5

当 kubelet 进行 preStop 后,开始发起 SIGTERM 给容器内进程,若超过总默认耗时30S(metadata.DeletionGracePeriodSeconds),则强制发起 SIGKILL 给容器,也就是 prestop+SIGTERM 总耗时不允许超过30s。

5、Status(状态)

status:conditions:  - lastProbeTime: nulllastTransitionTime: "2022-07-05T09:16:07Z"status: "True"type: TestPodReady  - lastProbeTime: nulllastTransitionTime: "2022-07-05T09:16:07Z"status: "True"type: Initialized  - lastProbeTime: nulllastTransitionTime: "2022-07-05T09:16:14Z"status: "True"type: Ready  - lastProbeTime: nulllastTransitionTime: "2022-07-05T09:16:14Z"status: "True"type: ContainersReady  - lastProbeTime: nulllastTransitionTime: "2022-07-05T09:16:07Z"status: "False"type: ContainerDiskPressure  - lastProbeTime: nulllastTransitionTime: "2022-07-05T09:16:07Z"status: "True"type: PodScheduledcontainerStatuses:  - containerID: containerd://xxxxximage: docker.io/library/testdemo:v1imageID: docker.io/library/centos@sha256:xxxxlastState: {}name: zxtestready: truerestartCount: 0started: truestate:running:startedAt: "2022-07-05T09:16:13Z"hostIP: 21.1.96.23phase: RunningpodIP: 10.11.17.172podIPs:  - ip: 10.11.17.172qosClass: GuaranteedstartTime: "2022-07-05T09:16:07Z"

基于上述YAML样例,将Pod status状态拆建出来分析一下:

  • conditions: conditions是作为一种更详尽的状态报告,其本身也是一种扩展机制,其他的扩展字段也可以放入其中,比如可以表明网络状况,其中readinessGate就是这种扩展机制的表现,但决定Pod是否ready,永远只看type: Ready是否为true
  • containerStatuses: Pod内各容器的状态
  • hostIP: Pod所在节点ip地址
  • phase: Pod的生命周期状态
  • Pending:代表Pod有一个容器或者多个容器还未运行,其中包括Pod调度到节点之前以及拉取镜像
  • Running:代表Pod已绑定到节点上,至少有一个容器运行或在重启
  • Successed:代表Pod所有容器已终止
  • Failed:代表Pod内至少有一个容器终止失败
  • Unknown:代表无法获取Pod状态
  • podIP/podIPs:Pod的IP地址,假如有ipv4、ipv6,则可以在podIPs上配置
  • qosClass:代表kubernetes服务等级
  • Guaranteed:resource.requests与resource.limits一致

  • Burstable:resource.requests与resource.limits 不一致

  • BestEffort:没有配置resource.requests与resource.limits

  • startTime:启动时间

通过以上Pod四个部分拆解,我们基本搞清了一个Pod在k8s下“从哪里来”的这个问题。本系列的后续的文章会对“到哪里去”这个问题继续展开:Kubernetes的魅力在于不仅仅是拉起一个工作负载,而是能够召之即来挥之即去地编排海量工作负载。

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