Vm -＞ Docker -＞ K8s

╰+攻爆jí腚メ 2023-01-05 12:23 204阅读 0赞

**前言**  
在实际的软件开发过程中，我们需要多的环境：如开发环境、测试环境、沙箱环境、自动化环境、预发环境、生产环境……这么多的环境要如何维护呢？是一台机器部署一个应用，还是一台机器部署多个应用？多个应用之前又要怎么隔离呢？这时候就需要使用到虚拟化技术了。

**VM（虚拟机）**  
所谓虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统 。这个听起来有些绕口，其实就是通过软件的隔离，让你的电脑能够同步安装多个完整的计算机系统，这里说的软件比较有名的就是VMWare和OpenStack，通过VMWare或OpenStack，我们在原来的电脑中模拟出一台甚至多台“子电脑”出来。这些子电脑可以是Mac、windows、linux中的任意系统、任意版本，只你软件支持且你能找到镜像。在“子电脑”里，你可以和正常电脑一样运行程序，例如打开word。各个子电脑之间的软件硬件都是相互隔离的，互不影响的。  
虚拟化有哪些优势？  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
*优点：*  
虚拟机能够让一台机器像多台机器一样运行，这意味着您需要的服务器更少，并且还可以最大限度地利用您拥有的服务器。这种效率的提高能够节省硬件、冷却和维护成本。借助虚拟化，我们可以在同一台机器上运行多种类型的应用、桌面和操作系统。

*缺点：*  
虚拟机虽然可以隔离出很多「子电脑」，但占用空间更大，启动更慢。虚拟机软件可能还要花钱，例如 VMWare  
运行空间，虚拟机一般要几 GB 到 几十 GB 的空间

**Docker**  
Docker 是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何流行的 Linux 机器上，也可以实现虚拟化。容器是完全使用沙箱机制，相互之间不会有任何接口。

> 诞生于 2013 年初，最初是 dotCloud 公司内部的一个业余项目。它基于 Google 公司推出的 Go 语言实现。 项目后来加入了  
> Linux 基金会，遵从了 Apache 2.0协议， 项目代码在 GitHub 上进行维护。Docker  
> 自开源后受到广泛的关注和讨论，以至于 dotCloud 公司后来都改名为 Docker Inc。Redhat 已经在其 RHEL6.5  
> 中集中支持 Docker；Google 也在其 PaaS 产品中广泛应用

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

Docker 的基础是 Linux 容（ LXC）等技术。在 LXC 的基础上 Docker 进行了进一步的封装， 让用户不需要去关心容器的管理，使得操作更为简便。用户操作 Docker 的容器就像操作一个快速轻量级的虚拟机一样简单。

Docker的思想来自于集装箱，集装箱解决了什么问题？在一艘大船上，可以把货物规整的摆放起来。并且各种各样的货物被集装箱标准化了，集装箱和集装箱之间不会互相影响。那么我就不需要专门运送水果的船和专门运送化学品的船了。只要这些货物在集装箱里封装的好好的，那我就可以用一艘大船把他们都运走。Docker就是类似的理念。

现在都流行云计算了，云计算就好比大货轮，Docker就是集装箱。

Docker 技术的三大核心概念，分别是：

*1、镜像 Image  
2、容器 Container  
3、仓库 Repository*

> 核心思想：
> 
> > Build，Ship and Run(搭建、运输、运行)。  
> > Build once，Run anywhere(一次搭建，处处运行)。

Docker 轻量级的原因是什么?相信你也会有这样的疑惑：为什么 Docker 启动快?如何做到和宿主机共享内核?

当我们请求 Docker 运行容器时，Docker 会在计算机上设置一个资源隔离的环境。

然后将打包的应用程序和关联的文件复制到 Namespace 内的文件系统中，此时环境的配置就完成了。之后 Docker 会执行我们预先指定的命令，运行应用程序。

镜像不包含任何动态数据，其内容在构建之后也不会被改变。  
由于 Namespace 和 Cgroups 功能仅在 Linux 上可用，因此容器无法在其他操作系统上运行。那么 Docker 如何在 macOS 或 Windows 上运行?Docker 实际上使用了一个技巧，并在非 Linux 操作系统上安装 Linux 虚拟机，然后在虚拟机内运行容器。  
镜像是一个可执行包，其包含运行应用程序所需的代码、运行时、库、环境变量和配置文件，容器是镜像的运行时实例。

为了更好的理解 Docker 是什么，我们来举个例子  
我需要盖一个房子，于是我搬石头、砍木头、画图纸、盖房子。一顿操作，终于把这个房子盖好了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

结果，住了一段时间，心血来潮想搬到海边去。这时候按以往的办法，我只能去海边，再次搬石头、砍木头、画图纸、盖房子。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

烦恼之际，跑来一个魔法师教会我一种魔法。这种魔法可以把我盖好的房子复制一份，做成「镜像」，放在我的背包里。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
等我到了海边，就用这个「镜像」，复制一套房子，拎包入住。

是不是很神奇?对应到我们的项目中来，房子就是项目本身，镜像就是项目的复制，背包就是镜像仓库。  
如果要动态扩容，从仓库中取出项目镜像，随便复制就可以了。Build once，Run anywhere!  
不用再关注版本、兼容、部署等问题，彻底解决了「上线即崩，无休止构建」的尴尬。

容器：将操作系统层虚拟化，是一个标准的软件单元  
其特点如下：

\*• 随处运行：容器可以将代码与配置文件和相关依赖库进行打包，从而确保在任何环境下的运行都是一致的。

• 高资源利用率：容器提供进程级的隔离，因此可以更加精细地设置 CPU 和内存的使用率，进而更好地利用服务器的计算资源。

• 快速扩展：每个容器都可作为单独的进程予以运行，并且可以共享底层操作系统的系统资源，这样一来可以加快容器的启动和停止效率。\*

**K8S**  
Docker容器技术被炒得热火朝天之时，大家发现，如果想要将Docker应用于具体的业务实现，是存在困难的——编排、管理和调度等各个方面，都不容易。于是，人们迫切需要一套管理系统，对Docker及容器进行更高级更灵活的管理。于是K8S出现了

K8S就是基于容器的集群管理平台，它的全称，是kubernetes。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

**1、k8s 架构**：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
概括来说 K8s 架构就是一个 Master 对应一群 Node 节点。下面我们来逐一介绍 K8s 架构图中的 Master 和 Node。

Master 节点结构如下：

• apiserver 即 K8s 网关，所有的指令请求都必须要经过 apiserver。

• Scheduler 调度器，使用调度算法，把请求资源调度到某一个 Node 节点。

• Controller 控制器，维护 K8s 资源对象。

• etcd 存储资源对象。

Node 节点结构如下：  
• Kubelet 在每一个 Node 节点都存在一份，在 Node 节点上的资源操作指令由 Kubelet 来执行。

• Kube-proxy 代理服务，处理服务间负载均衡。

• Pod 是 K8s 管理的基本单元(最小单元)，Pod 内部是容器，K8s 不直接管理容器，而是管理 Pod。

• Docker 运行容器的基础环境，容器引擎。

• Fluentd 日志收集服务。

**2、K8s核心组件**

**①K8s 组件**

K8s 是用来管理容器，但是不直接操作容器，最小操作单元是 Pod (间接管理容器)：  
• 一个 Master 有一群 Node 节点与之对应。  
• Master 节点不存储容器，只负责调度、网管、控制器、资源对象存储。  
• 容器的存储在 Node 节点，容器是存储在 Pod 内部的)。  
• Pod 内部可以有一个容器，或者多个容器。  
• Kubelet 负责本地 Pod 的维护。  
• Kube-proxy 负责负载均衡，在多个 Pod 之间来做负载均衡。

**②Pod 是什么?**

解释如下：  
• Pod 也是一个容器，这个容器中装的是 Docker 创建的容器，Pod 用来封装容器的一个容器，Pod 是一个虚拟化分组。  
• Pod 相当于独立主机，可以封装一个或者多个容器。  
Pod 有自己的 IP 地址、主机名，相当于一台独立沙箱环境。

**③Pod 到底用来干什么?**

通常情况下，在服务部署时候，使用 Pod 来管理一组相关的服务。一个 Pod 中要么部署一个服务，要么部署一组有关系的服务。  
一组相关的服务是指：在链式调用的调用连路上的服务。

**④Web 服务集群如何实现?**

实现服务集群：只需要复制多方 Pod 的副本即可，这也是 K8s 管理的先进之处，K8s 如果继续扩容，只需要控制 Pod 的数量即可，缩容道理类似。

**⑤Pod 底层网络，数据存储是如何进行的?**

具体如下：  
• Pod 内部容器创建之前，必须先创建 Pause 容器。  
• 服务容器之间访问 localhost ，相当于访问本地服务一样，性能非常高。

**⑥ReplicaSet 副本控制器**

控制 Pod 副本「服务集群」的数量，永远与预期设定的数量保持一致即可。  
当有 Pod 服务宕机时候，副本控制器将会立马重新创建一个新的 Pod，永远保证副本为设置数量。  
副本控制器：标签选择器-选择维护一组相关的服务(它自己的服务)  
• ReplicationController 副本控制器：单选。  
• ReplicaSet 副本控制器：单选，复合选择。  
不过在新版中，建议使用 ReplicaSet 作为副本控制器，ReplicationController 不再使用了。

**⑦Deployment 部署对象**

Deployment 部署对象如下：  
• 服务部署结构模型  
• 滚动更新  
ReplicaSet 副本控制器控制 Pod 副本的数量。但是，项目的需求在不断迭代、不断的更新，项目版本将会不停的的发版。版本的变化，如何做到服务更新?  
部署模型：  
• ReplicaSet 不支持滚动更新，Deployment 对象支持滚动更新，通常和 ReplicaSet 一起使用。  
• Deployment 管理 ReplicaSet，RS 重新建立新的 RS，创建新的 Pod。

**⑧MySQL 使用容器化部署，存在什么样的问题?**

问题如下：  
• 容器是生命周期的，一旦宕机，数据丢失  
• Pod 部署，Pod 有生命周期，数据丢失  
对于 K8s 来说，不能使用 Deployment 部署有状态服务。  
通常情况下，Deployment 被用来部署无状态服务，那么对于有状态服务的部署，使用 StatefulSet 进行有状态服务的部署。  
什么是有状态服务?  
• 有实时的数据需要存储。  
• 有状态服务集群中，把某一个服务抽离出去，一段时间后再加入机器网络，如果集群网络无法使用。  
什么是无状态服务?  
• 没有实时的数据需要存储。  
• 无状态服务集群中，把某一个服务抽离出去，一段时间后再加入机器网络，对集群服务没有任何影响。

**⑨StatefulSet**

为了解决有状态服务使用容器化部署的一个问题：  
• 部署模型  
• 有状态服务  
StatefulSet 保证 Pod 重新建立后，Hostname 不会发生变化，Pod 就可以通过 Hostname 来关联数据。

**3、K8s 的服务注册与发现**

**①Pod 的结构是怎样的?**

结构如下：

Pod 相当于一个容器，Pod 有独立 IP 地址，也有自己的 Hostname，利用 Namespace 进行资源隔离，独立沙箱环境。  
Pod 内部封装的是容器，可以封装一个，或者多个容器(通常是一组相关的容器)。

**②Pod 网络**

具体如下：

Pod 有自己独立的 IP 地址。  
Pod 内部容器之间访问采用 Localhost 访问。  
Pod 内部容器访问是 Localhost，Pod 之间的通信属于远程访问。

**③Pod 是如何对外提供服务访问的?**

Pod 是虚拟的资源对象(进程)，没有对应实体(物理机，物理网卡)与之对应，无法直接对外提供服务访问。

那么该如何解决这个问题呢?Pod 如果想要对外提供服务，必须绑定物理机端口。

也就是说在物理机上开启端口，让这个端口和 Pod 的端口进行映射，这样就可以通过物理机进行数据包的转发。

概括来说：先通过物理机 IP+Port 进行访问，再进行数据包转发。

**④一组相关的 Pod 副本，如何实现访问负载均衡?**

我们先明确一个概念，Pod 是一个进程，是有生命周期的。宕机、版本更新，都会创建新的 Pod。

这时候 IP 地址会发生变化，Hostname 会发生变化，使用 Nginx 做负载均衡就不太合适了。

所以我们需要依赖 Service 的能力。

**⑤Service 如何实现负载均衡?**

简单来说，Service 资源对象包括如下三部分：

Pod IP：Pod 的 IP 地址。  
Node IP：物理机 IP 地址。  
Cluster IP：虚拟 IP ，是由 K8s 抽象出的 Service 对象，这个 Service 对象就是一个 VIP 的资源对象。

**⑥Service VIP 更深入原理探讨**

具体如下：

Service 和 Pod 都是一个进程，Service 也不能对外网提供服务。  
Service 和 Pod 之间可以直接进行通信，它们的通信属于局域网通信。  
把请求交给 Service 后，Service 使用 iptable，ipvs 做数据包的分发。

**⑦Service 对象是如何和 Pod 进行关联的?**

具体如下：

不同的业务有不同的 Service。  
Service 和 Pod 通过标签选择器进行关联。  
selector：  
app=x 选择一组订单的服务 pod ，创建一个 service；  
通过 endpoints 存放一组 pod ip；  
Service 通过标签选择器选择一组相关的副本，然后创建一个 Service。

**⑧Pod 宕机、发布新的版本的时候，Service 如何发现 Pod 已经发生了变化?**

每个 Pod 中都有 Kube-Proxy，监听所有 Pod。如果发现 Pod 有变化，就动态更新(etcd 中存储)对应的 IP 映射关系。

总结，这里简单介绍了Vm -> Docker -> K8s的演变过程，以及不同载体之间优缺点，具体在软件架构设计中采用哪种，还是要结合实际项目情况。  
例如，虚拟机出现之前，我有钱有能力，我可以买套别墅  
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虚拟机出现后，实体机成本太高，我可以买个商品房

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

Docker出现，为了节约成本，胶囊公寓也不错  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ZpcHNob3BfZmluX2Rldg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

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