架构师必知必会系列：容器编排与管理平台-EW帮帮网

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

Docker是一个开源的应用容器引擎，其轻量级容器技术可以帮助开发者快速、可靠地打包、分发和运行应用程序。Docker具有轻量、高效、安全等特性，是最流行的云计算基础设施之一。另外，Kubernetes也是一个开源的容器编排框架，它为容器化应用提供了资源调度、服务发现和动态伸缩的能力，并提供弹性伸缩、服务健康检查、日志和监控等功能。因此，无论是Docker还是Kubernetes，都可以作为容器编排平台进行部署、管理和维护。而随着企业的发展，越来越多的企业采用容器化技术实现业务上云迁移，这就需要一个强大的容器编排与管理平台。容器编排与管理平台通常由以下几个功能模块组成：

服务发现与负载均衡：服务发现机制使得容器化应用能够通过名称或标签访问集群中的其他容器，负载均衡器则对访问请求做到均匀分布。
配置管理与持续交付：配置管理工具使得不同环境下的容器参数一致，从而确保应用在任何地方都能正常运行。而持续交付系统则可以自动构建和发布新的镜像版本。
权限管理与审计：权限管理系统控制各个用户对于容器的访问权限，审计记录每个用户的操作行为，从而提升用户体验。
滚动升级与回滚：当容器出现问题时，滚动升级和回滚机制可以帮助快速恢复服务。

因此，容器编排与管理平台是实现业务上云迁移的关键组件。很多企业选择了私有云或混合云的方式进行业务上云，但由于成本和运维的限制，仍然希望拥有一个全面的容器编排平台来支撑整个云基础设施。目前国内外已经有不少优秀的容器编排与管理平台，比如阿里云容器服务ACK、AWS ECS、Azure Kubernetes Service（AKS）等，它们都有自己的特色，需要结合自身业务场景进行选型。此外，对于没有专业团队或个人技术力量来自行开发容器编排与管理平台的公司来说，也存在着一些技术难题，如容器调度算法、负载均衡策略、资源隔离和资源配额等。这些问题的解决将直接影响平台的性能、可用性和易用性。

2.基本概念术语说明

本节将介绍容器编排及管理平台中常用的基本概念和术语。

2.1 容器化

容器化是指利用操作系统虚拟化技术来打包、分发和运行应用的一种方案。传统上，应用要想运行起来，需要在物理服务器或者虚拟机中安装相应的软件环境、依赖库等，占用大量的硬件资源。而容器化技术通过操作系统层面的虚拟化，让应用运行在一个沙盒环境中，可以有效地降低资源消耗和系统开销。容器的特征包括独立性、资源隔离和共享、环境一致性、大小可伸缩等。Docker就是开源的容器技术平台，基于容器技术提供了一种简单的方法来打包、分发和运行应用程序。

2.2 Docker

Docker是一个开源的应用容器引擎，提供轻量级的虚拟化容器技术，主要用于自动化打包、部署和运行分布式应用。它被认为是目前最流行的容器引擎之一，它为容器提供了简便的开发环境，让开发人员摆脱了繁琐的配置环境和依赖关系设置过程。Docker是一个轻量级的虚拟化容器技术，支持多平台并保证了运行环境一致性。Docker基于Go语言实现，底层通过Linux容器运行时接口（LXC）实现进程隔离和资源隔离。

2.2.1 Dockerfile

Dockerfile是Dockerfile文件的简称，它是用来构建Docker镜像的脚本文件。Dockerfile中定义了用于创建镜像的指令集，每条指令构建一层镜像。Dockerfile由四部分组成：基础镜像信息、依赖安装命令、启动命令和对工作目录的设置。基础镜像信息用于指定所使用的父镜像；依赖安装命令用于安装应用运行所需的环境依赖；启动命令用于指定容器启动时执行的命令；对工作目录的设置用于指定容器中的工作路径。

# 使用的基础镜像
FROM nginx:latest

# 安装nginx
RUN apt update && \
    apt install -y nginx

# 指定启动命令
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

# 对工作目录的设置
WORKDIR /usr/share/nginx/html

2.2.2 镜像仓库

镜像仓库是存放Docker镜像的地方，每个镜像都有一个唯一标识符（即SHA256哈希值）。当我们把镜像上传至镜像仓库后，就可以在其它机器上下载该镜像，并运行它。常用的镜像仓库有Docker Hub、Quay.io等。

2.2.3 容器

容器是Docker的运行实例，是镜像的可运行实例。一个镜像可以对应多个容器。容器可以被创建、启动、停止、删除，并且可以根据需要随时启动。容器的重要属性有如下几种：

IP地址：容器获得一个IP地址，这个IP地址可以通过docker inspect <container>命令查看。
存储空间：每个容器都会创建一个可读写的文件系统。
网络：每个容器可以加入到多个网络，且容器间可以互相通信。
生存周期：容器只要没有主动停止，它就会一直运行，直到主动删除或退出。

2.2.4 注册表

Docker Registry是Docker官方托管的一个公共镜像仓库。除了官方提供的公共镜像仓库，第三方的云服务商也提供镜像仓库服务，例如AWS Elastic Container Registry（Amazon ECR），Google Container Registry等。

2.3 Kubernetes

Kubernetes是一个开源的容器编排框架，它可以自动化地部署、扩展和管理容器化的应用，管理容器集群中的资源，提高了集群的横向扩展性和自动化程度。Kubernetes利用容器集群管理的概念，将Pod（裸金属服务器上运行的容器）、Service（容器对外暴露的端口）和ReplicaSet（集群中运行相同应用的副本数量）这些基本概念进行抽象，形成一个完整的集群管理系统。Kubernetes利用标签来组织资源对象，可以方便地为各种微服务应用进行管理。

2.3.1 Pod

Pod是Kubernetes的最小调度单位，是一组紧密相关的容器集合。一般情况下，Pod会包含一个或多个容器，共享网络命名空间，存储卷，以及通过Labels来进行识别和分类。

2.3.2 ReplicaSet

ReplicaSet（副本集）是一种控制器，用来确保Pod保持期望个数或根据指定的策略实时调整Pod的个数。控制器通过创建和删除Pod副本，来实现集群的服务水平扩展。当创建或删除Pod时，控制器都会自动调整集群的容量。

2.3.3 Deployment

Deployment（部署）也是一种控制器，用来管理ReplicaSets。它可以帮助我们实现滚动更新和零停机部署。

2.3.4 Service

Service（服务）是Kubernets中最常用的资源对象，用来提供稳定、负载均衡的网络连接。一个Service通常会映射到多个Pods上，实现了自动化的负载均衡。Service有两种类型：ClusterIP和NodePort。

ClusterIP：默认类型，通过虚拟IP实现集群内部的服务发现和负载均衡。
NodePort：通过节点的IP和静态端口实现外部访问。

2.3.5 Namespace

Namespace（命名空间）是Kubernetes用来隔离资源、分配命名空间的一种资源对象。不同的Namespace之间无法通信，使得应用逻辑更加清晰和安全。一个Namespace可以包含多个不同的Pod、Service等资源对象。

2.3.6 Label

Label是 Kubernetes 中用来标记对象的标签。它可以用来对对象进行分类、筛选和搜索。Label可以使用key-value形式添加，例如：app=nginx，其中app是key，nginx是value。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

作者：@雨痕

发布时间：2021-04-19

3.1 项目背景介绍

本文主要讨论基于Kubernetes的分布式容器编排与管理平台的设计，我们首先介绍一下系统的需求背景和目标。然后我们将介绍一下Kubernetes及其架构的相关知识。之后，我们详细介绍了如何设计一个分布式容器编排与管理平台。最后，我们将给出一些挑战和未来的发展方向。

3.2 需求背景和目标

容器编排与管理平台面临两个主要的需求背景：

容器的生命周期管理 集群中的容器需要定时进行重启、扩容、更新、升级，这就要求容器编排与管理平台必须提供自动化、统一的生命周期管理功能。
集群资源管理 当容器数量庞大的时候，集群的资源管理显得尤为重要。因此，容器编排与管理平台需要提供资源的统一管理，包括资源划分、调度策略和资源限额等。

目标是实现一个面向大规模集群的容器编排与管理平台，满足企业生产上常见的日常工作流程需求。

3.3 Kubernetes介绍

Kubernetes 是用于自动部署、扩展和管理容器化应用程序的开源系统。它的设计目标是让开发人员可以透明且频繁地部署应用，并对复杂的运行时环境需求进行简单的声明式管理。Kubernetes 提供了许多核心功能：

容器调度： Kubernetes 负责将 Pod 分配到集群的节点上。
服务发现： Kubernetes 可以自动检测到应用的变化并通知正在运行的应用。
副本控制器： 在节点故障时进行自动重启，确保始终有指定数目的 Pod 可用。
自动伸缩： 根据 CPU 的使用情况或应用的负载自动增加或减少 Pod 副本的数量。
配置文件和 secrets： 将敏感数据（密码、密钥等）保存到独立的 Secrets 对象中，避免直接暴露在 pod 模板中。
集群自动化： Kubernetes 可以自动执行各种重复性任务，例如备份和修复集群。
版本控制： Kubernetes 支持多个版本的应用部署，同时允许回滚到之前的版本。

如上图所示，Kubernetes 有两个主要的组件：

Master：Kubernetes Master 负责管理集群的节点，调度 Pod，维护集群状态，提供 API 服务。
Node：每个 Node 上都有一个 Kubelet 代理，它负责容器和 Pod 的生命周期管理。Node 上的 kubelet 以 Pod Spec 为依据，按照预定的方式执行应用。

Kubernetes 的架构图包括四个主要组成部分：

master 节点：包括 Kubernetes 核心组件（etcd、API Server、Scheduler 和 Controller Manager），还有 Kubernetes 插件（Helm、Storage Class、DNS）等附加组件。Master 节点上的组件运行在集群的各个节点上，并提供集群管理的 RESTful API 。
node 节点：一般包括 Docker 引擎、kubelet、kube-proxy、pod。每个 node 上都有一个 kubelet 代理，它监听 master 发送的事件，并管理当前节点上的容器。Node 节点上的 kubelet 会定时向 master 节点报告当前的状态，汇报已分配到的资源（CPU、内存、磁盘等），并处理 master 发过来的控制命令。
容器编排工具：包括 kubectl、kubeadm、helm、Rancher、Kubeflow 等工具。
容器镜像仓库：包括 DockerHub、Harbor、Quay 等镜像仓库。

3.4 容器编排平台架构设计

接下来，我们将详细介绍如何设计一个容器编排平台，架构概览如下图所示：

如上图所示，容器编排平台由四个主要模块构成：

容器调度模块：负责容器调度和集群资源管理，包括：
- 资源管理模块：负责对集群中所有容器的资源进行统一管理，包括划分资源、分配优先级、资源限制等功能。
- 容器调度模块：负责将容器调度到合适的结点上，包括资源合理性和公平性的考虑。
节点管理模块：负责节点的管理，包括：
- 节点状态监测模块：负责检测和管理节点的运行状态，包括节点状态变更的通知、故障诊断、节点状态汇报等功能。
- 节点管理模块：负责对节点进行管理，包括主机操作系统的安装、维护、升级、监控等功能。
应用管理模块：负责应用的生命周期管理，包括：
- 应用调度模块：负责为应用调度资源，包括集群容量分配、优先级调度、资源限额、抢占资源等功能。
- 应用编排模块：负责应用编排，包括编排流程设计、编排规则和流程控制等功能。
- 应用生命周期模块：负责应用的生命周期管理，包括部署、更新、回滚、扩缩容、删除等功能。
- 应用监控模块：负责应用的监控，包括实时监控、历史监控和告警等功能。
网络管理模块：负责集群网络的管理，包括：
- 网络插件：提供容器网络解决方案，包括 Flannel、Calico、Weave Net、CoreOS RktNetes 等。
- 网络路由模块：负责网络路由，包括路由的更新、路由表的生成、路由规则的管理等功能。
- 服务发现模块：负责服务发现，包括服务的注册、查询和失活通知等功能。

3.5 节点管理模块

节点管理模块负责节点的管理，包括：

节点状态监测模块：负责检测和管理节点的运行状态，包括节点状态变更的通知、故障诊断、节点状态汇报等功能。
节点管理模块：负责对节点进行管理，包括主机操作系统的安装、维护、升级、监控等功能。

节点状态监测模块包括：

节点状态检测：对集群中的节点进行健康检查，根据响应结果设置节点的状态。
节点状态变更通知：对节点状态变更进行通知，包括节点资源用量的指标、节点健康状况、节点故障信息等。
节点故障诊断：对节点故障进行诊断，包括定位故障原因、分析系统日志、配置系统资源、采取措施等。
节点状态汇报：对节点进行状态汇报，包括提供节点的当前状态、负载、资源等信息。

节点管理模块包括：

节点健康状况检查：对节点进行健康检查，包括核查磁盘空间、网络连接、CPU、内存等情况。
节点资源管理：对节点资源进行管理，包括配置节点资源，控制资源分配和消耗，并触发资源警告。
节点操作系统管理：对节点的操作系统进行管理，包括安装、升级、补丁、配置等。
节点监控模块：对节点进行监控，包括实时监控、历史监控和告警等。

3.6 容器调度模块

容器调度模块负责容器的调度和集群资源管理，包括：

资源管理模块：负责对集群中所有容器的资源进行统一管理，包括划分资源、分配优先级、资源限制等功能。
容器调度模块：负责将容器调度到合适的结点上，包括资源合理性和公平性的考虑。

资源管理模块包括：

集群资源统计：统计集群中所有的资源，包括集群总资源、可用资源、闲置资源等。
集群资源管理：对集群中资源的分配、管理、追踪等。
集群资源限制：限制集群中某类资源的使用范围，防止因资源过度使用导致系统崩溃、资源浪费等问题。

容器调度模块包括：

调度规则制定：制定调度规则，包括亲和性、反亲和性、资源匹配、硬约束、软约束、最大容量限制等。
调度决策算法：采用算法对待调度容器进行排序和选择，按照优先级、抢占资源、公平性等方法进行调度。
调度状态更新：对容器调度状态进行更新。

3.7 应用管理模块

应用管理模块负责应用的生命周期管理，包括：

应用调度模块：负责为应用调度资源，包括集群容量分配、优先级调度、资源限额、抢占资源等功能。
应用编排模块：负责应用编排，包括编排流程设计、编排规则和流程控制等功能。
应用生命周期模块：负责应用的生命周期管理，包括部署、更新、回滚、扩缩容、删除等功能。
应用监控模块：负责应用的监控，包括实时监控、历史监控和告警等功能。

应用调度模块包括：

应用部署调度：在集群中部署新应用时，选择合适的结点进行调度。
应用扩缩容调度：在集群中扩容和缩容时，选择合适的结点进行调度。
资源预留调度：为应用预留资源，在资源紧张时提前进行资源调度。
资源竞争调度：避免资源竞争，对相同资源的请求进行优先调度。

应用编排模块包括：

编排流程设计：设计编排流程，包括应用的发布流程、分发流程、预热流程、启动流程、升级流程等。
编排规则制定：制定编排规则，包括应用部署顺序、停止策略、失败策略、恢复策略、备份策略、灾难恢复策略等。
编排流程控制：对编排流程进行控制，包括流程编排、流程跟踪、流程回退等。

应用生命周期模块包括：

部署管理：对新应用进行部署、更新、回滚，以及扩缩容等操作。
启停管理：对应用进行启停，包括应用的启停、启动时序控制、关闭时序控制等。
资源管理：对应用资源进行管理，包括资源分配、使用、归还等操作。

应用监控模块包括：

实时监控：实时监控应用的资源使用情况、状态、健康状况，以及节点的状态等。
历史监控：对应用的历史状态进行监控，包括历史资源使用情况、历史健康状况、节点故障事件等。
告警系统：对应用的告警进行收集、过滤、处理和通知，包括针对应用资源使用情况、集群利用率、节点健康状况等进行告警。

3.8 网络管理模块

网络管理模块负责集群网络的管理，包括：

网络插件：提供容器网络解决方案，包括 Flannel、Calico、Weave Net、CoreOS RktNetes 等。
网络路由模块：负责网络路由，包括路由的更新、路由表的生成、路由规则的管理等功能。
服务发现模块：负责服务发现，包括服务的注册、查询和失活通知等功能。

网络插件包括：

Flannel：是一个跨平台的开源网络 fabric，能够轻松实现不同主机之间的容器网络通信。Flannel 封装了 etcd，使得容器之间能够自动寻址、发现。
Calico：是一款开源的网络解决方案，它是一个基于 BGP 和 xDP 的数据中心网络方案。Calico 通过与 Kubernetes 集成，可以方便地实现 Pod 之间的网络通信。
Weave Net：是一个开源的容器网络解决方案，它采用纯粹的数据中心方案，不需要和 Kubernetes 集成。Weave Net 使用 Weave 协议进行容器间的网络通信。
CoreOS RktNetes：是一个基于 rkt 容器技术的 Kubernetes 兼容容器运行时。RktNetes 允许运行 Kubernetes 本地容器（rkt）。

网络路由模块包括：

路由规则管理：管理节点路由规则，包括路由更新、路由表生成等。
路由规则定义：定义路由规则，包括静态路由、子网路由、端口路由等。

服务发现模块包括：

服务注册管理：管理各个服务的注册信息，包括 IP、域名和端口号的绑定关系。
服务查询管理：管理各个服务的查询，包括 IP 查询、域名查询、服务发现等。

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