后端架构师必知必会系列：容器化与部署-EW帮帮网

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

一、前言

最近几年，云计算、微服务架构以及容器技术大行其道，前端、后端开发都在经历着转型与更新。作为一名技术从业者，不管是面试还是实际工作中，都会碰到很多与容器相关的问题，比如Kubernetes、Docker、镜像构建等等。虽然容器技术能够帮助解决复杂应用的部署和运维问题，但对于技术人员来说，掌握这些技术并不是件容易的事情。因此，本文将从不同角度、层次、视角出发，从宏观、微观、模式上，对容器化技术进行全面的剖析，并结合实践案例分享相关知识点。希望能帮助你更好地理解、掌握和运用容器技术。

二、容器化概述

容器化是一种新的虚拟化技术，它利用操作系统级别的隔离机制来提供应用运行环境，使得可以在不同的主机之间快速部署、迁移和扩展应用，并达到资源节约和分配效率的效果。一般来讲，容器技术通过 Docker 来实现，其主要特性如下：

轻量级：相比于传统虚拟机、硬件隔离方案，容器共享宿主机内核，启动速度快；
可交互性：容器内的应用具有良好的交互性；
资源隔离：容器内部可以独立使用主机资源，避免影响系统其他部分的性能；
一致性：容器化提供的环境一致性保证了应用在各个不同环境下的运行结果一致；
弹性扩展：可根据业务需要随时增加或减少资源。

三、容器编排工具Kubernetes

Kubernetes 是当前容器编排领域最热门的开源项目之一。它是一个用于自动部署、缩放及管理容器化应用的开源系统，基于 Google 公司内部的 Borg 系统，并得到广泛应用于生产环境。它的主要功能包括：

服务发现和负载均衡：Kubernetes 提供 DNS 智能解析、负载均衡、Ingress 控制器等功能，通过简单的配置就能实现容器集群的自动化服务发现与流量调度；
存储编排：Kubernetes 提供了易于使用的分布式存储卷插件，支持多种类型的存储，例如 NFS、Ceph、GlusterFS 和 PersistentVolumeClaim；
自我修复能力：Kubernetes 可以检测到应用崩溃或者节点失联等故障，并进行自我修复；
自动伸缩：通过水平扩展和垂直扩展，Kubernetes 可以根据应用的实际负载自动动态调整 Pod 的数量，提高应用的容错能力；
密钥和证书管理：Kubernetes 提供了简单易用的密钥和证书管理机制，包括 Secret、ConfigMap 和 CertificateSigningRequest。

总而言之，Kubernetes 提供了一套完整的容器编排方案，它可以帮助用户打造一个具有弹性、可靠、易扩展的云平台。

四、容器化方案设计

（一）集群规划

在部署 Kubernetes 时，首先要确定集群规模和布局。大体上，可以分为以下几个步骤：

选择最适合业务场景的集群大小：小型集群（如测试环境）只需购买一台机器即可，大型集群（如生产环境）则需要购买数百甚至数千台机器；
为 Kubernetes 分配足够的资源：例如，内存和 CPU 数量、磁盘空间、网络带宽等；
选择集群所在的数据中心和机房位置：应根据业务的延迟要求选择距离源点较近的数据中心，这样就可以降低因网络传输时间过长导致的访问延迟问题；
选择集群网络模型：有些企业采用集中式网络模型，即 Kubernetes 所有组件都在单独的物理服务器上安装，这种模型易于管理和维护；也有些企业采用分布式网络模型，即 Kubernetes 中某些组件部署在边缘数据中心，另一些组件部署在云上，这种模型可以有效降低网络带宽消耗，提升网络性能。

（二）部署准备工作

在正式开始部署之前，还需要做一些准备工作，包括：

安装 Docker CE：由于 Kubernetes 需要依赖于 Docker 来构建镜像和运行容器，所以需要安装 Docker CE；
配置远程访问权限：为了方便管理集群，需要为集群中的每一台机器设置 SSH 远程登录权限；
创建部署目标机器所需用户帐号：如果目标机器没有预先配置远程登录权限，则需要创建相应的帐号；
准备集群所需工具：由于 Kubernetes 的安装包比较大，所以需要预先下载好安装包；
配置 Docker Registry：通常，我们在 Kubernetes 中使用 Docker Hub 或 Aliyun 等公共镜像仓库，如果本地没有可用的镜像仓库，则需要自己搭建私有镜像仓库；

（三）安装配置 Kubernetes

安装完 Docker CE 之后，就可以开始安装 Kubernetes 了。大体上，可以分为以下几个步骤：

在目标机器上安装 Kubernetes 的主节点和工作节点；
配置 kubelet 参数：kubelet 是 Kubernetes 集群中每个节点的代理，它负责向 API Server 发送指令，同步节点状态信息；
配置 kube-proxy 参数：kube-proxy 负责为 Service 提供外部访问；
配置 kubectl 命令：kubectl 是 Kubernetes 的命令行工具，用来对 Kubernetes 集群进行控制和管理；
对集群进行初步配置：例如，指定集群使用的网络模型、Pod 网络 CIDR 等；

（四）制作镜像

为了让 Kubernetes 正常运行，我们还需要构建自己的镜像。一般情况下，需要先编写 Dockerfile 文件，然后利用 Docker 构建镜像。其中，Dockerfile 中的指令描述了如何构建、运行一个容器，可以参考官方文档进行编写。

FROM node:latest
WORKDIR /app
COPY package*.json./
RUN npm install
COPY..
EXPOSE 3000
CMD ["npm", "start"]

注意：Dockerfile 中的指令有 COPY、ADD、ENV、RUN、CMD、LABEL、ARG、EXPOSE、VOLUME、USER、WORKDIR 等，可以通过官方文档学习更多指令的用法。

（五）推送镜像到私有镜像仓库

为了让 Kubernetes 能拉取到我们的镜像，需要把镜像推送到私有镜像仓库，一般是本地或远程的 Docker Registry。

docker tag [image name] [registry address]/[username]/[repository]:[tag]
docker push [registry address]/[username]/[repository]:[tag]

（六）创建 Deployment 对象

Deployment 对象是 Kubernetes 中的核心对象，它描述了用户期望的应用的部署状态、策略、更新方式等。比如，可以通过定义 Deployment 来声明应用的升级策略、发布策略、扩缩容策略、回滚策略等。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: hello-kubernetes # 应用名称
  labels:
    app: hello-kubernetes # 应用标签
spec:
  replicas: 2 # 副本数
  selector:
    matchLabels:
      app: hello-kubernetes # 选择器标签
  template:
    metadata:
      labels:
        app: hello-kubernetes # 模板标签
    spec:
      containers:
      - name: hello-kubernetes # 容器名称
        image: registry.example.com/[username]/hello-kubernetes:v1.0 # 镜像地址
        ports:
        - containerPort: 3000 # 端口映射
          protocol: TCP
        resources: {}

注意：Deployment 对象的 spec 属性非常重要，它定义了应用的生命周期，包括发布策略、升级策略、扩缩容策略、回滚策略、资源限制、健康检查等。

（七）配置 Ingress 对象

Ingress 对象用来定义 Kubernetes 集群外对应用的访问方式。一般情况下，可以通过创建一个 Ingress 对象来暴露 Service 的 HTTP、HTTPS 或 TCP 协议服务，也可以通过多个 Ingress 对象来组合成一个最终的路由规则。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-service # 对象名称
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  rules:
  - http:
      paths:
      - path: /api/*
        backend:
          serviceName: api-server # 服务名称
          servicePort: 8080 # 服务端口

注意：Ingress 对象的 spec 属性中有一个 paths 数组属性，它定义了应用的访问路径，backend 字段表示该路径对应的服务。

（八）生成 Kubernetes 资源文件

上面介绍的所有对象，都是定义了 Kubernetes 集群中资源的状态和行为，但为了让 Kubernetes 将它们准确的应用到集群中，还需要将这些 YAML 文件转换成 Kubernetes API 对象并提交给 Kubernetes Master。这里可以使用类似 Helm Charts 这样的模板工具来自动生成这些文件，也可以手动编写。

（九）测试和排查问题

最后一步，就是在生产环境中测试应用是否按预期运行。我们需要通过查看日志、监控指标、健康检查等手段，确认应用的正常运行。如果出现任何问题，可以进一步分析日志文件、配置文件、监控数据等，定位和解决异常。

2.核心概念与联系

Kubernetes是当下最火的容器编排工具，其功能已经日臻完善，如：集群自动扩容、智能调度、部署与更新、完备的审计跟踪、基于角色的访问控制、容器网络管理、密钥与证书管理等，具有强大的生态系统支持。

因此，理解容器编排背后的基本概念和原理有助于更好地运用容器技术。

结点(Node)：指的是集群中运行任务的实体，每个结点可能是一个物理机或云服务器。
集群(Cluster)：由若干个结点组成的一个逻辑集合，提供共享资源和服务的集合，提供调度、资源管理和调度决策的基础设施。
控制平面(Control Plane)：集群的核心组件，包括用于管理集群的API Server、Scheduler和Controller Manager。
工作节点(Worker Node)：运行任务的结点，由kubelet、kube-proxy和容器运行时构成。
命名空间(Namespace)：集群中资源的集合，用于多租户和隔离。
对象(Object)：集群中持久化的存储资源，如Pods、Deployments、Namespaces等。
标签(Label)：键值对形式的元数据，用于对对象进行分类和过滤。
注解(Annotation)：与标签类似，用于添加非结构化的元数据。
服务发现与负载均衡(Service Discovery and Load Balancing)：Kubernetes基于DNS和基于代理的服务发现与负载均衡方案。
池(Pool)：资源池，用于管理容器的CPU、内存、网络等。
工作负载(Workload)：由容器组成的应用程序，如StatefulSets、DaemonSets、Jobs、Cronjobs等。
插件(Plugin)：用于扩展Kubernetes功能的接口，如CSI、CRI、CNI、Flexvolume Plugin等。
PV、PVC、StorageClass：PV是用于持久化存储的资源，PVC是对PV请求的资源，StorageClass是PV的接口类型。
Secret、ConfigMap：用于保存敏感数据，如密码、证书、密钥等。
RBAC(Role Based Access Control)：基于角色的访问控制，用于授权用户对集群资源的访问。
API聚合器(Aggregation Layer)：用于在集群层面进行API聚合，聚合外部的非Kubernetes对象，如云资源、数据库等。
CRD(Custom Resource Definition)：自定义资源定义，用于定义新的资源类型。
日志收集、查询与分析(Logging, Querying and Analysis)：用于集群中日志数据的收集、查询与分析。
监控与告警(Monitoring and Alerting)：用于集群中资源的实时监控与告警。
密钥与证书管理(Key and Certificate Management)：用于集群中密钥和证书的管理。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

1. Kubernetes集群架构

Kubernetes集群由Master和Node两部分组成，其中Master又由两个组件etcd和APIServer组成，而Node则由一个kubelet、kube-proxy组件以及一个容器运行时构成。

etcd：Kubernetes的存储系统，用于保存集群的配置信息和持久化数据，相当于一个分布式的key-value数据库。
APIServer：Kubernetes的网关，提供了HTTP RESTful风格的API接口，负责接收用户的请求，并提供认证、鉴权、数据校验、API路由和聚合等功能。
Kubelet：Kubernetes中每个Node上的代理，负责管控运行在其上的pod，包括启停、监控和重启等功能。
kube-proxy：Kubernetes中每个Node上的代理，用于实现Service的IPVS代理，支持TCP、UDP、SCTP、DNS等各种协议。
ControllerManager：控制器管理器，是Kubernetes的核心组件之一，负责维护集群中资源的状态，实现自动扩展、故障恢复、滚动升级等功能。
Scheduler：调度器，是Kubernetes的核心组件之一，负责决定将新创建的Pod调度到哪个Node上运行。
Container Runtime：容器运行时，用于运行容器。目前支持的有Docker和Containerd。
Network Plugin：网络插件，用于实现Kubernetes集群的网络方案，支持Flannel、Calico、WeaveNet、SRIOV等网络方案。

2. Kubernetes安装部署

（一）准备安装所需环境

① 操作系统版本要求

Kubernetes支持的操作系统版本有Ubuntu 16.04+、CentOS 7.4+、RHEL 7.4+和CoreOS。

② 硬件要求

官方推荐安装配置Master和Node的硬件配置如下表所示：

节点类型	最小配置	推荐配置
Master	2 CPU，4GB RAM，10GB可用磁盘空间	4 CPU，8GB RAM，100GB可用磁盘空间
Worker	2 CPU，4GB RAM，10GB可用磁盘空间	4 CPU，8GB RAM，100GB可用磁盘空间

③ 负载均衡要求

Kubernetes支持多种负载均衡插件，如HAProxy、NGINX Ingress等。

④ Docker版本要求

Kubernetes要求Docker的版本必须是1.10或以上版本。

（二）安装步骤

① 配置yum源

sudo vi /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo

写入内容：

[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64/
enabled=1
gpgcheck=0

② 安装必要的包

sudo yum update && sudo yum install -y docker kubelet kubeadm kubectl --disableexcludes=kubernetes

③ 设置开机启动

sudo systemctl enable docker && sudo systemctl start docker && \
sudo systemctl enable kubelet && sudo systemctl start kubelet

④ 初始化集群

初始化Master节点，输入如下命令：

kubeadm init

输出示例如下：

Your Kubernetes master has initialized successfully!

To start using your cluster, you need to run the following as a regular user:

  mkdir -p $HOME/.kube
  sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
  sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

You should now deploy a pod network to the cluster.
Run "kubectl apply -f [podnetwork].yaml" with one of the options listed at:
  https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/addons/

Then you can join any number of worker nodes by running the following on each node
as root:

  kubeadm join <MASTER-IP>:<MASTER-PORT> --token <TOKEN> --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<HASH>

⑤ 安装Pod网络

根据提示执行命令：

kubectl apply -f flannel.yaml

（三）部署Worker节点

在Node节点上，复制admin.conf文件到~/.kube/目录下：

mkdir -p $HOME/.kube && cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config && chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

然后，执行加入命令，输入刚才获取到的token和discovery-token-ca-cert-hash参数：

kubeadm join <MASTER-IP>:<MASTER-PORT> --token <TOKEN> --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<HASH>

（四）验证部署成功

最后，验证集群是否正常运行：

kubectl get nodes

输出示例：

NAME          STATUS    ROLES     AGE       VERSION
k8s-master    Ready     master    1h        v1.10.0
k8s-worker1   Ready     <none>    1h        v1.10.0
k8s-worker2   Ready     <none>    1h        v1.10.0

3. Kubernetes常用资源对象

Kubernetes中的资源对象有Pod、ReplicaSet、Deployment、StatefulSet、DaemonSet、Job、Cronjob、Service、Secret、ConfigMap、Ingress、Horizontal Pod Autoscaler。下面逐一对这些资源对象进行介绍。

（一）Pod

Pod是Kubernetes最基本的计算单元，表示一个正在运行或者已停止的容器集合。Pod中的容器会被协同地调度到一个节点上运行，共享网络和IPC命名空间，并且可以通过Pod中的多个容器进行协同工作。

Pod的组成：

容器组：Pod中的容器会被调度到一个结点上运行。
数据卷：Pod中的容器可以挂载数据卷，这样就可以在容器间共享和保存数据。
生命周期：Pod拥有独立的生命周期，当Pod终止时，Pod中的容器也会一并终止。
健康检查：Pod可以设置健康检查探针，对容器的健康状态进行监测。
密钥卷：Pod中的容器可以挂载密钥卷，可以通过该卷共享密钥和TLS证书。

（二）ReplicaSet

ReplicaSet控制器是一种特殊的控制器，通过监视待创建的Pod的副本数量，并确保匹配期望的Pod数目来保持集群中指定的数量的相同副本的运行状态。

ReplicaSet主要包含以下几个部分：

LabelSelector：该控制器可以指定一个LabelSelector标签选择器，用来筛选需要处理的事件。
Replicas：该控制器可以通过指定的Replicas属性来设定期望的副本数目。
OwnerReference：ReplicaSet控制器会为其管理的Pod资源添加OwnerReference引用，用来确保ReplicaSet控制器不删掉其管理的Pod。
并发策略：该控制器可以通过并发策略来管理Pod的创建、删除等操作，如串行、并行或优雅停机。

（三）Deployment

Deployment资源对象用于简化对Pod及其 ReplicaSet的管理。Deployment通过声明式的方法来管理Pod的更新、扩缩容以及回滚等操作。

Deployment主要包含以下几个部分：

Desired State Configuration：Desired State Configuration (DSC) 是Kubernetes系统中的一项重大改进，它允许用户通过配置文件的方式来声明应用的期望状态，而不需要去编写和维护大量的Yaml文件。
Rolling Update Strategy：Rolling Update Strategy 是Deployment的默认策略，也是Deployment的主要特征之一。当更新Deployment中的Pod时，它会按照一定的顺序逐步更新Pod。
Rollback：Deployment可以实现回滚操作，当某个Deployment中的Pod因为意料之外的原因而无法正常运行时，可以将其回滚到之前的正常版本。
Pause and Resume：Deployment可以通过暂停和继续的方式来动态管理其ReplicaSet的滚动更新策略。
Status Subresource：Deployment具有Status子资源，可以实时的显示Deployment的状态信息。

（四）StatefulSet

StatefulSet是用来管理具有唯一标识的有状态应用的资源对象。StatefulSet中的应用由多个副本组成，这些副本有固定的身份标识符，可以追踪自己的历史记录并可以相互识别。

StatefulSet主要包含以下几个部分：

Pod Management Policy：StatefulSet可以设置Pod管理策略，可以设置为静态或者动态，静态模式下每个Pod的名称都固定；动态模式下Pod的名称是由 StatefulSet 生成的，并遵循特定的序列。
Storage：StatefulSet可以通过持久化存储卷的方式来为Pod提供数据持久化和容灾能力。
Ordered Concurrency：StatefulSet可以控制每个Pod的启动顺序，保证先启动的Pod先完成初始化过程。
Identity：StatefulSet可以为每个Pod指定固定的身份标识符，可以用来区别各个Pod。
Dedicated Nodes for Stable Storage：StatefulSet可以指定固定的节点，用于存储有状态的应用，提高其稳定性。

（五）DaemonSet

DaemonSet控制器是一个用来管理节点范围内Daemon Pod的控制器。它会在所有满足label选择条件的节点上部署指定的Pod副本，这样就保证了节点上运行的Daemon Pod始终保持为常驻的状态。

DaemonSet主要包含以下几个部分：

Label Selector：该控制器可以指定一个标签选择器，来过滤节点上的Daemon Pod。
Deployment Strategy：该控制器可以通过滚动更新策略、并行更新策略和静默模式来控制DaemonSet的部署策略。
Rolling Updates：当新增或者删除DaemonSet中的节点时，可以通过滚动更新的方式将指定的Daemon Pod副本部署到新节点上。
Inter-Pod Affinity and Anti-Affinity：该控制器可以通过亲和性和反亲和性规则来设置DaemonSet中的Pod之间的相互绑定关系，从而实现一定的调度和分布式管理能力。

（六）Job

Job资源对象用于创建一次性的任务，也就是仅运行一次的任务。任务完成后，会自动结束，不会留存任何记录。

Job主要包含以下几个部分：

Parallelism：该控制器可以设置并发策略，即Pod的最大并发数目。
Completions：该控制器可以设置Pod的期望完成数目。
Clean up Policy：该控制器可以设置Pod的清理策略，用于控制何时自动删除Pod。
Suspend and Resume：该控制器可以通过暂停和继续的方式来动态管理Job的运行。

（七）Cronjob

Cronjob资源对象用于创建定时任务，即按照特定时间间隔执行一次性任务的Job。它与普通的Job有所不同的是，它创建的Job对象是由Kubernetes系统创建的，而普通的Job需要用户创建。

Cronjob主要包含以下几个部分：

Schedule：该控制器可以设置定时调度的时间间隔，即按照什么样的频率触发任务。
Starting Deadline Seconds：该控制器可以设置任务开始的截止时间，如果超过这个时间间隔仍然不能完成任务，就会报DeadlineExceeded异常。
Concurrency Policy：该控制器可以设置并发策略，即同一时间刻度上可以同时运行的任务个数。
History Limit：该控制器可以设置保留Job历史记录的数量，超出的历史记录会被删除。
Job Template：该控制器可以设置Job的模板，用来定义Job的配置和执行步骤。

（八）Service

Service资源对象用于抽象和隐藏后端Pod的具体网络连接信息，提供统一的入口并通过负载均衡的方式将流量负载到后端的Pod上。

Service主要包含以下几个部分：

Cluster IP：Service可以通过Cluster IP的方式提供固定的虚拟IP地址，但这是非群集内部的虚拟IP地址，只能在集群内部访问。
Ports：Service可以定义多个端口，用来提供不同的服务。
Selector：Service可以通过label选择器来筛选目标Pod。
Type：Service可以设置服务的类型，目前支持ClusterIP、NodePort、LoadBalancer和ExternalName等。
External Name：Service可以通过externalName字段来将服务指向外部的域名。

（九）Secret

Secret资源对象用于保存敏感信息，如密码、密钥等，并对外提供访问保护。Secret资源对象可以直接映射到 Pod 中的 Volume，因此可以直接在 Pod 中使用。

Secret主要包含以下几个部分：

Data：Secret可以通过Data字段来保存敏感信息。
Type：Secret可以设置密钥类型，目前支持Opaque、kubernetes.io/dockerconfigjson、bootstrap.kubernetes.io/token和bootstrap.kubernetes.io/certificate。
Usages：Secret可以设置使用方式，如 tls certificates keypairs。

（十）ConfigMap

ConfigMap资源对象用于保存配置信息，以键值对的形式存在。它可以通过命令行参数、环境变量或者文件映射的方式来配置Pod和容器。

ConfigMap主要包含以下几个部分：

Binary Data：ConfigMap可以设置二进制数据，如日志、证书等。
Immutable：ConfigMap可以设置为不可变，即只能被创建一次。
Volumes：ConfigMap可以通过Volume来挂载到Pod中，并作为环境变量、命令行参数、配置文件和其他ConfigMaps来源。

（十一）Ingress

Ingress资源对象用于将请求路由到后端的服务。

Ingress主要包含以下几个部分：

Backend：Ingress可以设置后端服务的URL和Service名称。
Path：Ingress可以设置Path的匹配规则，实现基于路径的路由。
TLS Termination：Ingress可以配置TLS加密通信。
Rules：Ingress可以设置多个Rules，实现多个Ingress的合并。
Annotations：Ingress可以设置多个Annotations，用于控制Ingress的行为，如限速、认证、缓存和重定向等。

（十二）Horizontal Pod Autoscaler

Horizontal Pod Autoscaler (HPA) 控制器用于自动扩容或缩容Pod的数量，以满足实际的业务需求。

Horizontal Pod Autoscaler主要包含以下几个部分：

Metrics：HPA可以监视Pod的资源使用情况，如CPU、Memory、Disk I/O等。
Scaling Rules：HPA可以设置CPU使用率、内存使用率和其它指标的阈值，并通过相应的算法来自动扩容或缩容Pod的数量。
Multiple Targets Support：HPA可以为不同的目标设置不同的规则，比如设置不同的资源限制和副本数量。
Up-Down Scaling：HPA可以设置扩容或缩容步长，以应对突发的业务高峰期。
Event Prediction：HPA可以根据历史数据预测未来的资源使用情况，并提前扩容或缩容以防止资源短缺。

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