作者：禅与计算机程序设计艺术
1.背景介绍
容器编排（Container Orchestration）是指通过自动化工具或平台对应用进行管理，实现应用部署、资源调度、弹性伸缩等功能，从而提供服务的一种方法。容器编排技术如Docker Swarm、Kubernetes、Mesos等，均采用分布式模式，通过抽象出集群机器、容器、网络等资源，对上述资源进行统一管理，简化了部署、维护、扩展等流程。Kubernetes是当下最流行的容器编排框架，由Google团队开发并开源，在云计算领域受到了广泛关注。本系列文章将从容器编排技术的演变过程以及Kubernetes技术优劣两个角度出发，讨论其各自的特性、适用场景及设计理念。
2.核心概念与联系
2.1 容器编排技术的演变历史
容器编排技术的历史可以追溯到20世纪70年代末期，主要基于两类主流技术模型——进程级(process-based)和虚拟机级(VM-based)。
进程级编排技术如LXC(Linux Container)和OpenVZ，主要用于运行单个应用。由于对OS的要求过高，导致性能开销较大，市场份额较小；因此很少被应用于实际生产环境。
虚拟机级编排技术如Xen、VMware、Hyper-v等，利用主机内核提供的硬件隔离和虚拟化技术，将一个物理服务器划分成多个逻辑运行环境，每个运行环境可视为一个独立的操作系统，且具有完整的资源占用，能够有效隔离不同应用，保证应用的稳定性和安全性。
后来，随着云计算的兴起，容器技术也开始被越来越多地应用在容器编排领域。基于Docker技术的Docker Swarm等，均是分布式集群架构，可通过命令行或者Web界面进行集群管理，支持多种编排策略，包括常见的发布／更新／回滚策略，动态伸缩策略等。
2.2 Kubernetes技术概述
Kubernetes是当下最流行的容器编排框架，由Google团队开发并开源，是一个开源的、功能强大的容器编排系统。它提供的管理能力包括Pod的创建、调度、生命周期管理、日志记录和监控等，并通过RESTful API接口向外提供服务。它的主要特点如下：
- 核心组件：Kubernetes有三个基本的组件，分别是etcd、kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler、kubelet、kube-proxy。其中，etcd用于保存集群状态信息，提供访问API的后台数据库；kube-apiserver负责处理客户端的REST请求，并响应集群的CRUD操作；kube-controller-manager是基于控制循环机制的控制器集合，包括Replication Controller、Replica Set、Daemon Set、Job、StatefulSet等控制器；kube-scheduler负责对新创建的Pod进行调度，并将调度结果写入etcd中；kubelet负责管理运行在节点上的Pod，包括启动容器、停止容器、监控容器运行情况等；kube-proxy负责为Service提供网络代理。
- 声明式API：Kubernetes提供了声明式API，即用户通过描述自己的期望，然后由系统自动执行实际的工作。比如，用户可以通过Deployment对象来描述应用的期望，Deployment控制器就会根据这个期望生成符合要求的Replica Set、Pod和Service对象。声明式API让用户不需要编写复杂的代码或脚本，即可完成应用的部署、扩容、升级、回滚等操作。
- 无状态应用：Kubernetes除了支持有状态的应用之外，也支持无状态应用。无状态应用不依赖于持久化存储，因此可以在任意时刻重新调度。比如，Redis、Memcached这些数据缓存产品就是无状态的应用。
- 容器自动化：Kubernetes支持基于模板的创建和配置，并通过容器健康检查和滚动升级来确保应用始终处于预期的运行状态。
- 水平伸缩：Kubernetes提供的自动水平伸缩功能，使得应用能够根据CPU、内存、磁盘、网络等资源的需求，自动地按需调整规模。通过增加或减少节点上的Pod数量，Kubernetes能够自动地将应用分配给合适的节点。
- 自动故障转移：Kubernetes支持自动识别和修复失败的节点。如果某个节点出现故障，Kubernetes会在其他节点上调度该节点上的所有Pod，确保应用的高可用性。
- 自我修复机制：Kubernetes具备自我修复机制，它会监控集群的运行状况，并通过各种手段自动纠正和恢复集群的状态。例如，当某个节点失效时，Kubernetes会自动创建新的节点并替换失效节点。
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
3.1 Pod的创建
Pod是 Kubernetes 中最小的单元，也是最重要的实体对象。它封装了一个或多个容器，共享相同的网络命名空间、IPC 命名空间和 UTS namespace。Pod 的定义应该遵循以下几点原则：
- 一个 Pod 只能包含一个容器。
- 一个 Pod 可以包含多个共享存储卷。
- 一个 Pod 中的容器应尽可能相对独立，避免相互之间产生干扰。
Pod 的创建需要借助 Kubelet 对宿主机上的 Docker daemon 进行远程调用，将容器创建的指令提交给 Docker daemon 。这样做的好处是允许用户以声明式的方式指定容器的属性，Kubelet 会自动满足这些要求。同时，还可以使用 kubelet 提供的一些机制来管理 Pod 中的容器，包括镜像拉取、资源限制、本地存储卷管理、网络通信等。
创建一个 Pod 的步骤如下：
- 用户通过 YAML 文件或者 API 对象描述 Pod 的期望状态，并提交给 Kubernetes API server。
- kube-apiserver 根据用户的描述创建 Pod 对象。
- scheduler 根据 Pod 的资源请求和约束条件，选择一个节点运行 Pod。
- kubelet 将 Pod 对象的定义转换成容器引擎所认识的 API，并向容器引擎提交创建指令。
- 当容器引擎接收到创建指令后，开始创建 Pod 中的容器，包括创建网络和数据卷等操作。
- 创建成功后，Pod 对象进入 Running 状态，Pod 中的容器才真正开始运行。
3.2 Pod的调度
Pod 仅仅封装了一组容器，实际上还是靠调度器对它们进行调度。调度器负责分析待调度的 Pod 请求，选择合适的 Node 来运行它。每台 Node 上都有一个 Kubelet 代理进程，用来和 API Server 通信，接受并执行集群中各项工作。
当用户提交一个 Pod 请求时，Kubelet 首先向 API Server 发送“绑定”请求，获取 Pod 对应的 Node 列表，之后将 Pod 调度到其中一个 Node 上。调度过程会考虑许多因素，如 Pod 是否已经存在、Node 的资源是否充足、Pod 和 Node 的亲和/反亲和规则是否满足等。调度完成后，Kubelet 会向 Node 上的 kubelet 进程发送“创建”请求，通知其启动容器。
3.3 Deployment的概念和运作方式
Kubernetes 中的 Deployment 是声明式的应用部署解决方案，它为用户提供创建、更新、删除 Pod 和 ReplicaSet 的简单接口。Deployment 内部封装了 ReplicaSet 控制器，可以帮助用户管理多个 ReplicaSet，并确保 Deployment 中所有的 Pod 副本都处于健康状态。
Deployment 运作的大致步骤如下：
- 使用 kubectl create 命令或配置文件创建一个 Deployment 对象。
- Kube-apiserver 收到 Deployment 对象后，创建该 Deployment 对应的 ReplicationController 对象。
- Scheduler 检测到待创建的 Pod 资源不足，新建节点进行扩容。
- Kubelet 监控到新建节点，开始拉起 Pod 到新节点上。
- Pod 在新节点正常运行。
- Node 上的 kubelet 发现该 Pod 不健康，触发重启操作。
- Kubelet 发送“终止”请求给 Pod，关闭旧容器，等待新容器启动。
- 一切顺利后，Pod 切换为 Running 状态。
- 如果检测到 Node 发生故障，Kubelet 自动在另一个节点拉起相应的 Pod。
3.4 StatefulSet的概念和运作方式
StatefulSet 是为了管理有状态应用，保证它们的顺序性、唯一性、持久性。StatefulSet 同样是基于名称的，因此用户只能通过指定固定的名称来管理这些应用。
典型的有状态应用包括 MySQL、MongoDB、ElasticSearch、ZooKeeper 等，它们都具有一定的特点，如需要按照特定顺序初始化、保持唯一标识符等。Kubernetes 中的 StatefulSet 控制器可以保证这些应用正常运行。
StatefulSet 的运作原理与 Deployment 类似，不过它比 Deployment 更加复杂一些，因为它需要管理多个 Pod 副本之间的关联关系。
3.5 Service的概念和运作方式
Kubernetes 中的 Service 是 Kubernetes 里面的基础设施对象，它可以看作一组 Pod 的逻辑集合，并且提供了透明的负载均衡、服务发现和最终目的地址路由功能。一个 Service 包含多个 Endpoint，Endpoint 是 Service 背后的具体 Pod。
Service 有一个 IP 地址，并且多个 Endpoint 以 Endpoints 汇总的方式暴露出来。外部的客户端可以向 Service 的 DNS 域名或者 IP 地址发起请求，由 kube-dns 或 CoreDNS 负载均衡算法为其提供服务。
对于 Kubernetes 集群来说，Service 是最基础也是最重要的组件之一。Service 提供了一种屏蔽底层 Pod 变化的可靠方式，使用户感觉到一个集群内部的 Virtual IP 服务。
Service 与 Deployment、ReplicaSet、StatefulSet 的关系如下图所示：
3.6 Ingress的概念和运作方式
Ingress 为 Kuberentes 提供了外网入口的代理和负载均衡功能。Ingress 通过提供外部访问的 URL、基于 HTTP 的路由转发规则、TLS 配置和服务接入 auth 验证等功能，实现 Kuberentes 集群中的服务的外网访问。
Ingress 通过一个公共的 IP 地址提供服务，通常使用 NGINX 或 HAProxy 作为 ingress controller，并通过 Annotation 定义访问规则和 SSL 配置。
当 Ingress 控制器接收到外部请求时，它会解析请求的 Hostname ，并把流量转发至对应的 Service 的 endpoint 上。而 Service 本身又通过 Endpoints 对象提供具体的 Pod IP 列表，用于负载均衡。
4.具体代码实例和详细解释说明
本节通过实例展示一些常用的 Kubernetes 功能。示例代码参考链接：https://github.com/kubernetes/examples
4.1 创建 Deployment
创建 Deployment 需要创建 Deployment 对象、关联的 ReplicaSet 和 Pod。
apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-deployment
spec:
replicas: 3 # 定义 Deployment 的副本数
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.7.9
ports:
- containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx-service
spec:
type: LoadBalancer
ports:
- port: 80
targetPort: 80
selector:
app: nginx这个例子中，我们创建了一个 Deployment nginx-deployment ，定义了 Deployment 的名称、副本数为 3，并关联了一个 Pod 模板（包含一个名为 nginx 的容器）。另外，我们还定义了一个 Service，类型为 LoadBalancer，它监听端口 80，选择的标签是 app=nginx。注意，这里没有定义 selector，这是因为我们希望 Service 可访问任意匹配标签的 Pods 。
4.2 Rolling Update Deployment
Rolling Update 是应用 Deployment 更新时的一个策略，它会逐渐更新 Deployment 的 Pods，而不是一次性全量更新所有 Pods。Rolling Update 可以避免因全量更新带来的服务中断或混乱。
Rolling Update 可以通过 Deployment 的 .spec.strategy 字段进行配置，其子字段 .spec.strategy.rollingUpdate 指定滚动更新策略。.spec.strategy.type 字段的值必须是 "RollingUpdate"，表示使用滚动更新策略。.spec.strategy.rollingUpdate.maxUnavailable 字段表示滚动更新过程中不可用 Pod 的最大数量，可以设置为百分比或者整数值。.spec.strategy.rollingUpdate.maxSurge 字段表示滚动更新过程中新增 Pod 的最大数量，可以设置为百分比或者整数值。
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx-deployment
spec:
strategy:
type: RollingUpdate
rollingUpdate:
maxUnavailable: 1
maxSurge: 0
replicas: 3 # 定义 Deployment 的副本数
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.7.9
ports:
- containerPort: 80这个例子中，我们创建了一个 Deployment nginx-deployment ，并配置了滚动更新策略。滚动更新的 maxUnavailable 设置为 1 表示，在一次滚动更新中最多只能丢失一个副本，maxSurge 设置为 0 表示，每次滚动更新过程中不会新增任何副本。
4.3 扩容 Deployment
扩容 Deployment 时，需要修改 Deployment 的 .spec.replicas 字段，然后让 Kubernetes 根据新的副本数自动创建新的 Pods。
# 查看 Deployment 的当前副本数
$ kubectl get deployment nginx-deployment --output json | jq '.status'
{
"availableReplicas": 3,
"collisionCount": null,
...
}
# 修改 Deployment 的副本数
$ kubectl patch deployment nginx-deployment --patch '{"spec":{"replicas":4}}'
deployment.extensions/nginx-deployment patched
# 查看 Deployment 的当前副本数
$ kubectl get deployment nginx-deployment --output json | jq '.status'
{
"availableReplicas": 3,
"collisionCount": null,
"observedGeneration": 4,
"readyReplicas": 3,
"replicas": 4,
"updatedReplicas": 4
}
这个例子中，我们查看了 Deployment nginx-deployment 的当前副本数，然后将副本数设置为 4。Kubernetes 根据新的副本数自动创建新的 Pods。
4.4 查看 Deployment 事件
可以查看 Deployment 的事件来了解 Deployment 操作的进度。
# 获取 Deployment 相关的所有事件
$ kubectl describe deployment/nginx-deployment
Name: nginx-deployment
Namespace: default
CreationTimestamp: Wed, 19 Feb 2020 08:39:25 +0800
Labels: <none>
Annotations: deployment.kubernetes.io/revision: 1
Selector: app=nginx
Replicas: 3 desired | 3 updated | 3 total | 3 available
StrategyType: RollingUpdate
MinReadySeconds: 0
RollingUpdateStrategy: 25% max unavailable, 25% max surge
Pod Template:
Labels: app=nginx
Containers:
nginx:
Image: nginx:1.7.9
Port: 80/TCP
Host Port: 0/TCP
Environment: <none>
Mounts: <none>
Volumes: <none>
Conditions:
Type Status Reason
---- ------ ------
Available True MinimumReplicasAvailable
Progressing True NewReplicaSetAvailable
OldReplicaSets: <none>
NewReplicaSet: nginx-deployment-6d74fc9cc (3/3 replicas created)
Events:
Type Reason Age From Message
---- ------ ---- ---- -------
Normal ScalingReplicaSet 2m deployment-controller Scaled up replica set nginx-deployment-6d74fc9cc to 3
这个例子中，我们获取 Deployment nginx-deployment 相关的所有事件。
4.5 回滚 Deployment
回滚 Deployment 时，需要修改 Deployment 的 .spec.rollbackTo 字段，并设置目标的 Revision 号码。
# 查看 Deployment 的所有历史版本
$ kubectl rollout history deployment/nginx-deployment
deployments "nginx-deployment"
REVISION CHANGE-CAUSE
1 <none>
2 <none>
3 <none>
# 查看 Deployment 当前的状态
$ kubectl get deploy nginx-deployment
NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
nginx-deployment 3/3 3 3 2h
# 回滚到前一个版本
$ kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment
# 查看 Deployment 当前的状态
$ kubectl get deploy nginx-deployment
NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
nginx-deployment 3/3 3 3 2h
这个例子中，我们查看了 Deployment nginx-deployment 的所有历史版本，并回滚到了前一个版本。
5.未来发展趋势与挑战
Kubernetes 技术目前仍在快速发展，未来会有更多优秀的功能出现。下面是一些可能会成为 Kubernetes 发展方向的新特性。
5.1 CronJob
CronJob 是 Kubernetes 提供的一个定时任务控制器，可以根据预定义的时间间隔创建、运行、删除 Job 对象。
5.2 KEDA
KEDA 是 Kubernetes 原生支持弹性伸缩（Horizontal Autoscaling）的控制器，它可以自动增加和减少 Kubernetes Deployment、ReplicaSet、StatefulSet、和其他自定义控制器对象的副本数量。KEDA 可以自动根据指定的 metric （如 CPU usage）来触发副本数量的自动调整。
5.3 StorageClass
StorageClass 是 Kubernetes 提供的一个资源申请机制，用户可以根据指定的存储介质类型和配置参数，来申请不同类型的存储。
5.4 其它特性
Kubernetes 还会继续发展，不断引入新的特性，加入更多的功能。例如，大家耳熟能详的 StatefulSet、Jobs、DaemonSet 等等，都是属于 Kubernetes 中的重要特性。