了解 Kubernetes 架构中不同组件是如何组合在一起的，这样你就可以更好地排查问题、维护一个健康的集群，以及优化工作流。
使用 Kubernetes 来编排容器，这种描述说起来简单，但理解它的实际含义以及如何实现它完全是另外一回事。如果你正在运行或管理 Kubernetes 集群，那么你就会知道 Kubernetes 由一台称为 “ 控制平面 control plane ” 的机器和许多其他 工作节点 worker node 机器组成。每种类型都有一个复杂但稳定的堆栈，这使编排成为可能，熟悉每个组件有助于理解它是如何工作的。
（Nived Velayudhan, CC BY-SA 4.0）
控制平面组件
Kubernetes 安装在一个称为“ 控制平面 control plane ”的机器上，它会运行 Kubernetes 守护进程，并在启动容器和 容器组 pod 时与之通信。下面介绍控制平面的各个组件。
etcd
etcd 是一种快速、分布式一致性键值存储器，用作 Kubernetes 对象数据的持久存储，如容器组、副本控制器、密钥和服务。etcd 是 Kubernetes 存储集群状态和元数据的唯一地方。唯一与 etcd 直连的组件是 Kubernetes API 服务器。其他所有组件都通过 API 服务器间接的从 etcd 读写数据。
etcd 还实现了一个监控功能，它提供了一个基于事件的接口，用于异步监控键的更改。一旦你更改了一个键，它的监控者就会收到通知。API 服务器组件严重依赖于此来获得通知，并将 etcd 变更至期望状态。
为什么 etcd 实例的数量应该是奇数？
你通常会运行三个、五个或七个 etcd 实例实现高可用（HA）环境，但这是为什么呢？因为 etcd 是分布式数据存储，可以水平扩展它，但你需要确保每个实例中的数据是一致的。因此，需要为系统当前状态达成共识，etcd 为此使用 RAFT 共识算法。
RAFT 算法需要经过选举（或仲裁）集群才能进入下一个状态。如果你只有两个 etcd 实例并且他们其中一个失败的话，那么 etcd 集群无法转换到新的状态，因为不存在过半这个概念。如果你有三个 etcd 实例，一个实例可能会失败，但仍有 2 个实例可用于进行选举。
API 服务器
API 服务器是 Kubernetes 中唯一直接与 etcd 交互的组件。Kubernetes 中的其他所有组件都必须通过 API 服务器来处理集群状态，包括客户端（kubectl）。API 服务器具有以下功能：
- 提供在 etcd 中存储对象的一致方式。
- 执行验证对象，防止客户端存储配置不正确的对象（如果它们直接写入 etcd 数据存储，可能会发生这种情况）。
- 提供 RESTful API 来创建、更新、修改或删除资源。
- 提供 [乐观并发锁](https://stackoverflow.com/questions/52910322/kubernetes-resource-versioning#:~:text=Optimistic%20concurrency%20control%20(sometimes%20referred,updated%2C%20the%20version%20number%20increases.)，在发生更新时，其他客户端永远不会有机会重写对象。
- 对客户端发送的请求进行身份验证和授权。它使用插件提取客户端的用户名、ID、所属组，并确定通过身份验证的用户是否可以对请求的资源执行请求的操作。
- 如果请求试图创建、修改或删除资源，则负责 权限控制。例如，AlwaysPullImages、DefaultStorageClass 和 ResourceQuota。
- 实现了一种监控机制（类似于 etcd），用户客户端监控更改。这允许调度器和控制器管理器等组件以松耦合的方式与 API 服务器交互。
控制器管理器
在 Kubernetes 中，控制器持续监控集群状态，然后根据需要进行或请求更改。每个控制器都尝试将当前集群状态变更至期望状态。控制器至少跟踪一种 Kubernetes 资源类型，这些对象均有一个字段来表示期望的状态。
控制器示例：
- 副本管理器（管理 副本控制器 ReplicationController 资源的控制器）
- 副本集 ReplicaSet 、守护进程集DaemonSet 和任务控制器
- 部署控制器
- 有状态负载控制器
- 节点控制器
- 服务控制器
- 接入点控制器
- 命名空间控制器
- 持久卷 PersistentVolume 控制器
控制器通过监控机制来获得变更通知。它们监视 API 服务器对资源的变更，对每次更改执行操作，无论是新建对象还是更新或删除现有对象。大多数时候，这些操作包括创建其他资源或更新监控的资源本身。不过，由于使用监控并不能保证控制器不会错过任何事件，它们还会定期执行一系列操作，确保没有错过任何事件。
控制器管理器还执行生命周期功能。例如命名空间创建和生命周期、事件垃圾收集、已终止容器组垃圾收集、级联删除垃圾收集 和节点垃圾收集。有关更多信息，参考 云控制器管理器。
调度器
调度器是一个将容器组分配给节点的控制平面进程。它会监视新创建没有分配节点的容器组。调度器会给每个发现的容器组分配运行它的最佳节点。
满足容器组调度要求的节点称为可调度节点。如果没有合适的节点，那么容器组会一直处于未调度状态，直到调度器可以安置它。一旦找到可调度节点，它就会运行一组函数来对节点进行评分，并选择得分最高的节点，然后它会告诉 API 服务器所选节点的信息。这个过程称为绑定。
节点的选择分为两步：
调度决策要考虑的因素包括：
- 容器组是否请求硬件/软件资源？节点是否报告内存或磁盘压力情况？
- 节点是否有与容器组规范中的节点选择器匹配的标签？
- 如果容器组请求绑定到特定地主机端口，该端口是否可用？
- 容器组是否容忍节点的污点？
- 容器组是否指定节点亲和性或反亲和性规则？
调度器不会指示所选节点运行容器组。调度器所做的就是通过 API 服务器更新容器组定义。然后 API 服务器通过监控机制通知 kubelet 容器组已被调度，然后目标节点上的 kubelet 服务看到容器组被调度到它的节点，它创建并运行容器组。
工作节点组件
工作节点运行 kubelet 代理，这允许控制平面接纳它们来处理负载。与控制平面类似，工作节点使用几个不同的组件来实现这一点。 以下部分描述了工作节点组件。
Kubelet
Kubelet 是一个运行在集群中每个节点上的代理，负责在工作节点上运行的所有事情。它确保容器在吊舱中运行。
kubelet服务的主要功能有：
- 通过在 API 服务器中创建节点资源来注册它正在运行的节点。
- 持续监控 API 服务器上调度到节点的容器组。
- 使用配置的容器运行时启动容器组的容器。
- 持续监控正在运行的容器，并将其状态、事件和资源消耗报告给 API 服务器。
- 运行容器存活探测，在探测失败时重启容器，当 API 服务器中删除容器组时终止（通知服务器容器组终止的消息）。
服务代理
服务代理（kube-proxy）在每个节点上运行，确保一个容器组可以与另一个容器组通讯，一个节点可以与另一个节点对话，一个容器可以与另一个容器对话。它负责监视 API 服务器对服务和容器组定义的更改，以保持整个网络配置是最新的。当一项服务得到多个容器组的支持时，代理会在这些容器组之间执行负载平衡。
kube-proxy 之所以叫代理，是因为它最初实际上是一个代理服务器，用于接受连接并将它们代理到容器组。当前的实现是使用 iptables 规则将数据包重定向到随机选择的后端容器组，而无需通过实际的代理服务器。
关于它工作原理的高级视图：
- 当你创建一个服务时，会立即分配一个虚拟 IP 地址。
- API 服务器会通知在工作节点上运行的 kube-proxy 代理有一个新服务。
- 每个 kube-proxy 通过设置 iptables 规则使服务可寻址，确保截获每个服务 IP/端口对，并将目的地址修改为支持服务的一个容器组。
- 监控 API 服务器对服务或其端点对象的更改。
容器运行时
容器运行时有两类：
- 较低级别的容器运行时： 它们主要关注运行中的容器并为容器设置命名空间和 控制组 cgroup 。
- 更高级别的容器运行时（容器引擎）： 它们专注于格式、解包、管理、共享镜像以及为开发人员提供 API。
容器运行时负责：
- 如果容器镜像本地不存在，则从镜像仓库中提取。
- 将镜像解压到写时复制文件系统，所有容器层叠加创建一个合并的文件系统。
- 准备一个容器挂载点。
- 设置容器镜像的元数据，如覆盖命令、用户输入的入口命令，并设置 SECCOMP 规则，确保容器按预期运行。
- 通知内核将进程、网络和文件系统等隔离分配给容器。
- 通知内核分配一些资源限制，如 CPU 或内存限制。
- 将系统调用（syscall）传递给内核启动容器。
- 确保 SElinux/AppArmor 设置正确。
协同
系统级组件协同工作，确保 Kubernetes 集群的每个部分都能实现其目和执行其功能。当你深入编辑 YAML 文件 时，有时很难理解请求是如何在集群中通信的。现在你已经了解了各个部分是如何组合在一起的，你可以更好地理解 Kubernetes 内部发生了什么，这有助于诊断问题、维护健康的集群并优化你的工作流。
via: https://opensource.com/article/22/2/kubernetes-architecture
作者：Nived Velayudhan 选题：lujun9972 译者：MjSeven 校对：turbokernel
本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出
