K8s快速實戰（二）

Kubernetes

Kubernetes又稱k8s由Google建立，發表於2015年，後續被捐獻給了Cloud Native Computing Foundation(CNCF)。 K8s是容器調度工具(Container Orchestration Tool)，被設計成一個鬆耦合的元件集合，提供了包含部署、維護、擴展的工作負載功能。

Kubernetes 特色

• 服務發現(Service discovery) 與 負載平衡(Load balancing)
• Storage orchestration (Local&Cloud based)
• 自動化 rollouts and rollbacks
• 自我修復(Self-healing)
• Secret與參數管理
• 統一使用同一種API去管理地端與雲服務的狀態。

說完特色之後，我們來看Kubernetes的架構圖。一張好的架構圖會讓我們更好的了解Kubernetes的運作模式。

這張架構圖看起來有看沒有懂，我懂，讓我們來拆解一個個Kuberbetes元件，解開一個個你腦海中的問題，將其化為你的知識。

仔細看會發現，這張架構圖主要分為了兩個部分，也就是Kubernetes Control Plane與Kubernetes Worker Nodes。

Kubernetes 架構概觀

Kubernetes 整體分為控制層（Control Plane）與執行層（Worker Nodes）。

• Control Plane：負責決策、調度、維持期望狀態。
• Worker Nodes：實際執行容器的環境。

Kubernetes Control Plane是什麼？

Kubernetes Control Plane就像是所有Kubernetes Node的管理中心，它主要負責管理、調度、監控與協調所有Node的運作。
主要元件如下：

1️⃣ kube-apiserver 是所有組件之間的中樞溝通中心。所有請求（CLI、UI、或控制器）都要透過它。它負責驗證、授權、更新 etcd 中的狀態資料。功用就像是 Kubernetes 的「入口 API Gateway」。

2️⃣ etcd 是一個分散式 Key-Value 資料庫。它儲存整個叢集的狀態（例如 Pod、Service、ConfigMap 等資訊）。kube-apiserver 會與它同步資料，並更新最新的Pod or Service..etc的狀態。

3️⃣ kube-scheduler 決定「Pod 應該跑在哪個 Node 上」。根據資源可用性（CPU、Memory、Affinity、Taints/Tolerations 等）分配 Pod。

簡單來講，Pod就是你的一個服務，而Node就像是你的主機，當現在需要啟動一個新的服務時，假設你擁有多台主機時，你就會需要kube-scheduler來幫你決定你現在要部署的服務應該放置在哪一個主機上面。

4️⃣ kube-controller-manager 內含多種控制器（如 ReplicaSetController、NodeController、EndpointController）。每個控制器都負責維持某個「期望狀態」（例如 Pod 數量、節點健康狀態）。

5️⃣ cloud-controller-manager 這是針對雲端平台（AWS、GCP、Azure）設計的控制器。它會和雲服務 API 溝通（如建立 Load Balancer、掛載雲端磁碟、更新 Node 狀態）。圖上紅色箭頭指的部分，就是它與「Cloud Provider」互動的路徑。

Kubernetes Nodes 是什麼？

如果把Kubernetes Master當成管理中心，Kubernetes Nodes就是被管理的Workers，每一個Node都是實際執行應用容器（Pods）的主機。

Node的主要元件如下：

1️⃣ kubelet是K8s在Node上的代理程式，你可以想像它是Node中的管理中心。它主要功能有：

• 負責接收 API Server(也就是kube-apiserver) 下發的 Pod Spec，並確保容器依照定義執行。
• 監控在Node內的Pod狀態，並持續向API Server上報 Node 狀態（例如資源使用量、健康狀況）。
• kubectl會透過container-runtime來啟動、停止、監控容器。

2️⃣ kube-proxy管理 Node 上的網路。負責 Service 的虛擬 IP（ClusterIP）與 Pod 之間的流量轉送。讓不同 Node 上的 Pod 能互相通訊。

3️⃣ Container Runtime雖然圖上沒畫，但實際上每個 Node 都需要一個容器運行環境（例如 containerd、CRI-O）。kubelet 會呼叫 runtime 來建立、停止容器。

Pod？Container？Node？

如果用一句話來解釋這些元件的關係，我會說「Container在Pod中被運行，Pod在Node中被運行，所有Node來自一個Cluster」

K8s Component

在運行K8s時，我們可以先了解有關k8s的相關設定，K8s Context是一組設定，包含要連線的Kubernetes Cluster、使用者身份與憑證、預設命名空間，這些來自K8s Context的資訊對日後的開發至關重要。

接著，我們來介紹k8s的各種元件。

Cluster是什麼？

Cluster 是由一組 Master 與 Node 所組成的整體系統，是 Kubernetes 運作的最外層單位。所有 Pod、Service、Deployment 都是 Cluster 內的資源。

Namespaces是什麼？

Namespaces 是 Kubernetes 用來邏輯分隔資源的機制。它的主要用途是：

• 資源隔離：不同團隊、專案或環境（如 dev、staging、prod）可以使用不同的 Namespaces，互不干擾。
• 權限控制：搭配 RBAC（Role-Based Access Control）可以設定誰能操作哪些 Namespaces。
• 資源配額：可以對每個 Namespaces 設定 CPU、記憶體等使用上限。
• 組織管理：讓集群中的資源（Pod、Service、Deployment 等）更有結構地分類。

Nodes是什麼？

• Node pool是一組虛擬機器的集群(Group virtual machine)。集群中同一個pool的VM大小是一樣的。
• 在一個Cluster可以包含多個Node pool
  • 每個Cluster裡面的Node可以使用大小不同的 VM。
  • 每一個Node pool都可以獨立擴展，與其他Node pool不相干。

關於Node可以參考以下例圖

Pods是什麼？

• K8s中最小的部署單位
• 封裝了應用程式容器，一個Pod可包含一個或多個container
• Pod中的Container共享ip address, mounted volumes
• Pod中的Container使用localhost溝通

關於Pod可以參考以下例圖

Deployment 是什麼？

Deployment 是用來管理 Pod 的高階抽象。它能自動：

• 滾動更新 Pod
• 維持指定數量（Replica）
• 支援回滾（Rollback）
  在實際開發中，我們幾乎不會直接建立 Pod，而是建立 Deployment。

K8s 執行過程

下圖展示了一個Pod的建立/銷毀過程，透過一步步的步驟讓你了解Pod是怎麼被建立/銷毀的，同時一併介紹了其他元件的運作模式。

Pod 狀態

• Pending - Accepted but not yet created
• Running - Bound to a node
• Succeeded - Exited with status 0
• Failed - All containers exit and at least one exited with nono-zero status.
• Unknown - Communication issues with the pod
• CrashLoopBackOff - Started, crashed, started again, and then crashed again.

一個 Pod 的 YAML

apiVersion: v1
kind: Pod # Specify the type of resource you want to create
metadata:
  name: myapp-pod
  labels: # Used to identify, describe and group related sets of objects or resources.
    app: myapp
    type: front-end
spec:
  containers:
  - name: nginx-container
    image: nginx # image (pull from docker Hub)
    resources:
      requests:
        cpu: 100m
        memory: 128Mi
      limits:
        cpu: 250m
        memory: 256Mi    
    ports:
    - containerPort: 80 # port listening
      name: http
      protocol: TCP
    env: # Environment variables
    - name: DBCON
      value: myconnectionstring

有時我們想要在Pod啟動之前先初始化另外一些Pod

• 使用init Container，Init Container可包含多個，任一失敗就不會運行下一個。
• 如果Init Container失敗，kubelet會重啟它直到成功為止。或者使用restartPolicy設定調整成Never

常見Kubernetes 指令

	Command	Description
1	kubectl config current-context	Get the current context
2	kubectl config get-contexts	List all context
3	kubectl config use-context [contextName]	Set the current context
4	kubectl ctx [contextName]	shortcut
5	kubectl config delete-context [contextName]	Delete a context from the config file
6	kubectl create -f deploy.yaml	Create deployment with yaml
7	kubectl delete deployment [deploymentName]	Delete the deployment
8	kubectl get deployment	List all deployments
	NameSpace
1	kubectl get namespace	List all namespaces
2	kubectl get ns	shortcut
3	kubectl config set-context --current --namespace=[namespaceName]	Set the current context to tuse a namespace
4	kubectl create ns [namespaceName]	Create a namespaces
5	kubectl delete ns [namespaceName]	Delete a namespaces
6	kubectl get pods --all-namespace	List all pods in all namespaces
7	kubectl config set-context --current --namespace=[namespaceName]	Change the namespaces to the docker one and get the pods list
	Nodes
1	kubectl get nodes	list all nodes
2	kubectl describe node	Get info about the node
	Pods
1	kubectl create -f [*.yml]	Create a pod
2	kubectl run [podName] --image=[imageName] -- /bin/sh -c "sleep 3600"	Run a pod
3	kubectl get pods	list all running pods
4	kubectl get pods -o wide	same but with more info
5	kubectl describe pod [podName]	show pod info
6	kubectl get pods [podName] -o yaml	Extract the pod definition in YAML and save it to a file
7	kubectl exec -it [podName] -- sh	Enter into interactive mode
8	kubectl delete -f [pod-definition.yml]	Delete a pod
9	kubectl delete pod [podName]	Delete a pod

學習資源

1. (https://www.youtube.com/watch?v=kTp5xUtcalw)