[Day 24] Kubernetes (2)

2019 iT 邦幫忙鐵人賽

DAY 24

Cloud Native

30 天準備 LPI DevOps Tools Engineer 證照系列第 24 篇

2019鐵人賽

歐弟

團隊開橋找井

2018-11-08 09:10:38

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今天來稍微瞭解一下 Kubernetes 的元件及架構，這部分取自官方文件的 Concepts，請參考 https://kubernetes.io/docs/concepts/。

首先在 overview 的第一段提到使用 Kubernetes 基本上是使用它的 API 物件來描述此叢集的理想狀態 (desired state) ，包括要運行那些應用程式、這些應用程式會使用什麼映像檔、要有多少的 replica、使用那種網路及磁碟資源等等。要建立這些物件，通常會透過 CLI，也就是 kubectl 來達成。一旦設定好叢集的理想狀態，Kubernetes 的控制層 (control plane) 就會開始工作，讓目前叢集的狀態能與已設定的理想狀態互相匹配，這些工作包括啟動或重啟容器、調整 replica 的數量等等。

Kubernetes Objects

這些物件被提出來的作用，是要將系統的狀態作一個抽象化的描述，基本的物件包括：

Pod
Service
Volume
Namespace

而在這些物件之上，Kubernetes 提供了更高階的抽象層，稱作控制器 (controller)，提供其他便利的功能，包括：

ReplicaSet
Deployment
StatefulSet
DaemonSet
Job

每個 Kubernetes 的物件都會有兩個欄位，用來管理 (govern) 物件的設置，一個是 spec，另一個是 status。spec 是由用戶所提供的，用來描述物件的理想狀態，而 status 則是描述物件實際的狀態，是由 Kubernetes 所提供並更新的，在任何時候，Kubernetes 控制層都會主動去管理物件的實際狀態，讓它們能達到用戶提供的理想狀態。昨天有提過在建立物件時，會用 JSON 或 YAML 來描述，一般會用 YAML 來編寫，kubectl 會再將其轉成 JSON，並隨 API 呼叫時作為參數傳送。接下來大概說明設定檔的格式。

Kubernetes 物件的設置描述檔需要四個欄位：apiVersion、kind、metadata 以及 spec。

apiVersion - 指定創立物件所使用的 Kubernetes API 版本。
kind - 指定要創立的物件類別。
metadata - 用來辨別此物件的識別符號，如名稱 (name)、命名空間 (namespace) 等。
spec - 描述物件的規格或理想狀態 (desired state)，隨物件類型而有所不同。

以下先看一個例子，是一個用來建立 Deployment 的描述檔。接下來在介紹各類型物件或資源時會再說明它的設定檔寫法。

apiVersion: apps/v1 # for versions before 1.9.0 use apps/v1beta2
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 2 # tells deployment to run 2 pods matching the template
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

編寫完設定檔後，用 kubectl create 來建立物件，例如：

$ kubectl create -f deployment.yaml

Pod

首先來看一下 Pod。昨天有提過幾個關於 pod 的重點，這邊再複習一下：

是 Kubernetes 中最小的建立或部署單元。
會共享資源，例如 volume、networking 等等。
可能包含一個或多個容器。

那要如何決定一個 pod 裡面要放那些容器呢？文件裡有提到，除非容器之間是緊密耦合、需要共享資源，例如它們必須共用同一個檔案系統的資料，否則不要放在同一個 pod 之中，這邊有舉一個例子，例如有一個容器是負責伺服器服務，提供外界存取某個 volume 中檔案的功能，另一個容器負責更新 volume 中的檔案，那麼它們就適合放在同一個 pod 裡。同一個 pod 之中容器間的相依必須要小心的設計，所以若非必要，盡量將不同的容器拆成不同的 pod。但一般很少會直接去管理 Pod，像是建立或刪除這類的工作，通常會透過 controller 來進行，像是昨天操作過的 deployment。以下是 Pod 的設置檔，不過在文件中稱它是一個樣版 (template)，因為 Pod 設定檔會被包含在其他物件設定檔中，並以 template 作為鍵值。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myapp-pod
  labels:
    app: myapp
spec:
  containers:
  - name: myapp-container
    image: busybox
    command: ['sh', '-c', 'echo Hello Kubernetes! && sleep 3600']

ReplicaSet

先前在講到 controller 時提到了 ReplicaSet，而在文件中 controller 這一段還有另外一個叫 ReplicationController 的東西，先來看一下它們是什麼。文件說 ReplicaSet 是下一代 (next-generation) 的 Replication controller，然後開始說明這兩者之間的差異。在 When to use a ReplicaSet 這一節中提到 ReplicaSet 用來確保在任何時間，都有指定數量的 pod replicas 在運行，其他的部分感覺起來對於 ReplicaSet 的用途好像沒有更詳細的說明，所以就到 ReplicationController 的頁面看一下它怎麼說，結果最上面的 note 指出，要設定 replication 的話，使用 Deployment 來設置 ReplicaSet 是比較建議的作法，所以大致可以推論 ReplicaSet 是用於維護 Pod replicas 的數量。不過在昨天的操作中並沒有使用到 ReplicaSet，再回到 ReplicaSet 的網頁，發現後面這樣說：然而，Deployment 是管理 ReplicaSet 的高階概念，並且提供以宣告方式更新 Pod 及其他有用的功能。因此，除非需要客製化的編配更新，或者根本不需要更新，否則建議使用 Deployment，而不要直接操作 ReplicaSet。

接下來來看一個 ReplicaSet 的設定檔範例：

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: frontend
  labels:
    app: guestbook
    tier: frontend
spec:
  # modify replicas according to your case
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      tier: frontend
    matchExpressions:
      - {key: tier, operator: In, values: [frontend]}
  template:
    metadata:
      labels:
        app: guestbook
        tier: frontend
    spec:
      containers:
      - name: php-redis
        image: gcr.io/google_samples/gb-frontend:v3
        resources:
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 100Mi
        env:
        - name: GET_HOSTS_FROM
          value: dns
        ports:
        - containerPort: 80

在這個 ReplicaSet 設定檔中，第一層的 spec 鍵值下有一個 template 鍵值，其內容就是 pod 的設定值。

Deployment

Deployment 是 controller 的其中一種，文件說它提供了 Pod 和 ReplicaSet 的宣告式更新，可以定義 Deployment，用來建立新的 ReplicaSet。下面的 note 提示不應該去管理Deployment 擁有的 ReplicaSet 。這樣看來，Deployment 應該是用來管理 ReplicatSet，而 ReplicaSet 又是用來管理 Pod。文件接下來的說明，有些地方會實際在 Kubernetes 叢集中進行操作，因此請先啟動昨天的 Minikube，接下來建立一個 controllers 目錄，並在裡面加入一個名為 nginx-deployment.yaml 檔案，內容如下：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.15.4
        ports:
        - containerPort: 80

這個 Deployment 名稱為 nginx-deployment，是由 metadata 下的 name 所指定的。在文件中會以 .metadata.name 的方法來表示巢狀的值，這裡也沿用這樣的方式。.metadata.label 用來給予 Deployment 標籤，這裡添加的標籤是 app: nginx 的鍵值對，key 是 app，value 是 nginx。接下來看一下 spec 的描述，replicas 說明 Pod 要有三個 replicas，selector 用來告訴 Deployment 要如何找到它該管理的 Pod，matchLabels 指定 Pod 必須要符合 app: nginx 這個 label，它在下方的 Pod template 中也被定義了。文件中寫說 .spec.selector 必須要跟 .spec.template.metadata.labels 相同，否則會被 API 拒絕。.spec.template 用來描述 Pod，底下一樣有 metadata 和 spec 兩個欄位，metadata 中的 labels 替這個 Pod 添加了 app: nginx 標籤，spec 定義 Pod 含有一個容器，該容器使用的映像檔、開啟的 port 號等資訊。

接下來使用以下的指令來創建這個 Deployment：

$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml

使用 kubectl get deployments/nginx-deployment 來查看這個 Deployment 的狀態，昨天已經使用過了。先前有提到物件會有 status 欄位表示目前物件的狀態，若有查看此欄位，可用以下指令：

$ kubectl get deployments/nginx-deployment -o yaml

(省略）
status:
  availableReplicas: 3
  conditions:
  - lastTransitionTime: 2018-11-05T02:08:37Z
    lastUpdateTime: 2018-11-05T02:08:37Z
    message: Deployment has minimum availability.
    reason: MinimumReplicasAvailable
    status: "True"
    type: Available
  - lastTransitionTime: 2018-11-05T02:08:06Z
    lastUpdateTime: 2018-11-05T02:08:37Z
    message: ReplicaSet "nginx-deployment-86d59dd769" has successfully progressed.
    reason: NewReplicaSetAvailable
    status: "True"
    type: Progressing
  observedGeneration: 1
  readyReplicas: 3
  replicas: 3
  updatedReplicas: 3

接下來查看這個 Deployment 所建立的 ReplicaSet，昨天沒有特別提過，指令如下：

$ kubectl get rs -o wide
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY     AGE       CONTAINERS   IMAGES          SELECTOR
nginx-deployment-86d59dd769   3         3         3         41m       nginx        nginx:1.15.4    app=nginx,pod-template-hash=4281588325

接下來文件中花了不少篇幅在介紹 Deployment 如何進行更新與擴展。更新它用的是 rollout / rollover 這樣的字眼，有一點隱含它的更新是以漸進式的方式進行的，這部分昨天已經提過，這裡再說明一下。首先是進行更新時的進度查詢。建立 Deployment 其實也可以算是一種更新，用來查詢的指令如下：

$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment

如果是在新建立的 Deployment，以 rollout status 查詢的輸出可能如下：

Waiting for rollout to finish: 0 of 3 updated replicas are available...
Waiting for rollout to finish: 1 of 3 updated replicas are available...
Waiting for rollout to finish: 2 of 3 updated replicas are available...
deployment "nginx-deployment" successfully rolled out

接下來進行更新 (rollout)，更新指的是 Pod 內容有所改變，更明確指的是 Deployment 中 .spec.template 的內容有所變化，最常見的狀況是容器映像檔的改變。昨天使用 kubectl set image 來更新容器映像檔，例如：

$ kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.15.4

它會將名為 nginx 的容器的映像檔更新為 nginx:1.15.4。另外一個方式是以更改設定的方式進行更新，指令如下：

$ kubectl edit deployment/nginx-deployment
或
$ kubectl edit -f nginx-deployment.yaml

會出現文字編輯器，內容為 nginx-deployment 此 Deployment 的狀態，但不是直接編輯 nginx-deployment.yaml。這個文字編輯器所編輯的內容會比 nginx-deployment.yaml 詳細，而修改後也不會套用到 nginx-deployment.yaml 上。修改後就會自動進行 rollout，以 kubectl roll out status 查看會有類似下列的結果，它會建立新的 replicas，再將舊的 replica 給消滅。

Waiting for rollout to finish: 1 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for rollout to finish: 2 old replicas are pending termination...
Waiting for rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
deployment "nginx-deployment" successfully rolled out

接下來查看 ReplicaSet，會發現多了一個 ReplicaSet。

$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY     AGE
nginx-deployment-86d59dd769   3         3         3         3m
nginx-deployment-c4747d96c    0         0         0         1h

在進行 rollout 時可能會需要記錄變更的原因以供未來查詢，可以在 rollout 時加上 --record=true 的參數，或在設定檔中修改。例如：

$ kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.15.4

或者在使用 kubectl edit 時，在 .metadata.annotations 欄位修改訊息。

# Please edit the object below. Lines beginning with a '#' will be ignored,
# and an empty file will abort the edit. If an error occurs while saving this file will be
# reopened with the relevant failures.
#
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  annotations:
    deployment.kubernetes.io/revision: "3"
    kubernetes.io/change-cause: kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.7.9
      --record=true
  creationTimestamp: 2018-11-05T03:42:44Z
  generation: 5
  labels:
    app: nginx
  name: nginx-deployment
  namespace: default
  resourceVersion: "65606"
  selfLink: /apis/extensions/v1beta1/namespaces/default/deployments/nginx-deployment
  uid: dad1dadc-e0ac-11e8-9fa6-08002797b9be

有了變更原因的標註 (annotation)，就可以方便地使用 kubectl rollout history 查看過往 rollout 的記錄，例如：

$ kubectl rollout history deployment/nginx-deployment

deployments "nginx-deployment"
REVISION  CHANGE-CAUSE
1         <none>
2         <none>
3         kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.7.9 --record=true

可以看到如果在 rollout 時添加 --record=true 參數，在 CHANGE-CAUSE 欄位就會標註出變更原因。

如果要復原 rollout，昨天有示範過可以使用 kubectl rollout undo 指令，也可以加上 --to-revison=<n> 參數來指令要回復到那一個版本，例如：

$ kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment --to-revision=2

deployment.apps "nginx-deployment"

接下來是擴展的部分，如同昨天示範的，使用 kubectl scale 並加上 --replicas=<n> 參數，例如：

$ kubectl scale deployment/nginx-deployment --replicas=5

deployment.extensions "nginx-deployment" scaled

今天就先介紹到這裡，明天再來看看 Kubernetes 的 Service 物件及 volume，它們剛好對應到容器中網路及儲存這兩個議題。

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