學習 Kubernetes 容器管理平台(三):服務、擴展、更新

前言

本文為〈Kubernetes 官方文件〉的學習筆記。

環境

  • MacOS
  • minikube

服務

Kubernetes Pod 是稍縱即逝的。Pod 實際上擁有生命週期。當一個工作 Node 死亡後,在 Node 上運行 Pod 也會消亡。ReplicaSet 會自動地創建新的 Pod 驅動叢集回到目標狀態,以保證應用程式正常運行。這些副本是可替換的;前端系統不應該關心後端副本,即使 Pod 丟失或重新創建。也就是說,Kubernetes 集群中的每個 Pod(即使是在同一個 Node 上)都有一個唯一的 IP 位址,因此需要一種方法自動調度 Pod 之間的變更,以便應用程式保持運行。

Kubernetes 中的服務(Service)是一種抽象概念,它定義了 Pod 的邏輯集合訪問 Pod 的協議。Service 使從屬 Pod 之間的低耦合成為可能。和其他 Kubernetes 對象一樣,Service 用 YAML(推薦)或者 JSON 來定義。Service 下的一組 Pod 通常由 LabelSelector 來標記。

儘管每個 Pod 都有一個唯一的 IP 位址,但是如果沒有 Service,這些 IP 不會暴露在叢集外部。Service 允許應用程式接收流量。

Service 也可以用在 ServiceSpec 標記 type 的方式暴露:

  • ClusterIP:是預設的類型,在叢集的內部 IP 上公開 Service。此類型使得 Service 只能從叢集內訪問。
  • NodePort:使用 NAT 在叢集中每個選定 Node 的相同端口上公開 Service。使用 <NodeIP>:<NodePort> 從叢集外部訪問 Service。是 ClusterIP 的超集。
  • LoadBalancer:在當前雲中創建一個外部負載均衡器(如果支援的話),並為 Service 分配一個固定的外部 IP。是 NodePort 的超集。
  • ExternalName:通過返回帶有該名稱的 CNAME 記錄,使用任意名稱(由 spec 中的 externalName 制定)公開 Service。不使用代理。這種類型需要 kube-dns 的 v1.7 或更高版本。
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| Service |
| |--------| |--------| |
| | Node | | Node | |
| |--------| |--------| |
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Service 透過一組 Pod 路由通訊。Service 是一種抽象,它允許 Pod 死亡並在 Kubernetes 中複製,而不會影響應用程式。在依賴的 Pod(如應用程式中的前端和後端組件)之間進行發現和路由是由 Kubernetes Service 處理的。

Service 匹配一組 Pod 是使用標籤(Label)和選擇器(Selector),它們是允許對 Kubernetes 中的對象進行邏輯操作的一種分組原語。標籤是附加在對象上的鍵值對,可以以多種方式使用:

  • 指定用於開發、測試和生產的對象。
  • 嵌入版本標籤。
  • 使用標籤將對象進行分類。
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| Service |
| s:App=A |
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| | Node | | Node | |
| | app=A | | app=A | |
| |-------| |-------| |
|---------------------|

暴露應用程式

首先,查看所有的 Pods。

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kubectl get pods

查看所有的 Services。

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kubectl get services

使用 NodePort 類型暴露此服務。此 Service 將擁有一個唯一的叢集 IP、內部埠號和外部 IP(Node 的 IP)。

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kubectl expose deployment/kubernetes-bootcamp --type="NodePort" --port 8080

查看此 Service 的外部埠號。

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kubectl describe services/kubernetes-bootcamp

取得此 Service 的 Node 的埠號,記錄一下,存進 NODE_PORT 環境變數中。

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export NODE_PORT=$(kubectl get services/kubernetes-bootcamp -o go-template='{{(index .spec.ports 0).nodePort}}')
echo NODE_PORT=$NODE_PORT

從本機透過 minikube 執行應用程式。

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minikube service kubernetes-bootcamp

或進到 minikube 虛擬機中,訪問此 Service。

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minikube ssh
docker@minikube:~$ curl localhost:<NODE_PORT>

Deployment 會自動幫 Pod 建立標籤,查看一下 Deployment 的詳細資訊。

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kubectl describe deployment

可以使用標籤來查詢符合條件的所有 Pods:

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kubectl get pods -l app=kubernetes-bootcamp

也可以查詢 Services:

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kubectl get services -l app=kubernetes-bootcamp

套用一個新的標籤給 Pod:

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kubectl label pod $POD_NAME run=v1

使用新的標籤查詢 Pods:

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kubectl get pods -l run=v1

使用標籤刪除符合查詢條件的 Service:

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kubectl delete service -l app=kubernetes-bootcamp

進到 minikube 虛擬機中,此 Service 已無法從外部被訪問。

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minikube ssh
docker@minikube:~$ curl localhost:<NODE_PORT>

但是其實 Service 還是在 Pod 中運行,因為此應用程式仍被 Deployment 所管理。

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kubectl exec -ti $POD_NAME -- curl localhost:8080

擴展

我們創建了一個 Deployment,並透過 Service 讓其可以被公開訪問。但 Deployment 只為運行這個應用程式創建一個 Pod 而已。當流量增加時,我們需要擴容應用程式,以滿足使用者需求。

所謂「擴縮」,是透過改變 Deployment 中的副本數量來實現的。在執行 kubectl run 指令時,可以透過--replicas 參數來設置 Deployment 的副本數量,

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| Service | | Service |
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| | Node | | | | Node | | Node | |
| | |-----| | | | | |-----| | | |-----| | |
| | | Pod | | | | | | Pod | | | | Pod | | |
| | |-----| | | -> | | |-----| | | |-----| | |
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| | | | | | | Pod | | | | |
| | | | | | |-----| | | | |
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擴展 Deployment 將創建新的 Pods,並將資源調度請求分配到有可用資源的節點上,收縮 Deployment 會將 Pods 數量減少至所需的狀態。Kubernetes 還支援 Pods 的自動縮放,將 Pods 數量收縮到 0 也是可以的,但這會終止 Deployment 上所有已經部署的 Pods。

運行應用程式的多個實例,需要在它們之間分配流量。Service 有一種負載均衡器類型(LoadBalancer),可以將網路流量均衡分配到外部可以訪問的 Pods 上。服務將會一直通過端點來監聽 Pods 的運行,保證流量只分配到可用的 Pods 上。

一旦有了多個應用實例,就可以在不停機的情況下滾動更新。

縮放應用程式

首先,查看所有的 Deployments 資訊。

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kubectl get deployments
NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
kubernetes-bootcamp 1/1 1 1 26s
  • 欄位 NAME 會顯示叢集中 Deployment 的名字。
  • 欄位 READY 會顯示運行中副本和預期副本的比例。
  • 欄位 UP-TO-DATE 會顯示已經達到預期副本的數量。
  • 欄位 AVAILABLE 會顯示已經可供使用者使用的副本數量。
  • 欄位 AGE 會顯示應用程式的運行時間。

再來,查看由 Deployment 所創建的 ReplicaSet 資訊。

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kubectl get rs
NAME DESIRED CURRENT READY AGE
kubernetes-bootcamp-57978f5f5d 1 1 1 9m28s
  • 欄位 DESIRED 會顯示預期副本的數量。
  • 欄位 CURRENT 會顯示運行中副本的數量。

現在,使用 kubectl scale 指令,將 Deployment 調整到 4 個副本。

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kubectl scale deployments/kubernetes-bootcamp --replicas=4

再查看一次 Deployments 資訊。

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kubectl get deployments                                                                                                             4.28G 
NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
kubernetes-bootcamp 4/4 4 4 15m

然後查看所有的 Pods 資訊,現在有 4 個不同 IP 位址的 Pods 了。

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kubectl get pods -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES
kubernetes-bootcamp-57978f5f5d-9lxcn 1/1 Running 0 16m 172.17.0.2 minikube <none> <none>
kubernetes-bootcamp-57978f5f5d-j6692 1/1 Running 0 3m10s 172.17.0.6 minikube <none> <none>
kubernetes-bootcamp-57978f5f5d-kwsdv 1/1 Running 0 3m10s 172.17.0.5 minikube <none> <none>
kubernetes-bootcamp-57978f5f5d-z7glk 1/1 Running 0 3m10s 172.17.0.4 minikube <none> <none>

這個改變會被記錄到 Deployment 的活動日誌中,查看 Deployment 的詳細資訊:

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kubectl describe deployments/kubernetes-bootcamp
...
Events:
Type Reason Age From Message
---- ------ ---- ---- -------
Normal ScalingReplicaSet 18m deployment-controller Scaled up replica set kubernetes-bootcamp-57978f5f5d to 1
Normal ScalingReplicaSet 5m28s deployment-controller Scaled up replica set kubernetes-bootcamp-57978f5f5d to 4

現在確認一下 Service 是否有負載均衡流量,查看 Service 的詳細資訊。

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kubectl describe services/kubernetes-bootcamp

取得此 Service 的 Node 的埠號,記錄一下,存進 NODE_PORT 環境變數中。

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export NODE_PORT=$(kubectl get services/kubernetes-bootcamp -o go-template='{{(index .spec.ports 0).nodePort}}')
echo NODE_PORT=$NODE_PORT

進到 minikube 虛擬機中,訪問此 Service。現在每一次的請求都是觸及到不同的 Pod,這代表負載均衡已經成功運作了。

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minikube ssh
docker@minikube:~$ curl localhost:<NODE_PORT>

如果要收縮 Service 到 2 個副本,執行以下指令:

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kubectl scale deployments/kubernetes-bootcamp --replicas=2

查看一下 Deployment 資訊。

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kubectl get deployments

並確認一下 Pods,已經有 2 個 Pods 被終止了。

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kubectl get pods -o wide

更新

使用者會希望應用程式始終可用,而開發人員則需要每天多次部署它們的新版本。在 Kubernetes 中,這些是透過滾動更新(Rolling Updates)完成的。滾動更新允許透過使用新的實例逐步更新 Pod 實例,零停機進行 Deployment 更新。新的 Pod 將在具有可用資源的節點上進行調度。

前面我們將應用程式擴展為運行多個實例,這是在不影響應用程式可用性的情況下執行更新的要求。預設情形下,更新期間不可用的 Pod 的最大值和可以創建的新的 Pod 數量都是 1。這兩個選項都可以被設置為數字或百分比。在 Kubernetes 中,更新是經過版本控制的,任何 Deployment 更新都可以恢復到以前的版本。

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| Service | | Service | | Service |
| |---------| |---------| | | |---------| |---------| | | |---------| |---------| |
| | Node | | Node | | | | Node | | Node | | | | Node | | Node | |
| | |-----| | | |-----| | | | | |-----| | | |-----| | | | | |-----| | | |-----| | |
| | | App | | | | App | | | -> | | | New | | | | App | | | -> | | | New | | | | New | | |
| | | | | | |-----| | | | | | App | | | | | | | | | | App | | | | App | | |
| | |-----| | | |-----| | | | | |-----| | | |-----| | | | | |-----| | | |-----| | |
| |---------| |---------| | | |---------| |---------| | | |---------| |---------| |
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與應用程式擴展類似,如果公開了 Deployment,Service 將在更新期間僅對可用的 Pod 進行負載均衡。滾動更新允許以下操作:

  • 將應用程式從一個環境提升到另一個環境(通過容器鏡像更新)。
  • 回滾到以前的版本。
  • 持續整合(CI)和持續部署(CD),無需停機。

更新應用程式版本

首先,查看所有的 Deployments。

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kubectl get deployments

查看所有的 Pods。

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kubectl get pods

查看應用程式的映像檔版本。

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kubectl describe pods

使用 set image 指令,更新映像檔版本。

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kubectl set image deployments/kubernetes-bootcamp kubernetes-bootcamp=jocatalin/kubernetes-bootcamp:v2

取得此 Service 的 Node 的埠號,記錄一下,存進 NODE_PORT 環境變數中。

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export NODE_PORT=$(kubectl get services/kubernetes-bootcamp -o go-template='{{(index .spec.ports 0).nodePort}}')
echo NODE_PORT=$NODE_PORT

進到 minikube 虛擬機中,訪問此 Service。現在此應用程式已經被更新為版本 2 了。

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minikube ssh
docker@minikube:~$ curl localhost:<NODE_PORT>

確認一下更新狀態。

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kubectl rollout status deployments/kubernetes-bootcamp

現在,更新映像檔版本到 10。

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kubectl set image deployments/kubernetes-bootcamp kubernetes-bootcamp=gcr.io/google-samples/kubernetes-bootcamp:v10

查看一下 Deployments,發現預期副本的數量和可供使用者使用的副本數量不一樣。

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kubectl get deployments
NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
kubernetes-bootcamp 2/4 3 2 21m

查看所有的 Pods,有一些 Pods 的狀態可能會顯示為 ErrImagePullImagePullBackOff

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kubectl get pods
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
kubernetes-bootcamp-597654dbd-j5xmt 0/1 ImagePullBackOff 0 5m22s
kubernetes-bootcamp-597654dbd-m74dc 0/1 ImagePullBackOff 0 5m23s
kubernetes-bootcamp-597654dbd-tkbgf 0/1 ImagePullBackOff 0 6m17s
kubernetes-bootcamp-769746fd4-59wpw 1/1 Running 0 24m
kubernetes-bootcamp-769746fd4-t9zf9 1/1 Running 0 5m22s

由於根本沒有版本 10 的映像檔,因此需要回復到先前的版本。

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kubectl rollout undo deployments/kubernetes-bootcamp

現在,查看所有的 Deployments。

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kubectl get deployments
NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
kubernetes-bootcamp 4/4 4 4 34m

再查看所有的 Pods,全部都回復正常了。

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NAME                                  READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kubernetes-bootcamp-769746fd4-59wpw 1/1 Running 0 26m
kubernetes-bootcamp-769746fd4-qd4tz 1/1 Running 0 44s
kubernetes-bootcamp-769746fd4-rrpq4 1/1 Running 0 44s
kubernetes-bootcamp-769746fd4-t9zf9 1/1 Running 0 7m10s