【kubernetes系列】Kubernetes中的重要概念（三）

在实际的工作中，我们使用Kubernetes 通常不会直接创建 Pod，而是通过各种 Controller 来管理 Pod 的。Controller 中定义了 Pod 的部署特性，比如有几个副本，在什么样的 Node 上运行等。为了满足不同的业务场景，Kubernetes 提供了多种 Controller，包括 Deployment、Replication Controller、ReplicaSet、DaemonSet、StatefuleSet、Job、cronjobs ，后面我们会逐一介绍。

一、Replication controllers
Replication Controller（升级版本为ReplicaSet，本节后面说明），本节对RC的概念进行深入描述。

RC是Kubernetes系统中的核心概念之一，简单来说，它其实是定义了一个期望的场景，即声明某种Pod的副本数量在任意时刻都符合某个预期值，所以RC的定义包括如下几个部分。

Pod期待的副本数（replicas）。
用于筛选目标Pod的Label Selector。
当Pod的副本数量小于预期数量时，用于创建新Pod的Pod模版（template）。
下面是一个完整的RC定义的例子，即确保拥有tier=frontend标签的这个Pod（运行nginx容器）在整个Kubernetes集群中始终只有一个副本：

[root@k8s-m1 tmp]# cat rc.yaml 
apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 1
  selector:
    tier: frontend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: app-demo
        tier: frontend
    spec:
      containers:
       - name: nginx-demo
         image: nginx
         ports:
         imagePullPolicy: Always
         env:
         - name: GET_HOSTS_FROM
           value: dns
         ports:
         - containerPort: 80

当我们定义了一个RC并提交到Kubernetes集群中以后，Master节点上的Controller Manager组件就得到通知，定期巡检系统中当前存活的目标Pod，并确保目标Pod实例的数量刚好等于此RC的期望值，如果有过多的Pod副本在运行，系统就会停掉一些Pod，否则系统就会再自动创建一些Pod。可以说，通过RC，Kubernetes实现了用户应用集群的高可用性，并且大大减少了系统管理员在传统IT环境中需要完成的许多手工运维工作（如主机监控脚本、应用监控脚本、故障恢复脚本等）。

下面我们以3个Node节点的集群为例，说明Kubernetes如何通过RC来实现Pod副本数量自动控制的机制。假如我们的RC里定义redis-slave这个Pod需要保持2个副本，系统将可能在其中的两个Node上创建Pod。如下图描述了在两个Node上创建redis-slave Pod的情形。

master
master

假设Node2上的Pod2意外终止，根据RC定义的replicas数量2，Kubernetes将会自动创建并启动一个新的Pod，以保住整个集群中始终有两个redis-slave Pod在运行。

如下图所示，系统可能选择Node3或者Node1来创建一个新的Pod。
node1
node1

此外，在运行时，我们可以通过修改RC的副本数量，来实现Pod的动态缩放（Scaling）功能，还可以通过执行kubectl scale命令来一键完成：

[root@k8s-m1 ~]#kubectl scale rc redis-slave --replicas=3
scaled
Scaling的执行结果如下图所示
Scaling
Scaling

需要注意的是，删除RC并不会影响通过该RC已创建好的Pod。为了删除所有Pod，可以设置replicas的值为0，然后更新该RC。另外，kubectl提供了stop和delete命令来一次性删除RC和RC控制的全部Pod。

当我们的应用升级时，通常会通过Build一个新的Docker镜像，并用新的镜像版本来替代旧的版本的方式达到目的，在系统升级的过程中，我们希望是平滑的方式，比如当前系统中10个对应的旧版本的Pod，最佳的方式是旧版本的Pod每次停止一个，同时创建一个新版本的Pod，在整个升级过程中，此消彼长，而运行中的Pod数量始终是10个，几分钟以后，当所有的Pod都已经是最新版本时，升级过程完成。通过RC的机制，Kubernetes很容易就实现了这种高级实用的特性，被称为“滚动升级”（Rolling Update）。

二、Replica Set
由于Replication Controller与Kubernetes代码中的模块Replication Controller同名，同时这个词也无法准确表达它的本意，所以在Kubernetes v1.2时，它就升级成了另外一个新的概念 – Replica Set，官方解释为“下一代的RC”，它与RC当前存在的唯一区别是：Replica Sets支持基于集合的Label selector（Set-based selector），而RC只支持基于等式的Label Selector（equality-based selector），这使得Replica Set的功能更强，下面是等价于之前RC例子的Replica Set的定义（省去了Pod模版部分的内容）：

ReplicaSet的创建
Kubernetes官方强烈建议避免直接使用ReplicaSet，而应该通过Deployment来创建RS和Pod。
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: ReplicaSet
metadata：
name: frontend
spec:
selector:
matchLabels:
tier: frontend
matchExpression:
- {key: tier, operator: In, values: [frontend]}
template:
…

kubectl命令工具适用于RC的绝大部分命令都同样适用于Replica Set。此外，当前我们很少单独使用Replica Set，它主要被Deployment这个更高层的资源对象所使用，从而形成一整套Pod创建、删除、更新的编排机制。当我们使用Deployment时，无须关心它是如何创建和维护Replica Set的，这一切都是自动发生的。

Replica Set与Deployment这两个重要资源对象逐步替换了之前的RC的作用，是Kubernetes v1.3里Pod自动扩容（伸缩）这个告警功能实现的基础，也将继续在Kubernetes未来的版本中发挥重要的作用。

最后我们总结一下关于RC（Replica Set）的一些特性与作用。

在大多数情况下，我们通过定义一个RC实现Pod的创建过程及副本数量的自动控制。
RC里包括完整的Pod定义模版。
RC通过Label Selector机制实现对Pod副本的自动控制。
通过改变RC里的Pod副本数量，可以实现Pod的扩容或缩容功能。
通过改变RC里的Pod模版中的镜像版本，可以实现Pod的滚动升级功能。

三、Deployment

Deployment是Kubernetes v1.2引入的概念，引入的目的是为了更好地解决Pod的编排问题。为此，Deployment在内部使用了Replica Set来实现目的，无论从Deployment的作用与目的，它的YAML定义，还是从它的具体命令行操作来看，我们都可以把它看作RC的一次升级，两者相似度超过90%。

Deployment相对于RC的一个最大升级是我们随时知道当前Pod“部署”的进度。实际上由于一个Pod的创建、调度、绑定节点及在目标Node上启动对应的容器这一完整过程需要一定的时间，所以我们期待系统启动N个Pod副本的目标状态，实际上是一个连续变化的“部署过程”导致的最终状态。

Deployment的典型使用场景有以下几个。

创建一个Deployment对象来生成对应的Replica Set并完成Pod副本的创建过程。
检查Deployment的状态来看部署动作是否完成（Pod副本的数量是否达到预期的值）。
更新Deployment以创建新的Pod（比如镜像升级）。
如果当前Deployment不稳定，则回滚到一个早先的Deployment版本。
暂停Deployment以便于一次性修改多个PodTemplateSpec的配置项，之后再恢复Deployment，进行新的发布。
扩展Deployment以应对高负载。
查看Deployment的状态，以此作为发布是否成功的指标。
清理不再需要的旧版本ReplicaSets。
Deployment的定义与Replica Set的定义很类似，除了API声明与Kind类型等有所区别：

Deployment	Replicaset
apiVersion: extensions/v1beta1	apiVersion: v1
kind: Deployment	kind: ReplicaSet
metadata:	metadata:
name: nginx-deployment	name: nginx-repset
下面我们通过运行一些例子来一起直观地感受这个新概念。首先创建一个名为nginx-deployment.yaml的Deployment描述文件，内容如下：

[root@k8s-m1 tmp]# cat nginx-deployment.yaml 
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      tier: frontend
    matchExpressions:
      - {key: tier, operator: In, values: [frontend]}
  template:
    metadata:
      labels:
        app: app-demo
        tier: frontend
    spec:
      containers:
      - name: nginx-demo
        image: nginx
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 8080

#运行下述命令创建Deployment:
[root@k8s-m1 tmp]#kubectl create -f de.yaml
deployment.apps/frontend created
#运行下述命令查看Deployment的信息：

[root@k8s-m1 tmp]# kubectl get deployments
NAME            DESIRED     CURRENT     UP-TO-DATE      AVAILABLE   AGE
frontend    1           1           1               1           3m

对上述输出中涉及的数量解释如下：

DESIRED：Pod副本数量的期望值，即Deployment里定义的Replicas。
CURRENT：当前Replicas的值，实际上是Deployment所创建的Replica Set里的Replica值，这个值不断增加，直到达到DESIRED为止，表明整个部署过程完成。
UP-TO-DATE：最新版本的Pod副本数量，用于指示在滚动升级的过程中，有多少个Pod副本已经成功升级。
AVAILABLE：当前集群中可用的Pod副本数量，即集群中当前可用的Pod数量。
运行下述命令查看对应的Replica Set，我们看到它的命名与Deployment的名字有关系：

[root@k8s-m1 tmp]# kubectl get  replicasets.apps 
NAME                  DESIRED   CURRENT   READY   AGE
frontend-7d7c57fc94   1         1         1      54s

运行下述命令查看创建的Pod，我们发现Pod的命名以Deployment对应的Replica Set的名字为前缀，这种命名很清晰地表明了一个Replica Set创建了哪些Pod，对于滚动升级这种复杂的过程来说，很容易排查错误：

[root@k8s-m1 tmp]# kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
frontend-7d7c57fc94-gpfts 1/1 Running 0 96s

运行kubectl describe deployments，可以清楚地看到Deployment控制的Pod的水平扩展过程。

Pod的管理对象，除了RC（RS）和Deployment，还包括DaemonSet、StatefulSet、Job等，分别用于不同的应用场景中，在其他专栏会进行详细介绍。

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