K8S原理剖析：云原生技术的前世今生

谁践踏了优雅 2023-06-25 15:25 24阅读 0赞

# 大纲 #

>  *  CNCF云原生介绍
>  *  容器技术发展介绍
>  *  Kubernetes技术架构

# CNCF云原生介绍 #

## CNCF ToC: CNCF Cloud Native Definition v1.0 ##

> 云原生技术有利于各组织在公有云、私有云和混合云等新型动态环境中，构建  
> 和运行可弹性扩展的应用。**云原生的代表技术包括容器、 服务网格、 微服务、  
> 不可变基础设施和声明式API。**
> 
>   
> 这些技术能够构建容错性好、易于管理和便于观察的松耦合系统。结合可靠的  
> 自动化手段，云原生技术使工程师能够轻松地对系统作出频繁和可预测的重大  
> 变更。
> 
>   
> 云原生计算基金会（ CNCF）致力于**培育和维护一个厂商中立的开源生态系统**，  
> 来推广云原生技术。我们通过将最前沿的模式民主化，让这些创新为大众所用。

## 云计算的发展历程 ##

> “云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，**并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费**。这种特性经常被称为像水电一样使用IT基础设施。

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## 云计算伴随云原生技术步入新时代 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][] 云计算伴随云原生技术步入新时代

## 容器是云原生技术发展的第一波热潮 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][] 容器是云原生技术发展的第一波热潮

## 容器服务的目标就是打造Cloud Native应用的运行环境 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][] 容器服务的目标就是打造Cloud Native应用的运行环境

## CNCF当前项目介绍 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][] CNCF当前项目介绍

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][] CNCF当前项目介绍

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][] CNCF当前项目介绍

# 容器技术发展介绍 #

## 容器技术发展历史 ##

> 容器虚拟化（ LXC） :提供应用隔离运行的能力；  
> Docker：基于容器提供统一的应用分发平台

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][] 容器技术发展历史

## 容器的三大好处， 为应用而生 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][] 容器的三大好处， 为应用而生

## Docker – Build, Ship, and Run Any App, Anywhere ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][] Docker – Build, Ship, and Run Any App, Anywhere

## 容器底层关键技术 - Linux Cgroup ##

> Docker使用Linux Cgroup技术来实现容器实例的资源管理

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>cgroup子系统</td> 
 <td>资源管理</td> 
 <td>对应的docker接口</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>memory</td> 
 <td>限制cgroup中的任务所能使用的内存上限</td> 
 <td>-m --memory-swap --memory-reservation --kernal-memory --oom-kill-disable --memory-swappiniss</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>cpu</td> 
 <td>使用调度程序提供对CPU的cgoup任务访问</td> 
 <td>-c --cpu-period --cpu-quota</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>Cpuset</td> 
 <td>为cgroup中的任务分配独立CPU和内存节点</td> 
 <td>--cpuset-cpus --cpuset-mems</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>Blkio</td> 
 <td>为块设备设定输入/输出限制</td> 
 <td>--blkio-weight --blkio-weight-device --device-read-bps --device-write-bps --device-read-iops --device-write-iops</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 容器底层关键技术 - Linux Namespace ##

> Docker使用linux namespace技术来实现容器实例间的资源隔离

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>Namespace</td> 
 <td>系统调用参数</td> 
 <td>隔离内容</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>PID namespace</td> 
 <td>CLONE_NEWPID</td> 
 <td>隔离不同用户的进程，不同的namespace中可以有相同的pid。 允许嵌套，可以方便实现docker in docker</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>UTS namespace</td> 
 <td>CLONE_NEWUTS</td> 
 <td>允许每个容器拥有独立的hostname和domain name，使其在网络上可 以被视为独立的节点。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>IPC namespace</td> 
 <td>CLONE_NEWIPC</td> 
 <td>保证容器间的进程交互，进行信号量、消息队列和共享内存的隔离。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>Network namespace</td> 
 <td>CLONE_NEWNET</td> 
 <td>实现网络隔离，每个net namespace有独立的network devices、 ip addresses、 ip routing tables、 /proc/net目录。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>Mount namespace</td> 
 <td>CLONE_NEWNS</td> 
 <td>隔离不同namespace的进程看到的目录结构，每个namespace的容器在 /proc/mounts的信息只包含所在namespace的mount point。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>User namespace</td> 
 <td>CLONE_NEWUSER</td> 
 <td>允许每个容器可以有不同的user和group id</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 容器底层关键技术 – 联合文件系统 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][] 容器底层关键技术 – 联合文件系统

> 概念：一个基于文件的接口，通过把一组目录交错起来，形成一个单一视图。  
> 优点：  
> 1、多个容器可以共享image存储，节省存储空间；  
> 2、部署多个容器时， base image可以避免多次拷贝，实现快速部署；
> 
>   
> Docker目前支持的联合文件系统种类包括devicemapper、 overlay2、 aufs、 btrfs、 vfs和

## 新一代Kata容器实现多租户容器强隔离 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][] 新一代Kata容器实现多租户容器强隔离

>  *  虚拟化层的存在，保障了容器在多租户场景下的安全性。
>  *  高度裁剪和优化过的KVM, guest OS保证了VM启动时间极短，性能损耗极小。
>  *  接口层支持对接docker引擎或crio，镜像完全兼容docker镜像，无需修改。完美融入K8S容器生态。

# Kubernetes技术架构 #

## 什么是Kubernetes？ ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][] 什么是Kubernetes？

##  Kubernetes系统组件 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13][]  Kubernetes系统组件

## Kubernetes架构 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 14][] Kubernetes架构

##  Declarative （申明式API） vs Imperative （命令式API） ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 15][]  Declarative （申明式API） vs Imperative （命令式API）

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 16][]  Declarative （申明式API） vs Imperative （命令式API）

##  Kubernetes Controllers ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 17][]  Kubernetes Controllers

## Kubernetes基于list-watch机制的控制器架构     ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 18][] Kubernetes基于list-watch机制的控制器架构

## Kubernetes架构分层 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 19][]

## K8S社区架构中对各层的详细定 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZseTkxMDkwNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 20][]

## Kubernetes生态系统范畴 ##

> **• 容器内 – 多样化工作负载**
> 
>   
> **• K8S南向 – 多样化的环境**  
> – 容器、网络、存储插件  
> – 镜像仓库  
> – 多云插件  
> – 集群管理配置  
> – 认证系统
> 
>   
> **• K8S北向 – 多样化的服务和工具**  
> – 日志&监控  
> – 配置语言  
> – 编排部署  
> – 持续集成  
> – PaaS  
> – 工作流  
> – 函数服务  
> – 数据处理服务  
> – 对象事务服务 (数据库、存储）  
> – 互联网应用

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