Kubernetes 如何重塑虚拟机

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Kubernetes 作为容器原生编排系统之一,使用容器作为基本构建块重新创建了过去熟悉的架构模式。Kubernetes 还通过提供用于扩展、部署和服务发现的内置方法来解决传统方案的痛点。

Kubernetes 大规模使用过的都说简单,没有用过清一色的都是使用复杂、概念晦涩难懂,因此即使是那些具有一定服务器端知识的人也可能会感到困惑。让我在这里尝试一些不同的东西。与其解释一个不熟悉的问题(如何在 Kubernetes 中运行 Web 服务?)和另一个(你只需要一个清单,三个 sidecar 和一堆 gobbledygook),我将尝试揭示 Kubernetes 技术发展趋势。

如果您已经知道如何使用虚拟机运行服务,希望您会发现最终并没有太大区别。如果您对大规模运营服务完全不熟悉,那么跟随技术的发展可能会帮助您了解当代方法。

像往常一样,这篇文章并不全面。相反,它试图总结我的个人经历以及计算机多年来虚拟化是如何形成的。

如何使用虚拟机部署服务

早在 2010 年,当我刚刚开始我的软件工程师职业生涯时,使用虚拟机(或有时是裸机)部署应用程序非常普遍。

你需要一个临时的 Linux 虚拟机,将 Nginx 或 Apache 反向代理放在它前面,然后在它旁边运行一堆守护进程和 cronjobs。

这样的机器将代表服务的单个实例,打个比方,就类似于一个盒子,而服务本身将只是分布在网络上的一组命名的相同机器。根据您的业务规模,您可能只有几个、几十个、几百个甚至几千个盒子分布在为生产流量提供服务的多个盒子中。

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服务的抽象将应用程序的复杂性隐藏在单个入口点之后

使用虚拟机部署服务带来的挑战

通常,机器群的大小将定义配置(安装操作系统和软件包)、扩展(产生相同的盒子)、服务发现(将一组盒子隐藏在一个名称后面)和部署(运送新版本的代码)的方式到盒子)完成了。

如果你是一个只有几个类似宠物的盒子的公司,您可能会发现自己很少半手动地配置新盒子。这通常意味着总线系数低(由于缺乏自动化)、安全状况差(由于缺乏定期补丁更新)以及可能更长的灾难恢复。从好的方面来说,管理成本会非常低,因为不需要扩展,您的部署会很简单(只需几个盒子来交付代码),而且服务发现会很简单(由于相当静态地址池)。

对于拥有大量盒子的公司来说,现实情况会有所不同。大量机器通常会导致更频繁地需要配置新盒子(更多的盒子意味着更多的破损)。你会投资自动化(投资回报率会很高),最终得到许多牛一样的盒子。作为不断重新创建盒子的副产品,您将增加总线因素并改善安全状况(将自动更新和安装补丁)。在它的反面,会存在低效的扩展(由于每日/每年的流量分布不均匀),过于复杂的部署(很难将代码快速交付到许多机器上),以及脆弱的服务发现(您是否尝试过大规模运行consul或zookeeper?)会导致更高的运营成本。

Amazon Elastic Compute Cloud (EC2) 等早期云产品允许更快地启动(和关闭)机器;使用packer制作并使用cloud-init自定义的机器镜像,使配置稍微容易一些;puppet和ansible等自动化工具支持应用基础架构更改并大规模交付新版本的软件。但是,仍有很大的改进空间。

Docker 容器解决了什么问题

在过去,拥有不同的生产和开发环境是很常见的。这将导致应用程序可能在您安装的 Debian 机器上本地运行,但由于缺少依赖项而无法在生产中的 vanilla CentOS 上启动。相反,在本地安装应用程序的依赖项可能会遇到一些麻烦,但由于资源需求高,为每个服务运行预配置的虚拟机进行开发将是不可行的。

即使在生产中,虚拟机的庞大也是一个问题。每个服务拥有一个虚拟机可能会导致低于最佳资源利用率和/或相当大的存储和计算开销,但是将多个服务放在一个盒子中可能会使它们发生资源抢占冲突。

世界显然需要一个更轻量级的盒子。

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容器 - 单个应用程序的盒子

这就是容器的用武之地。就像允许将裸机服务器分割成几台更小(更便宜)的机器的虚拟机一样,容器将一个 Linux 机器分割成数十个甚至数百个独立的环境。

在一个容器中,您可能会觉得您拥有自己的虚拟机,以及您最喜欢的 Linux 发行版。好吧,至少乍一看。从外部看,容器只是在主机操作系统上运行并共享其内核的常规进程。

打包应用程序及其所有依赖项(包括特定版本的操作系统用户空间和库)的能力,将其作为容器镜像发送,并在安装了 Docker(或类似工具)的任何位置的标准化执行环境中运行,极大地提高了工作负载的可重复性.

由于容器边界的轻量级实现,计算开销显著降低,允许单个生产服务器运行可能属于多个(微)服务的数十个不同容器。当然,这可能以降低安全性为代价。

由于不可变和共享的镜像层,镜像存储和分发也变得更加高效。

在某种程度上,容器也改变了供应的方式。使用(粗心编写的)Dockerfiles 和ko和Jib之类的(神奇的)工具,责任极大地转移到了开发人员身上,简化了生产 VM 的要求——从开发人员的角度来看,你只需要一个 Docker-(或更高版本的 OCI-)兼容应用程序的运行时,因此您不会再因为要求安装某个版本的 Linux 或系统包而惹恼您的运维朋友。

最重要的是,容器加速了运行服务的替代方式的开发。现在有 17 种方法可以在 AWS 上运行容器https://www.lastweekinaws.com/blog/the-17-ways-to-run-containers-on-aws/,其中大部分是完全无服务器的,在足够简单的情况下,您可以使用 Lambda 或 Fargate 并从牛一样的盒子中受益!

容器不能解决什么问题

容器被证明是一个非常方便的开发工具。构建容器镜像也比构建 VM 更简单、更快捷。再加上如何有效分离团队之间职责的老组织问题,导致典型企业的平均服务数量显著增加,每个服务的盒子数量也有类似的增加。

Docker 普及的容器形式实际上具有很强的欺骗性。乍一看,每个服务实例都有一个便宜的专用 VM。但是,如果这样的实例需要sidecar(例如在您的 Web 应用程序前面运行的本地反向代理来终止 TLS 连接或加载秘密和/或预热缓存的守护程序),您会立即感觉到疼痛,这就是容器与虚拟机的本质区别。

Docker 容器被刻意设计为只包含一个应用程序。一个容器——一个 Nginx;一个容器 - 一个 Python Web 服务器;一个容器 - 一个守护进程。容器的生命周期将绑定到该应用程序的生命周期。并且特别不鼓励将像systemd这样的 init 进程作为顶级入口点运行。

因此,要从本文开头的图表重新创建一个 VM-box,您需要拥有三个具有共享网络堆栈的协调容器-box(嗯,至少localhost需要相同)。要运行该服务的两个实例,您需要三个三个一组的六个容器!

从扩展的角度来看,这意味着我们需要一起扩展(和缩减)一些容器。部署也需要同步进行。新版本的 Web 应用程序容器可能会开始使用新的端口号,并与旧版本的反向代理容器不兼容。

我们显然在这里错过了一个抽象,它与容器一样轻量级,但与原始 VM 盒子一样富有表现力。

此外,容器本身也没有提供任何将盒子分组为服务的方法。但他们促成了箱子人数的增加!Docker 竞相用它的 Swarm 产品解决这些问题,但另一个系统赢了……

Kubernetes 解决了这一切……还是没有?

Kubernetes 设计师显然没有发明新的运行容器的方法,而是决定重新创建良好的旧的基于 VM 的服务架构,但使用容器作为构建块。好吧,至少这是我的看法。

但对我来说,作为以前有 VM 经验的人,一旦我了解了新术语并弄清楚了类似的概念,许多最初的 Kubernetes 想法就会开始看起来很熟悉。

Kubernetes Pod 是新的虚拟机

让我们从 Pod 抽象开始。Pod 是您可以在 Kubernetes 中运行的最小的东西。最简单的 Pod 定义如下所示:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.20.1
ports:
- containerPort: 80

乍一看,上面的清单只是说明要运行什么镜像(以及如何命名)。但是请注意containers属性是一个列表!现在,回到那个nginx + web app例子,在 Kubernetes 中,您可以简单地将反向代理和应用程序本身放在一个盒子中,而不是为 Web 应用程序容器运行额外的 Pod:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: foo-instance-1
spec:
containers:
- name: nginx # <-- sidecar container
image: nginx:1.20.1
ports:
- containerPort: 80
- name: app # <-- main container
image: app:0.3.2

然而,Pod 不仅仅是一组容器。Pod 中容器之间的隔离边界被削弱。就像在 VM 上运行的常规进程一样,Pod 中的容器可以通过localhost或使用传统的 IPC 方式自由通信。同时,每个容器仍然有一个独立的根文件系统,以保持打包应用程序及其依赖项的好处。对我来说,这看起来像是在尝试同时利用 VM 和容器世界的最佳部分:

图片

扩展和部署 Pod 很简单

现在,当我们得到新的盒子时,我们如何运行多个它们来组成一个服务?换句话说,如何在 Kubernetes 中进行扩展和部署?

事实证明,它非常简单,至少在基本场景中是这样。Kubernetes 引入了一个方便的抽象,称为 Deployment。最小的 Deployment 定义由名称和 Pod 模板组成,但指定所需的 Pod 副本数量也很常见:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: foo-deployment-1
labels:
app: foo
spec:
replicas: 10
selector:
matchLabels:
app: foo
template:
metadata:
labels:
app: foo
spec:
<...Pod definition comes here>

Kubernetes 的伟大之处在于,作为开发人员,您并不关心服务器(或 Kubernetes 术语中的节点)。您根据 Pod 组进行思考和操作,它们会自动调动(和重新分布)到集群节点:

图片

这使得 Kubernetes 更像是一种无服务器技术。但同时,Pod 的外观和行为与过去熟悉的 VM 非常相似(除了您不需要管理它们),因此您可以在熟悉的抽象中设计和推理您的应用程序:

图片

内置服务发现

Kubernetes Service - 一组命名的 Pod。

Kubernetes 设计人员肯定知道,仅仅创建 N 个盒子的副本并将其称为服务是不够的。客户端应该能够使用单个(可能是逻辑的)名称访问服务,并且服务发现系统应该能够将该名称转换为特定的 IP 地址(类似于我们理解的负载均衡器,服务于特定的实例) )。

图片

过去,您需要一个单独的(并且要求非常高的)解决方案。但是,Kubernetes 内置了这个功能,而且默认实现还不错!它还可以使用Linkerd或Istio等服务网格进行扩展,使其更加强大。

将一组 Pod 转换为服务唯一需要做的就是创建一个 Service 对象(不是真正的创建服务,只是一个网络层面的抽象)。

下面是一个简单的 Kubernetes Service 定义的样子:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: foo
spec:
selector:
app: foo
ports:
- protocol: TCP
port: 80

上面的清单允许app=foo使用defaultDNS 名称(如foo.default.svc.cluster.local. 而且这一切都没有在集群中安装任何额外的软件!

请注意 Service 定义在任何地方都没有提到 Deployment。就像 Deployment 本身一样,它根据 Pod 和标签运行,这使它非常强大!例如,Kubernetes 中良好的蓝/绿或金丝雀部署可以通过让两个 Deployment 对象在单个 Service 选择具有公共标签的 Pod 后运行不同版本的应用程序镜像来实现:

图片

现在,最有趣的部分 - 你注意到 Kubernetes 服务与我们旧的基于 VM 的服务没有什么区别了吗?

图片

Kubernetes 即服务

那么,Kubernetes 是不是就像 VM 一样,但更简单?嗯,是的,但也不是。因为他跟虚拟机存在本质上的差别,套用Kelsey Hightower的话,我们应该区分驾驶汽车的复杂性和修理汽车的复杂性。我们中的许多人会开车,但很少有人擅长修理发动机。幸运的是,有专门的商店!这同样适用于 Kubernetes。

使用 EKS 或 GKE 等托管 Kubernetes 产品运行服务确实很相似,但比使用 VM 简单得多。但如果你必须维护 Kubernetes 集群背后的实际服务器,那就完全不同了……,所以仅仅使用 Kubernetes 和维护 Kubernetes 是两码事。

总结

为了改善在 VM 上运行服务的体验,容器改变了我们打包软件的方式,大大降低了对服务器配置的要求,并启用了替代方法来部署我们的工作负载。但就其本身而言,容器并没有成为大规模运行服务的解决方案。顶部仍然需要额外的编排层。

Kubernetes 作为容器原生编排系统之一,使用容器作为基本构建块重新创建了过去熟悉的架构模式。Kubernetes 还通过提供用于扩展、部署和服务发现的内置方法来解决传统方案的痛点。

责任编辑:赵宁宁 来源: 云原生技术爱好者社区
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