今天內(nèi)容： 1. Kubernetes系統(tǒng)架構與設計理念 K8s與容器設計模式 目前K8s社區(qū)推出的容器設計模式主要分為三大類： 第一類，單容器管理模式； 第二類，單節(jié)點多容器模式； 第三類，多節(jié)點多容器模式； 一類比一類更復雜。 根據(jù)復雜性的不同，本系列文章給出不同篇幅的實踐案例介紹。對于第一類，只在本文中用一小節(jié)給與介紹；對于第二類，在本文中，針對每一種典型設計模式分一個小節(jié)給與介紹；對于較復雜的第三類，每一種典型設計模式將用一篇文章給與介紹。 單容器管理模式 K8s的最大特色是支持多容器的微服務實例。當然，單容器的模式也是支持的，只不過這種模式并不能突出K8s的特色和強大。很多人對K8s一直以來的印象是：功能強大，但入門較難。其實，單單就啟動一個單容器微服務實例，K8s的命令行操作跟docker原生命令一樣簡單。 運行一個nginx容器 [root@demo-k8s ~]# kubectl run nginx --image=nginx deployment "nginx" created [root@demo-k8s ~]# kubectl get deployment NAME DESIRED CURRENT UP-TO-DATE AVAILABLE AGE nginx 1 1 1 1 24s [root@demo-k8s ~]# kubectl get rs NAME DESIRED CURRENT AGE nginx-3137573019 1 1 1m
由上面的例子可以看到，K8s只要一個命令既可以啟動以nginx為鏡像的一個微服務實例。與此同時，K8s的強大之處在于，方便用戶用一個命令的同時，仍然保證了K8s應用體系的完整性和規(guī)范性。也就是說，雖然用戶只運行了一個命令，但K8s為用戶自動創(chuàng)建了四種API對象，包括：Deployment，ReplicaSet(RS)，Pod和Container 要想擴展伸縮同一服務的實例個數(shù)也非常簡單。
依靠這種兼顧易用性和模型一致性的設計理念，K8s使自己既適合簡單場景也適合復雜場景。 單節(jié)點多容器模式 從單節(jié)點多容器模式開始的容器設計模式，是真正體現(xiàn)K8s設計特點的地方，也就是基于多容器微服務模型的分布式應用模型。 在K8s體系中，Pod是一個輕量級的節(jié)點，同一個Pod中的容器可以共享同一塊存儲空間和同一個網(wǎng)絡地址空間，這使得我們可以實現(xiàn)一些組合多個容器在同一節(jié)點工作的模式。既然Pod的特點是共享存儲空間和網(wǎng)絡地址，那么單節(jié)點多容器模式一定是利用這兩種特性的。 挎斗模式（Sidecar pattern） 第一種單節(jié)點多容器模式是挎斗模式。這種模式主要是利用在同一Pod中的容器可以共享存儲空間的能力。 一個典型的挎斗應用場景如圖所示：一個工具容器寫文件到共享的文件目錄，應用主容器從共享的文件目錄讀文件。 例如，我們可以用Nginx構建一個代碼發(fā)布倉庫，簡單的將代碼放到某個本地目錄即可。為了保持同步，我們同時用一個裝有Git客戶端的容器定時到原始代碼倉庫同步下拉最新的代碼。這種模式的好處是，工具容器的鏡像，也就是打包有Git客戶端的鏡像可以重用，而不需要跟應用的容器打包在一起。同樣的應用，應用主容器不用Nginx也可以用Apache Httpd，都可以跟工具容器組合起來形成微服務。
另一個典型的挎斗模式如圖所示：一個工具容器讀文件，應用容器寫文件。 例如：一個基于Nginx的Web應用向系統(tǒng)文件系統(tǒng)寫入日志，而一個收集日志的容器從共享目錄讀出日志，并輸出到集群的日志系統(tǒng)。這一模式的好處在于，工具容器的鏡像是可以重用的，不需要在每次更新應用容器打包的時候，把工具容器的執(zhí)行文件打包進去。
外交官模式(Ambassador pattern) 第二種單節(jié)點多容器模式是外交官模式。這種模式主要利用同一Pod中的容器可以共享網(wǎng)絡地址空間的特性。
如圖所示，在一個Pod中給應用容器搭配一個工具容器作為代理服務器。工具容器幫助應用容器訪問外部服務，使得應用容器訪問服務時不需要使用外網(wǎng)的IP地址，而只需要用localhost訪問本地服務。 在這種模式下，作為代理服務器的工具容器好像外部服務派駐在Pod中的“外交官”，使得應用容器辦理業(yè)務時只需要跟本Pod的外交官打交道，而不需要出國了，因此而得名。 在這種模式下，作為代理服務器的工具容器好像外部服務派駐在Pod中的“外交官”，使得應用容器辦理業(yè)務時只需要跟本Pod的外交官打交道，而不需要出國了，因此而得名。 我們這里用一個訪問Redis服務的簡單案例，來實踐體驗一下Ambassador模式和K8s單節(jié)點多容器模式的應用細節(jié)。本案例的文件清單在Github上：https://github.com/xwangqingyuan/kube-templates/tree/master/examples/redis
創(chuàng)建一個初始的Redis Master實例 先創(chuàng)建一個Redis Master節(jié)點的Pod用于初始化Redis集群。 kubectl create -f examples/redis/redis-master.yaml 創(chuàng)建一個初始的Redis Master實例 先創(chuàng)建一個Redis Master節(jié)點的Pod用于初始化Redis集群。 kubectl create -f examples/redis/redis-master.yaml 創(chuàng)建redis的replication controller 創(chuàng)建控制多個redis服務Pod的RC，當然也可以用Deployment或ReplicaSet來創(chuàng)建。 kubectl create -f examples/redis/redis-controller.yaml [root@demo-k8s ~]# kubectl get rc NAME DESIRED CURRENT AGE redis 1 1 19h 創(chuàng)建完后可以用kubectl get命令查看rc和Pod，會發(fā)現(xiàn)并沒有產(chǎn)生新的Redis Pod，這是因為原來的Pod redis-master已經(jīng)滿足了replica=1的要求。 創(chuàng)建redis sentinel服務。 kubectl create -f examples/redis/redis-sentinel-service.yaml 創(chuàng)建控制多個redis sentinel服務Pod的RC。 kubectl create -f examples/redis/redis-sentinel-controller.yaml 將redis實例和redis-sentinel實例擴展成3個 kubectl scale rc redis --replicas=3 kubectl scale rc redis-sentinel --replicas=3 刪除掉手工啟動的redis實例redis-master 刪除掉我們已開始手工創(chuàng)建的redis master的Pod，redis的rc會自動啟動新的redis以滿足replicas=3的要求。同時，Redis sentinel節(jié)點會選舉出一個新的節(jié)點作為master節(jié)點。 kubectl delete pods redis-master Redis集群的驗證方法 查詢redis集群中所有redis實例的IP。 [root@demo-k8s ~]# kubectl describe pod -l name=redis | grep IP IP:10.120.44.3 IP:10.120.63.3 IP:10.120.80.5 我們知道，這3個redis實例中，只有一個是Master節(jié)點，是可寫的，可以調(diào)用SET命令和GET命令；其他兩個節(jié)點是Slave節(jié)點，是只讀的，只能調(diào)用GET命令。我們可以用下面的命令測試三個redis節(jié)點。
通過上面的測試我們可以知道只有IP為10.120.80.5的redis pod是Master節(jié)點，其他兩個是slave節(jié)點。 對于只讀的操作，我們可以利用redis的service IP，通過K8s的kube-proxy來訪問，如下，我們得到redis的CLUSTER-IP為10.123.248.129，可以用這個IP來讀取Redis數(shù)據(jù)。那么，如果用這個IP來寫數(shù)據(jù)將怎么樣呢，后面將看到。
制作Ambassador容器鏡像 截至目前，我們還沒有用到外交官模式。下面我們用Haproxy制作一個外交官代理，用來訪問Redis服務，使得跟該容器在同一個Pod里的容器，在訪問Redis讀寫服務的時候，都只需要訪問本地localhost服務。 本例中的文件在Github上可以找到：https://github.com/xwangqingyuan/kubetemplates/tree/master/examples/redis/haproxy Dockerfile文件清單：Dockerfile FROM haproxy:1.5 COPY tmpl-haproxy.cfg / COPY starthaproxy.sh / CMD ["sh", "-c", "/starthaproxy.sh"] 啟動haproxy的文件清單：starthaproxy.sh echo "Proxying localhost ${INPUT_PORT} to ${TARGET_IP}:${TARGET_PORT}" cat tmpl-haproxy.cfg | sed -e "s/INPUT_PORT/${INPUT_PORT}/" -e "s/TARGET_IP/${TARGET_IP}/" -e "s/TARGET_PORT/${TARGET_PORT}/" > /haproxy.cfg haproxy -f /haproxy.cfg 通過這里的Dockerfile構建的代理服務器容器，根據(jù)輸入的環(huán)境變量INPUT_PORT，TARGET_IP和TARGET_PORT，可以將發(fā)向本地INPUT_PORT的服務請求轉(zhuǎn)發(fā)到目標TARGET_IP:TARGET_PORT上去。 使用Ambassador代理服務器的pod 使用Ambassador代理服務的Pod文件清單：demo-redis-amb-centos.yaml
在這個Pod中，我們用一個CentOS容器作為應用的主容器來使用Ambassador工具容器，當然也可以用實際的應用容器Tomcat，Nodejs，PHP等等，因為這里只是為了演示測試Ambassador代理，我們用CentOS作為應用容器。其中我們有兩個外交官容器，一個用來從Redis集群讀數(shù)據(jù)，容器的名字為redis-amb-read，它將發(fā)向本地6379端口的請求轉(zhuǎn)發(fā)到redis服務的CLUSTER-IP，最終會輪訓地發(fā)送給任意一個redis實例；另一個用來向Redis集群寫數(shù)據(jù)，容器的名字為redis-amb-write，它將發(fā)向本地16379端口的請求轉(zhuǎn)發(fā)到redis master Pod的IP 測試一個使用Ambassador模式的pod 創(chuàng)建一個使用Ambassador代理的Pod，并登陸到主容器進行測試。 kubectl create -f /home/centos/worktemp/redis/demo-redis-amb-centos.yaml kubectl exec -it demo-redis-amb-centos /bin/bash 測試對讀容器本地Ambassador的訪問。
從測試結果可以發(fā)現(xiàn)，對讀容器執(zhí)行GET操作時，操作總是成功的，說明3個redis pod都可以讀取數(shù)據(jù)。而對讀容器執(zhí)行SET操作時，3個操作只有一個是成功的，也就是說只有負載均衡將請求發(fā)給redis master pod時，操作能夠成功。 測試對寫容器本地Ambassador的訪問
從測試結果可以發(fā)現(xiàn)，對寫容器執(zhí)行SET操作時，操作總是成功的，說明redis-amb-write容器將所有請求都轉(zhuǎn)發(fā)給了redis master pod 適配器模式（Adapter pattern） 第三種單節(jié)點多容器模式是適配器模式。這種模式對于監(jiān)控和管理分布式系統(tǒng)尤為重要。 對分布式系統(tǒng)的一種理想設計目標，就是能夠?qū)崿F(xiàn)“分布地執(zhí)行和存儲，統(tǒng)一的監(jiān)控和管理”。要想實現(xiàn)“統(tǒng)一的監(jiān)控和管理”，應用和監(jiān)控管理交互的接口需要是統(tǒng)一的，而且其接口是依照“統(tǒng)一的監(jiān)控服務”的接口模式來實現(xiàn)。這和面向?qū)ο笤O計模式中的“適配器模式”也非常相似。
一個典型的可以采用適配器模式的系統(tǒng)，是利用Prometheus作為監(jiān)控服務的分布式系統(tǒng)。在Prometheus周邊項目中，有諸多適用于不同應用系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)輸出器（Exporter），負責收集跟特定應用相關的監(jiān)控數(shù)據(jù)，使得Prometheus服務可以以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模式收集不同應用系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)，每個Exporter同時也都是一個適配器模式的實現(xiàn)。 總結 本文主要介紹了K8s集群中，單節(jié)點單容器模式和基于Pod模型所支持的幾種單節(jié)點多容器模式，包括挎斗模式、外交官模式和適配器模式。并且對于外交官模式，利用一個redis集群案例演示了如何利用外交官模式以訪問本地服務的模式訪問網(wǎng)絡服務。 后續(xù)，K8s社區(qū)肯定還會發(fā)展出其他的容器設計模式，但不論如何，單節(jié)點多容器模式主要是利用同一Pod中的容器可以共享存儲空間和網(wǎng)絡地址空間的特點。本文案例中的代碼只能用來演示，還比較簡單，有很多的地方可以增強。 例如：用Replication Controller的地方，可以用Deployment或Replica Set來部署，這是K8s社區(qū)更為推薦的方式；對于案例中的外交官容器，Master Pod的IP和Redis服務的IP未必需要寫死，而是可以通過腳本從指定的服務讀?。淮送?，演示中所用的代理服務器容器也可以增強為支持多個端口映射的代理服務器。
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