1.3 Kubernetes集群组件

一个典型的Kubernetes集群由多个工作节点（worker node）和一个集群控制平面（control plane，即Master），以及一个集群状态存储系统（etcd）组成。其中Master节点负责整个集群的管理工作，为集群提供管理接口，并监控和编排集群中的各个工作节点。各节点负责以Pod的形式运行容器，因此，各节点需要事先配置好容器运行依赖到的所有服务和资源，如容器运行时环境等。Kubernetes的系统架构如图1-11所示。

Master节点主要由apiserver、controller-manager和scheduler三个组件，以及一个用于集群状态存储的etcd存储服务组成，而每个Node节点则主要包含kubelet、kube-proxy及容器引擎（Docker是最为常用的实现）等组件。此外，完整的集群服务还依赖于一些附加组件，如KubeDNS等。

1.3.1 Master组件

Kubernetes的集群控制平面由多个组件组成，这些组件可统一运行于单一Master节点，也可以以多副本的方式同时运行于多个节点，以为Master提供高可用功能，甚至还可以运行于Kubernetes集群自身之上。Master主要包含以下几个组件。

（1）API Server

API Server负责输出RESTful风格的Kubernetes API，它是发往集群的所有REST操作命令的接入点，并负责接收、校验并响应所有的REST请求，结果状态被持久存储于etcd中。因此，API Server是整个集群的网关。

（2）集群状态存储（Cluster State Store）

Kubernetes集群的所有状态信息都需要持久存储于存储系统etcd中，不过，etcd是由CoreOS基于Raft协议开发的分布式键值存储，可用于服务发现、共享配置以及一致性保障（如数据库主节点选择、分布式锁等）。因此，etcd是独立的服务组件，并不隶属于Kubernetes集群自身。生产环境中应该以etcd集群的方式运行以确保其服务可用性。

etcd不仅能够提供键值数据存储，而且还为其提供了监听（watch）机制，用于监听和推送变更。Kubernetes集群系统中，etcd中的键值发生变化时会通知到API Server，并由其通过watch API向客户端输出。基于watch机制，Kubernetes集群的各组件实现了高效协同。

（3）控制器管理器（Controller Manager）

Kubernetes中，集群级别的大多数功能都是由几个被称为控制器的进程执行实现的，这几个进程被集成于kube-controller-manager守护进程中。由控制器完成的功能主要包括生命周期功能和API业务逻辑，具体如下。

‰□生命周期功能：包括Namespace创建和生命周期、Event垃圾回收、Pod终止相关的垃圾回收、级联垃圾回收及Node垃圾回收等。

‰□API业务逻辑：例如，由ReplicaSet执行的Pod扩展等。

（4）调度器（Scheduler）

Kubernetes是用于部署和管理大规模容器应用的平台，根据集群规模的不同，其托管运行的容器很可能会数以千计甚至更多。API Server确认Pod对象的创建请求之后，便需要由Scheduler根据集群内各节点的可用资源状态，以及要运行的容器的资源需求做出调度决策，其工作逻辑如图1-12所示。另外，Kubernetes还支持用户自定义调度器。

1.3.2 Node组件

Node负责提供运行容器的各种依赖环境，并接受Master的管理。每个Node主要由以下几个组件构成。

（1）Node的核心代理程序kubelet

kubelet是运行于工作节点之上的守护进程，它从API Server接收关于Pod对象的配置信息并确保它们处于期望的状态（desired state，后文不加区别地称之为“目标状态”）。kubelet会在API Server上注册当前工作节点，定期向Master汇报节点资源使用情况，并通过cAdvisor监控容器和节点的资源占用状况。

（2）容器运行时环境

每个Node都要提供一个容器运行时（Container Runtime）环境，它负责下载镜像并运行容器。kubelet并未固定链接至某容器运行时环境，而是以插件的方式载入配置的容器环境。这种方式清晰地定义了各组件的边界。目前，Kubernetes支持的容器运行环境至少包括Docker、RKT、cri-o和Fraki等。

（3）kube-proxy

每个工作节点都需要运行一个kube-proxy守护进程，它能够按需为Service资源对象生成iptables或ipvs规则，从而捕获访问当前Service的ClusterIP的流量并将其转发至正确的后端Pod对象。

1.3.3 核心附件

Kubernetes集群还依赖于一组称为“附件”（add-ons）的组件以提供完整的功能，它们通常是由第三方提供的特定应用程序，且托管运行于Kubernetes集群之上，如图1-11所示。下面列出的几个附件各自为集群从不同角度引用了所需的核心功能。

‰□KubeDNS：在Kubernetes集群中调度运行提供DNS服务的Pod，同一集群中的其他Pod可使用此DNS服务解决主机名。Kubernetes自1.11版本开始默认使用CoreDNS项目为集群提供服务注册和服务发现的动态名称解析服务，之前的版本中用到的是kube-dns项目，而SkyDNS则是更早一代的项目。

‰□Kubernetes Dashboard:Kubernetes集群的全部功能都要基于Web的UI，来管理集群中的应用甚至是集群自身。

‰□Heapster：容器和节点的性能监控与分析系统，它收集并解析多种指标数据，如资源利用率、生命周期事件等。新版本的Kubernetes中，其功能会逐渐由Prometheus结合其他组件所取代。

‰□Ingress Controller:Service是一种工作于传统层的负载均衡器，而Ingress是在应用层实现的HTTP（s）负载均衡机制。不过，Ingress资源自身并不能进行“流量穿透”，它仅是一组路由规则的集合，这些规则需要通过Ingress控制器（Ingress Controller）发挥作用。目前，此类的可用项目有Nginx、Traefik、Envoy及HAProxy等。