Kubernetes是什么以及你如何使用它

本文翻译自《Kubernetes：what it is and how you can use it》。

Kubernetes是一个用于容器编排的开源系统，支持自动化应用程序部署，扩展和管理。阅读这篇博客文章，你将可以了解到Kubernetes的商业视角。我将简要介绍虚拟化方法，构建Kubernetes的关键概念以及它在运行容器化应用程序时如何帮助您的业务。我还会为您呈现采用Kubernetes的六个主要原因。

首先，让我们来看看采用Kubernetes的市场数据。根据Cloud Native Computing Foundation进行的一项调查，Kubernetes是容器管理工具的领导者。在调查中，83％的受访者使用Kubernetes（2018年7月的数据，比2017年12月的77％），而58％的人使用它进行生产，42％仍然在评估它。大多数受访者是企业公司（5000多名员工），其中40％的人正在生产环境中使用Kubernetes。

根据2019年的RightScale云状态报告，Kubernetes的使用正在飙升。它在所有公司中的总体采用率从2018年的27％增加到2019年的48％，大型企业（1,000多名员工）甚至达到60％。2019年的十大趋势报告预测，应用程序开发的云原生方法（包括容器和Kubernetes）将获得更多的支持，因为许多企业正计划采用这种方法。451 Research公司估计，到2020年，集装箱市场将从2016年的7.62亿美元增长到27亿美元。

鉴于过去几十年中已经诞生的IT系统的技术术语集，从实现和性能的角度来看，准确掌握新技术所带来的内容往往令人难以招架。因此，在深入探讨为什么要考虑部署Kubernetes之前，我将帮助您了解这项技术的用途以及它的工作原理。

虚拟化的老方法

在早期，使用更多计算能力的唯一方法是在物理意义上添加更多硬件（因此旧的名称为“服务器群”）。然后，虚拟机（VM）被引入，虚拟化的概念诞生了。在过去近20年中，这一概念一直在发挥着越来越大的作用。这种软件引入了虚拟硬件抽象层（HAL），这反过来使得可以在父OS的相同底层硬件上运行多个操作系统（OS）和应用程序。虽然这种方法确实在当前的IT基础架构领域具有优势，特别是在涉及特定复杂软件目标的情况下，并且确实在市场份额上持续占据优势，但它并非没有缺陷。

虚拟机的完全实现（为了进行比较，我称之为虚拟化2.0）可以迅速成为系统资源的贪婪的独占者，因此我们总是需要更快，更昂贵的硬件。在混合设置中尤其如此，由于必须运行的应用程序阵列和其性质，同一台计算机上需要多个竞争操作系统（并非所有应用程序始终在同一操作系统上可用）。因此，VMM（虚拟机监视器或虚拟机管理程序）软件变得必要，这使得系统更加复杂。一旦设置完成，VM实现就变得重量级且不灵活。毕竟，为了运行应用程序，每个VM不仅必须包含操作系统本身的完整空间，还包括整个堆栈（操作系统，设备驱动程序，应用程序等）的所有库和依赖项（Libs / Bins）。每个VM还必须模拟底层硬件的虚拟版本，因此不会直接调用IRQ（中断请求），而是通过软件代理来进一步阻碍性能。将此结合在一个真实世界的云场景中，适用于大型或严格的业务目标要求的组织，所有这些最终转化为折腾型实现，软件复杂性，有限的可移植性，浪费的CPU周期和GB，以及从IT管理角度来看为硬件和人工付出更多的美元。虚拟化既不便宜也不易实现。

运行VM的框架

虚拟化的新方法

因缺乏更好的术语，我们使用虚拟化3.0，即容器化。软件容器并不是一个全新的解决方案，因为这个概念已经存在了大约二十年。然而在2004 - 2008年，Solaris引入了Solaris Zones并创建了独立的应用程序环境，而Google则突破性的使用容器处理生产业务。与此同时，Linux发布了内核编译2.6.24，为LXC（Linux容器）的成熟奠定基础。快进到2013年及以后：容器形式的虚拟化，而不仅仅是虚拟机，获得广泛认同，并且有充分的使用理由。Kubernetes项目最初由谷歌设计和创建，谷歌于2014年将其开源。它于2015年发布了1.0版，并与Linux基金会合作组建云原生计算基金会，后者现在负责Kubernetes。

容器之于VM好比芭蕾舞者之于相扑选手，你很快就会明白为什么我会这么类比。如果您的组织需要非常特定的虚拟化实施形式，这可能是由于多种原因（即运行复杂的软件环境），那么VM可能仍然是您的乘车机票。对于其他人来说，容器至少在初期是最佳选择。关键的区别在于容器全部运行在同一主机操作系统上，因此无需像每个虚拟机那样复制操作系统。此外，容器通过直接API调用来利用主机操作系统的Libs和Bins，并且仅在其本地模块中封装一些额外的Libs和Bins，这些Libs和Bins特定于它们运行的应用程序。出于这些原因，容器轻巧且便携，并且远远少于您可能运行的任何VM的资源。

这些节省下来的CPU周期和GB可用于两种不同的方案：让同一组容器应用的运行具有更高系统性能和响应时间，或通过运行更多容器应用程序来更好地利用底层硬件。如果您需要在软件故障或安全更新后重新启动容器应用程序，那么您只需几秒钟 - 与在相同方案中引导VM相差甚远，更不用说混合VM配置了。容器式虚拟化当然伴随着它自己的极少 - 可以说是不那么极端的缺点。

首先，容器应该是轻便的，便携的并且易于管理。但是，如果您的业务依赖于复杂的应用程序，则需要运行多个容器。这将增加多样性，并最终导致性能瓶颈，因为容器争夺对受保护系统资源（操作系统和硬件）的访问权。其次，容器默认不如VM安全。这是因为它们仅提供了进程级别的安全性，而不是操作系统级别的安全性，只有一个操作系统在运行，即主机操作系统（主机操作系统的任何安全漏洞将自动成为容器的威胁）。在安全性至关重要的情况下，附加软件是合理的。第三，因为在任何一个物理系统上运行整个容器集合并优化全面SaaS（软件即服务）解决方案的交付是完全合理的，所以实时管理它们不再是手动任务。实际上，它需要类似于VMM的软件，例如管理多个VM所需的软件。

运行容器的框架

Kubernetes的是和不是

在这个阶段，您可能会认为Kubernetes（简称K8S）是一个允许对容器化应用程序进行分组的软件平台，但事实并非如此。K8s不是关于对容器和相应应用程序进行分组的，而是在它们在提供此功能的平台（例如Docker（最受欢迎的），Mesos，CoreOS rkt和LXC）中设置（和分组）之后编排它们。一旦这些设置在一对多关系类型的原理图中（即Docker配置了多个容器和集群形式的应用程序），像K8s这样的软件就会出现在最前端来管理它，并通过自动化使管理任务的负担更少。实质上，K8s（一个容器管理者，CM）类似VMM运行多个虚拟机的过程 - 即一个软件管理层将所有虚拟机固定在一起，并保持这些"齿轮"顺利转动。

K8s就是协调和调度容器，以便它们能够以最佳方式运行，并在负载全天波动时随时访问系统资源。谷歌是该领域的专家，因为它在过去二十年中部署了大量（可能是最高）的服务器和应用程序。Kubernetes的开发和设计受到Google Borg系统的高度影响，它是为管理大规模集群而创建的。K8s可以在内部部署或在云中部署，使您能够跨多个物理机运行容器应用程序，并维护一个故障安全监视层，用于重新启动崩溃的容器。它还可以轻松发布更新(也包括回滚)，并根据各种性能指标自动扩展以关闭和启动容器。最后但同样重要的是，K8S允许在一致的部署中运行容器化应用程序，从而通过第三方软件（如Prometheus，Jaeger，EFK（Elasticsearch，Fluentd，Kibana）堆栈或cAdvisor）监控它们变得更加容易。K8s和简化的CM(容器管理)解决方案基本上是同义词。

使用Kubernetes的六个理由

上面我们介绍了虚拟化方法的简要历史以及Kubernetes主要功能的概述。我们现在了解传统虚拟化及其当前和最近以VM（虚拟机）和容器形式实现的概念，以及K8S如何适应业务场景的方案。我们现在转向K8s提供的六项企业福利。

开源的力量

在不断扩大的容器应用领域，K8S已发展成为事实上的行业标准。因此，您可以选择多种服务提供商来帮助您在组织的IT基础架构中实施它。如果出现任何问题，可以指望K8S开发者的开放社区解决问题。更重要的是，K8s并不是一个不活跃的项目(可以坐下来收集灰尘)，而是一个全年收到四次大更新的项目。

成本效益

容器的复杂性和占用空间都很轻，而且设置它们比设置VM要简单得多。这使得K8s成为管理容器化应用程序的非常灵活的平台。K8s配置可减少CPU周期和GB的RAM的误用，从而缩短响应时间，最终提高系统性能。并且由于K8s的负载平衡引擎，它可以在需要时启动，停止和优先处理给定的容器 - 所有这些都可以保持性能一致。

可移植性

由于其多功能性，K8S可以在您的组织内本地设置和运行在大量底层操作系统上。此外，如果您决定在整个生命周期的部署过程中迁移到备用操作系统，您可以随身携带现有工作负载，而无需重新设计应用程序或代码片段并重新构建基础架构。K8s避免了供应商锁定，您的设置将继续标准化并随着时间的推移而简化。

可扩展性

K8s从头开始设计为模块化CM(容器管理工具），您可以自由选择混合和匹配组件，实现真正的交钥匙和定制实施。使用K8S，您可以决定要运行的操作系统，应用运行时（Libs / Bins），文件系统，处理器架构甚至云平台。应用程序开发人员还可以直接调用Kubernetes API（应用程序编程接口），并加强应用程序的集成，以提高性能和可管理性。

自愈

软件将不时遭受奇怪的故障，导致功能瘫痪和系统失败。然而，这些陷阱将使您成为可靠性困境的牺牲品。但不要害怕：K8s能够定期监控您的完整基础设施（容器，节点，Pod，网络，硬件，操作系统）。如果软件错误导致系统的某些部分崩溃，K8S将立即重启应用程序。如果错误是由于硬件故障引起的，K8S将检测到它并将应用程序分布在多个pod中。在这两种情况下，应用程序停机时间都减少到最低限度。

云服务

因为K8S很受欢迎，你不需要自己处理内部实现，也不需要在硬件上花钱。事实上，您可以通过注册托管的K8解决方案来外包这个过程：PaaS（平台即服务）或IaaS（基础架构即服务）。您的角色是专注于通过您的应用提供最佳用户体验，将负载平衡和云服务留给Kubernetes。

小结

如您所见，顺利部署和运行应用程序可能是一项严峻的挑战。值得庆幸的是，Kubernetes等解决方案使得容器化应用程序的部署，扩展和管理变得更加容易。投入Kubernetes的其他优势，为什么这么多企业选择它就不奇怪了。

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