# 基本架构和基本概念

任何优秀的项目都离不开好的架构和设计蓝图，在本小节，我们将来看一看Kubernetes是如何规划它的架构。为了理解和使用Kubernets，我们需要了解Kubernetes的基本概念和作用。

## 架构设计
![](../_images/kubernetes_design.jpg)

* [节点](#nodes)：一个节点是一个运行Kubernetes中的主机。
* [容器组](#pods)：一个Pod对应于由若干容器组成的一个容器组，同个组内的容器共享一个存储卷(volume)。
* [容器组生命周期](#pos-states)：包含所有容器状态集合，包括容器组状态类型，容器组生命周期，事件，重启策略，以及replication controllers。
* [Replication Controllers](#replication-controllers)：主要负责指定数量的pod在同一时间一起运行。
* [服务](#services)：一个Kubernetes服务是容器组逻辑的高级抽象，同时也对外提供访问容器组的策略。
* [卷](#volumes)：一个卷就是一个目录，容器对其有访问权限。
* [标签](#labels)：标签是用来连接一组对象的，比如容器组。标签可以被用来组织和选择子对象。
* [接口权限](#accessing_the_api)：端口，ip地址和代理的防火墙规则。
* [web界面](#ux)：用户可以通过web界面操作Kubernetes。
* [命令行操作](#cli)：`kubecfg`命令。


<h3 id="nodes">节点</h3>

### 什么是节点

在Kubernetes中，节点是实际工作的点，以前叫做Minion。节点可以是虚拟机或者物理机器，依赖于一个集群环境。每个节点都有一些必要的服务以运行容器组，并且它们都可以通过主节点来管理。必要服务包括docker，kubelet和网络代理。

### 容器状态

容器状态用来描述节点的当前状态。现在，其中包含三个信息：

##### 主机IP

主机IP需要云平台来查询，Kubernetes把它作为状态的一部分来保存。如果Kubernetes没有运行在云平台上，节点ID就是必需的。IP地址可以变化，并且可以包含多种类型的IP地址，如公共IP，私有IP，动态IP，ipv6等等。

##### 节点周期

通常来说节点有 `Pending`，`Running`，`Terminated`三个周期，如果Kubernetes发现了一个节点并且其可用，那么Kubernetes就把它标记为 `Pending`。然后在某个时刻，Kubernetes将会标记其为 `Running`。节点的结束周期称为 `Terminated`。一个已经terminated的节点不会接受和调度任何请求，并且已经在其上运行的容器组也会删除。

##### 节点状态

节点的状态主要是用来描述处于 `Running`的节点。当前可用的有 `NodeReachable` 和 `NodeReady` 。以后可能会增加其他状态。`NodeReachable` 表示集群可达。`NodeReady`表示kubelet返回 StatusOk并且HTTP状态检查健康。

##### 节点管理

节点并非Kubernetes创建，而是由云平台创建，或者就是物理机器、虚拟机。在Kubernetes中，节点仅仅是一条记录，节点创建之后，Kubernetes会检查其是否可用。在Kubernetes中，节点用如下结构保存：

```
{
  "id": "10.1.2.3",
  "kind": "Minion",
  "apiVersion": "v1beta1",
  "resources": {
    "capacity": {
      "cpu": 1000,
      "memory": 1073741824
    },
  },
  "labels": {
    "name": "my-first-k8s-node",
  },
}
```

Kubernetes校验节点可用依赖于id。在当前的版本中，有两个接口可以用来管理节点：节点控制和Kube管理。

##### 节点控制

在Kubernetes主节点中，节点控制器是用来管理节点的组件。主要包含：
* 集群范围内节点同步
* 单节点生命周期管理

节点控制有一个同步轮寻，主要监听所有云平台的虚拟实例，会根据节点状态创建和删除。可以通过 `--node_sync_period`标志来控制该轮寻。如果一个实例已经创建，节点控制将会为其创建一个结构。同样的，如果一个节点被删除，节点控制也会删除该结构。在Kubernetes启动时可用通过 `--machines`标记来显示指定节点。同样可以使用 `kubectl`来一条一条的添加节点，两者是相同的。通过设置 `--sync_nodes=false`标记来禁止集群之间的节点同步，你也可以使用api/kubectl 命令行来增删节点。

<h3 id="pods">容器组</h3>

在Kubernetes中，使用的最小单位是容器组，容器组是创建，调度，管理的最小单位。

#### 什么是容器组

一个容器组使用相同的Dokcer容器并共享卷（挂载点）。一个容器组是一个特定运用的打包集合，包含一个或多个容器。

和运行的容器类似，一个容器组被认为只有很短的运行周期。容器组被调度到一组节点运行，知道容器的生命周期结束或者其被删除。如果节点死掉，运行在其上的容器组将会被删除而不是重新调度。（也许在将来的版本中会添加容器组的移动）。

### 容器组设计的初衷

#### 资源共享和通信

容器组主要是为了数据共享和它们之间的通信。

在一个容器组中，容器都使用相同的网络地址和端口，可以通过本地网络来相互通信。每个容器组都有独立的ip，可用通过网络来和其他物理主机或者容器通信。

容器组有一组存储卷（挂载点），主要是为了让容器在重启之后可以不丢失数据。

#### 容器组管理

容器组是一个运用管理和部署的高层次抽象，同时也是一组容器的接口。容器组是部署、水平放缩的最小单位。

### 容器组的使用

容器组可以通过组合来构建复杂的运用，其本来的意义包含：

* 内容管理，文件和数据加载以及本地缓存管理等。
* 日志和检查点备份，压缩，快照等。
* 监听数据变化，跟踪日志，日志和监控代理，消息发布等。
* 代理，网桥
* 控制器，管理，配置以及更新

### 替代方案

为什么不在一个单一的容器里运行多个程序？

* 1.透明化。为了使容器组中的容器保持一致的基础设施和服务，比如进程管理和资源监控。这样设计是为了用户的便利性。
* 2.解偶软件之间的依赖。每个容器都可能重新构建和发布，Kubernetes必须支持热发布和热更新（将来）。
* 3.方便使用。用户不必运行独立的程序管理，也不用担心每个运用程序的退出状态。
* 4.高效。考虑到基础设施有更多的职责，容器必须要轻量化。

<h3 id="pos-states">容器组生命周期</h3>

本小结将会简单描述容器状态类型，容器组生命周期，事件，重启策略和复制控制器。

### 状态值

#### pending

容器组已经被节点接受，但有一个或多个容器还没有运行起来。这将包含某些节点正在下载镜像的时间，这种情形会依赖于网络情况。

#### running

容器组已经被调度到节点，并且所有的容器都已经启动。至少有一个容器处于运行状态（或者处于重启状态）。

#### succeeded

所有的容器都正常退出。

#### failed

容器组中所有容器都意外中断了。

### 容器组生命周期

通常来说，如果容器组被创建了就不会自动销毁，除非被某种行为出发，而触发此种情况可能是人为，或者复制控制器所为。唯一例外的是容器组由 succeeded状态成功退出，或者在一定时间内重试多次依然失败。

如果某个节点死掉或者不能连接，那么节点控制器将会标记其上的容器组的状态为 `failed`。

### 举例

* 容器组状态 `running`，有1容器，容器正常退出
     * 记录完成事件
     * 如果重启策略为：
        * 始终：重启容器，容器组保持 `running`
        * 失败时：容器组变为 `succeeded`
        * 从不：容器组变为 `succeeded`
* 容器组状态 `running`，有1容器，容器异常退出
     * 记录失败事件
     * 如果重启策略为：
        * 始终：重启容器，容器组保持 `running`
        * 失败时：重启容器，容器组保持 `running`
        * 从不：容器组变为 `failed`
* 容器组状态 `running`，有2容器，有1容器异常退出
     * 记录失败事件
     * 如果重启策略为：
        * 始终：重启容器，容器组保持 `running`
        * 失败时：重启容器，容器组保持 `running`
        * 从不：容器组保持 `running`
    * 当有2容器退出
        * 记录失败事件
        * 如果重启策略为：
            * 始终：重启容器，容器组保持 `running`
            * 失败时：重启容器，容器组保持 `running`
            * 从不：容器组变为 `failed`
* 容器组状态 `running`，容器内存不足
    * 标记容器错误中断
    * 记录内存不足事件
    * 如果重启策略为：
        * 始终：重启容器，容器组保持 `running`
        * 失败时：重启容器，容器组保持 `running`
        * 从不：记录错误事件，容器组变为 `failed`
* 容器组状态 `running`，一块磁盘死掉
    * 杀死所有容器
    * 记录事件
    * 容器组变为 `failed`
    * 如果容器组运行在一个控制器下，容器组将会在其他地方重新创建
* 容器组状态 `running`，对应的节点段溢出
    * 节点控制器等到超时
    * 节点控制器标记容器组 `failed`
    * 如果容器组运行在一个控制器下，容器组将会在其他地方重新创建

<h3 id="replication-controllers">Replication Controllers</h3>
<h3 id="services">服务</h3>
<h3 id="volumes">卷</h3>
<h3 id="labels">标签</h3>
<h3 id="accessing_the_api">接口权限</h3>
<h3 id="ux">web界面</h3>
<h3 id="cli">命令行操作</h3>