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雨夜朦胧

Kubernetes初探[1]:部署你的第一个ASP.NET Core应用到k8s集群

Kubernetes简介

Kubernetes是Google基于Borg开源的容器编排调度引擎,作为CNCF(Cloud Native Computing Foundation)最重要的组件之一,它的目标不仅仅是一个编排系统,而是提供一个规范,可以让你来描述集群的架构,定义服务的最终状态,Kubernetes可以帮你将系统自动得达到和维持在这个状态。

更直白的说,Kubernetes可以让用户通过编写一个yaml或者json格式的配置文件,也可以是通过工具/代码生成或者是直接请求Kubernetes API来创建应用,该配置文件中包含了用户想要应用程序保持的状态,不管整个Kubernetes集群中的个别主机发生什么问题,都不会影响应用程序的状态,你还可以通过改变该配置文件或请求Kubernetes API来改变应用程序的状态。

这意味着开发人员不需要在意节点的数目,也不需要在意从哪里运行容器以及如何与它们交流。开发人员也不需要管理硬件优化,或担心节点关闭(它们将遵循墨菲法则),因为新的节点会添加到Kubernetes集群,同时Kubernetes会在其他运行的节点中添加容器,Kubernetes会发挥最大的作用。

总结:Kubernetes是容器控制平台,可以抽象所有的底层基础设施(容器运行用到的基础设施)。

Kubernetes——让容器应用进入大规模工业生产。

Kubernetes另一个深入人心的特点是:它标准化了云服务提供商。比如,有一个Azure、Google云平台或其他云服务提供商的专家,他担任了一个搭建在全新的云服务提供商的项目。这可能引起很多后果,比如说:他可能无法在截止期限内完成;公司可能需要招聘更多相关的人员,等等。相对的,Kubernetes就没有这个问题。因为不论是哪家云服务提供商,你都可以在上面运行相同的命令,以既定的方式向Kubernetes API服务器发送请求,Kubernetes会负责抽象,并在不同的云服务商中实现。

对于公司来说,这意味着他们不需要绑定到任何一家云服务商。他们可以计算其他云服务商的开销,然后转移到别家,并依旧保留着原来的专家,原来的人员,他们还可以花更少的钱。

Pod

Kubernetes有很多技术概念,同时对应很多API对象,最重要的也是最基础的对象就是Pod。Pod是Kubernetes集群中运行部署应用的最小单元,并且是支持多个容器的。

Pod的设计理念是支持多个容器在一个Pod中共享网络地址和文件系统,可以通过进程间通信和文件共享这种简单高效的方式组合完成服务。Pod对多容器的支持是Kubernetes最基础的设计理念。比如你运行一个操作系统发行版的软件仓库,一个Nginx容器用来发布软件,另一个容器专门用来从源仓库做同步,这两个容器的镜像不太可能是一个团队开发的,但是他们一块儿工作才能提供一个微服务;这种情况下,不同的团队各自开发构建自己的容器镜像,在部署的时候组合成一个微服务对外提供服务。不过,在大多数情况下,我们只会在Pod中运行一个容器,本文中的例子也是这样的。

Pod 的另一个特征是:如果我们希望使用其他 RKE 等技术的话,我们可以做到不依赖Docker容器。

Docker是kubernetes中最常用的容器运行时,但是Pod也支持其他容器运行时。

总的来说,Pod的主要特征包括:

  • 每个Pod可以在Kubernetes集群内拥有唯一的IP地址;

  • Pod可以拥有多个容器。这些容器共享同一个端口空间,所以他们可以通过localhost交流(可想而知它们无法使用相同的端口),与其他Pod内容器的交流可以通过结合Pod的IP来完成;

  • 一个Pod内的容器共享同一个卷、同一个 IP、端口空间、IPC 命名空间。

定义一个Pod

如下,我们定义一个最简单的Pod:

apiVersion: v1
kind: Pod # 定义Kubernetes资源的类型为Pod
metadata:
  name: demo-web # 定义资源的名称
  labels: # 为Pod贴上标签,后面会介绍其用处
    app: demo-web
spec: # 定义资源的状态,对于Pod来说,最重要属性就是containers
  containers: # containers一个数组类型,如果你希望部署多个容器,可以添加多项
    - name: web # 定义本Pod中该容器的名称
      image: rainingnight/aspnetcore-web # 定义Pod启动的容器镜像地址
      ports:
        - containerPort: 80 # 定义容器监听的端口(与Dockerfile中的EXPOSE类似,只是为了提供文档信息)

然后保存,我这里命名为demo-web-pod.yaml

现在我们可以在终端中输入以下命令来创建该Pod:

kubectl create -f demo-web-pod.yaml

# 输出
# pod/demo-web created

可以使用如下命令,来查看kubernetes中的Pod列表:

kubectl get pods

# 输出
# NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                       1/1     Running   0          65s

如果该Pod还处于ContainerCreating状态的话,你可以在运行命令的时候加入--watch参数,这样当Pod变成运行状态的时候,会自动显示在终端中。

访问应用程序

在上面,我们成功部署了一个ASP.NET Core Mvc程序的Pod,那么如何访问它呢?如果只是为了调试,我们可以使用转发端口的方式来快速访问:

kubectl port-forward demo-web 8080:80

# 输出
# Forwarding from 127.0.0.1:8080 -> 80

然后我们再浏览器中访问:127.0.0.1:8080,显示如下:

aspnetcore-web

如上,还展示了Pod的主机名和IP,这是因为我在应用中添加了如下代码:

public void OnGet()
{
    HostName = Dns.GetHostName();
    HostIP = Dns.GetHostEntry(HostName).AddressList.FirstOrDefault(x => x.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork).ToString();
}

不过,端口转发的方式只能在本机访问,为了从外部访问应用程序,我们需要创建Kubernetes中的另外一种资源:Service

Service

Kubernetes中的Service资源可以作为一组提供相同服务的Pod的入口,这个资源肩负发现服务和平衡Pod之间负荷的重任。

在Kubernetes集群中,我们拥有提供不同服务的Pod,那么Service如何知道该处理哪个Pod呢?

这个问题就用标签来解决的,具体分两个步骤:

  • 给所有需要Service处理的对象Pod贴上标签。
  • 在Service中使用一个选择器(Label Selector),该选择器定义了所有贴有对应的标签的对象Pod。

标签

标签提供了一种简单的方法用于管理Kubernetes中的资源。它们用一对键值表示,且可以用于所有资源。

其实在上面的Pod定义中,我们已经定义了标签:

metadata:
  name: demo-web
  labels:
    app: demo-web

如上,我们为Pod附加了标签app:demo-web,在查看Pod的时候,可以使用--show-labels参数来显示Pod对应的标签:

kubectl get pods --show-labels

# 输出
# NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE     LABELS
# demo-web                       1/1     Running   0          1m52s   app=demo-web

可以看到,我们的Pod都拥有一个app=demo-web标签。

定义Service

现在,让我们为刚才创建的Pod定义一个Service:

apiVersion: v1
kind: Service # 定义Kubernetes资源的类型为Service
metadata:
  name: demo-web-service # 定义资源的名称
spec:
  selector: # 指定对应的Pod
    app: demo-web # 指定Pod的标签为demo-web
  ports:
  - protocol: TCP # 协议类型
    port: 80 # 指定Service访问的端口
    targetPort: 80 # 指定Service转发请求的端口
    nodePort: 30000
  type: NodePort # 指定Service的类型,在这里使用NodePort来对外访问

如上,我们使用selector属性来选择相应的标签,并把服务类型(type)设置为NodePorttype的取值有以下4种:

  • ClusterIP:默认值,通过集群的内部IP暴露服务,该模式下,服务只能够在集群内部可以访问。

  • NodePort:通过每个Node上的IP和静态端口(NodePort)暴露服务,NodePort服务会路由到ClusterIP服务,这个ClusterIP服务会自动创建。

  • LoadBalancer:使用云提供商的负载均衡器,可以向外部暴露服务,外部的负载均衡器可以路由到NodePort服务和ClusterIP服务。

  • ExternalName:通过返回CNAME和它的值,可以将服务映射到externalName字段的内容(如:foo.bar.example.com)。没有任何类型代理被创建,这只有 Kubernetes 1.7 或更高版本的kube-dns才支持。

对于服务类型我们先了解这么多就可以了,后续会再来详细介绍。

然后使用如下命令创建Service:

kubectl create -f demo-web-service.yaml

# 输出
# service/demo-web-service created

使用如下命令来检查服务的状态:

kubectl get services

# 输出
# NAME               TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
# demo-web-service   NodePort    10.105.132.214   <none>        80:30000/TCP   10s

如上,它有一个CLUSTER-IP为10.105.132.214,因此我们可以在集群内使用10.105.132.214:80来访问该服务,如果是在集群外部,可以使用NodeIP:30000来访问。

服务发现与负载均衡

在上面我们说到,Service肩负着发现服务和平衡Pod之间负荷的重任,那它是怎么做的呢?让我们先再添加一个Pod:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: demo-web-copy
  labels:
    app: demo-web
spec:
  containers:
    - name: web
      image: rainingnight/aspnetcore-web      
      ports:
        - containerPort: 80

如上,其定义与之前的Pod一样,只是把name改成了demo-web-copy,然后创建Pod:

kubectl create -f demo-web-copy.pod.yaml

# 查看Pod
kubectl get pods

# 输出
# NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                       1/1     Running   0          10m
# demo-web-copy                  1/1     Running   0          29s

现在我们使用NodeIP:30000来访问,打开两个浏览器窗口,多刷新几次,以便让它们分别路由到不同的Pod,最终显示如下:

aspnetcore-web-service

可以看到,我们新创建的Pod已经通过Servie来接受请求了,不需要修改成任何程序代码,Kubernetes就已经帮我们实现了服务发现和负载均衡,是不是非常爽。

Deployment

在上面我们手动部署了两个Pod,但是这只是单机的玩法,它与直接使用Docker容器相比并无太大优势,如果我们需要部署一千个实例,那就是一个痛苦的过程,或者我们又想快速更新和迅速回滚,这根本就是不可能的!

其实在k8s中,我们很少直接使用Pod,更多的是使用Kubernetes的另外一种资源:Deployment

Deployment表示用户对Kubernetes集群的一次更新操作。可以是创建一个新的服务或是更新一个新的服务,也可以是滚动升级一个服务。Deployment可以帮助每一个应用程序的生命都保持相同的一点:那就是变化。此外,只有挂掉的应用程序才会一尘不变,否则,新的需求会源源不断地涌现,更多代码会被开发出来、打包以及部署,这个过程中的每一步都有可能出错。Deployment可以自动化应用程序从一版本升迁到另一版本的过程,并保证服务不间断,如果有意外发生,它可以让我们迅速回滚到前一个版本。

Deployment定义

现在,我们使用Deployment来部署我们的Pod,并实现在部署期间服务不间断服务,可以如下定义:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment # 定义Kubernetes资源的类型为Deployment
metadata:
  name: demo-web-deployment # 定义资源的名称
  labels:
    app: demo-web-deployment
spec:  # 定义资源的状态。
  replicas: 2 # 定义我们想运行多少个Pod,在这里我们希望运行2个
  selector:
    matchLabels: # 定义该部署匹配哪些Pod
      app: demo-web
  minReadySeconds: 5 # 可选,指定Pod可以变成可用状态的最小秒数,默认是0
  strategy: # 指定更新版本时,部署使用的策略
    type: RollingUpdate # 策略类型,使用RollingUpdate可以保证部署期间服务不间断
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 1 # 部署时最大允许停止的Pod数量(与replicas相比)
      maxSurge: 1 # 部署时最大允许创建的Pod数量(与replicas相比)
  template: # 用来指定Pod的模板,与Pod的定义类似
    metadata:
      labels: # 根据模板创建的Pod会被贴上该标签,与上面的matchLabels对应
        app: demo-web
    spec:
      containers:
        - name: web
          image: rainingnight/aspnetcore-web
          imagePullPolicy: Always # 默认是IfNotPresent,如果设置成Always,则每一次部署都会重新拉取容器映像(否则,如果本地存在指定的镜像版本,就不会再去拉取)
          ports:
            - containerPort: 80

保存为demo-web-deployment.yaml,然后输入以下命令来创建Deployment:

kubectl create -f demo-web-deployment.yaml

# 输出
# deployment.apps/demo-web-deployent created

现在我们再来查看以下Pod:

kubectl get pods

# 输出
# NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                               1/1     Running   0          4h28m
# demo-web-copy                          1/1     Running   0          18m
# demo-web-deployment-745f7997c4-d24bb   1/1     Running   0          16s
# demo-web-deployment-745f7997c4-jk9jn   1/1     Running   0          16s

如上,我们有4个运行中的Pod,其中前二个是我们手动创建的,其他两个是使用Deployment创建的。

我们可以使用kubectl delete pod <pod-name>删除一个Deployment创建的Pod,看看结果会怎样:

kubectl delete pod demo-web-deployment-745f7997c4-d24bb

# 输出
# pod "demo-web-deployment-745f7997c4-d24bb" deleted

再次查看Pod列表:

kubectl get pods

# 输出
# NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-web                               1/1     Running   0          31m
# demo-web-copy                          1/1     Running   0          22m
# demo-web-deployment-745f7997c4-jk9jn   1/1     Running   0          3m39s
# demo-web-deployment-745f7997c4-mrrw6   1/1     Running   0          11s

可以看到,又重新创建了一个Pod:demo-web-deployment-745f7997c4-mrrw6,Deployment会监控我们的Pod数量,保持为我们预期的个数。

零停机时间部署(Zero-downtime)

现在我们尝试以下零停机部署,首先修改Deployment中的image为:rainingnight/aspnetcore-web:1.0.0,然后运行如下命令:

kubectl apply -f demo-web-deployment.yaml --record

# 输出
# deployment.apps/demo-web-deployment configured

将kubectl的--record设置为true可以在annotation中记录当前命令创建或者升级了该资源。这在未来会很有用,例如,查看在每个 Deployment revision 中执行了哪些命令。

除了修改yaml外,还可以直接运行kubectl set image deployment demo-web-deployment web=rainingnight/aspnetcore-web:1.0.0 --record来达到同样的效果。

然后使用如下命令检查服务更新状态:

kubectl rollout status deployment demo-web-deployment

# 输出
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 of 2 updated replicas are available...
# Waiting for deployment "demo-web-deployment" rollout to finish: 1 of 2 updated replicas are available...
# deployment "demo-web-deployment" successfully rolled out

如上可以看到,新版本已经成功上线,并在这个过程中副本被逐个替换,也就意味着应用程序始终在线。

现在我们刷新一下浏览器,可以看到标题已经变成了Home page - Web-v1:

回滚到前一个状态

如果突然发现新上线的版本有Bug,需要紧急回滚到上一个版本,那对Kubernetes来说也是非常简单的。

我们首先运行如下命令来查看历史版本:

kubectl rollout history deployment demo-web-deployment

# 输出
# deployment.extensions/demo-web-deployment 
# REVISION  CHANGE-CAUSE
# 1         <none>
# 2         kubectl apply --filename=demo-web-deployment.yaml --record=true

如上,可以看到有2条历史,那么为什么第1条的CHANGE-CAUSE<none>呢,这就是因为我们第二次部署的时候使用了--record=true参数。现在,我们想回滚到第一个版本,只需运行如下命令:

kubectl rollout undo deployment demo-web-deployment --to-revision=1

# 输出
# deployment.extensions/demo-web-deployment rolled back

再次刷新浏览器,标题又变回了Home page - Web

部署多个应用

现在我们再部署一个ASP.NET Core WebApi程序,并在刚才的Web应用中调用它,形成一个最简单的微服务模式。

部署WebApi

与前面的Web应用的部署类似,就不用过多介绍,定义如下YAML:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: demo-api-deployment
  labels:
    app: demo-api-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: demo-api
  minReadySeconds: 5
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 1
      maxSurge: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: demo-api
    spec:
      containers:
        - name: api
          image: rainingnight/aspnetcore-api
          imagePullPolicy: Always
          ports:
            - containerPort: 80

然后创建Deployment:

kubectl create -f demo-api-deployment.yaml 

查看部署情况:

kubectl get pods

# 输出
# NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# demo-api-deployment-66575d644-9wk7g    1/1     Running   0          75s
# demo-api-deployment-66575d644-fknpx    1/1     Running   0          75s
# demo-web-deployment-745f7997c4-h7fr8   1/1     Running   0          9m23s
# demo-web-deployment-745f7997c4-kvptm   1/1     Running   0          9m23s

前面手动创建的2个Pod已经被我删除了,因为用Deployment创建的Pod就好了。

现在我们为Api应用也创建一个Service,以便在Web应用中访问它:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: demo-api-service
spec:
  selector:
    app: demo-api
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80

因为我们的Api应用是不需要在集群外部访问的,因此服务类型(type)不需要设置,使用默认的ClusterIP就可以了。

部署Servcie:

kubectl create -f demo-api-service.yaml

然后查看Servie:

kubectl get services

# 输出
# NAME               TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
# demo-api-service   ClusterIP   10.111.25.49     <none>        80/TCP         26s
# demo-web-service   NodePort    10.105.132.214   <none>        80:30000/TCP   58m

可以使用浏览器来访问:10.111.25.49/api/values 来验证一下是否部署成功。

调用服务

那么,还剩下最后一个问题,我们的Web应用中如何获取到Api应用的访问地址呢?

我们先看一下,在Web应用的代码中是怎么调用Api的:

// Startup.cs
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
    services.AddHttpClient("api", _ => _.BaseAddress = new Uri(Configuration["ApiBaseUrl"]));
}

// FetchData.cshtml
public class FetchDataModel : PageModel
{
    private static HttpClient _client;

    public FetchDataModel(IHttpClientFactory httpClientFactory)
    {
        _client = httpClientFactory.CreateClient("api");
    }

    public IList<WeatherForecast> Forecasts { get; set; }

    public async Task OnGetAsync()
    {
        var res = await _client.GetStringAsync("/api/SampleData/WeatherForecasts");
        Forecasts = JsonConvert.DeserializeObject<IList<WeatherForecast>>(res);
    }
}

如上,我们首先注册了一个HttpClient,并从配置文件中读取ApiBaseUrl做为BaseAddress,然后在FetchData页面中使用HttpClient调用Api服务。

因为在Asp.Net Core中,默认情况下,环境变量中的配置是会覆盖appsettings.json中的配置的,因此我们可以使用添加环境变量的方式来配置ApiBaseUrl

修改demo-web-deployment.yaml,添加env属性,如下:

containers:
  - name: web
    image: rainingnight/aspnetcore-web
    imagePullPolicy: Always
    ports:
      - containerPort: 80
    env:
      - name: ApiBaseUrl
        value: "http://10.111.25.49"

然后在Kubernetes中应用该配置:

kubectl apply -f demo-web-deployment.yaml 

等待滚动更新完成,刷新浏览器,点击FetchData菜单:

aspnetcore-web-fetchdata

如上,可以看到数据成功返回,但是直接使用集群IP10.111.25.49,这也有点太低级了,其实我们可以直接使用域名:http://demo-api-service,修改后如下:

  env:
    - name: ApiBaseUrl
      value: "http://demo-api-service"

提交到Kubernetes,然后刷新浏览器,可以看到完美运行,这是因为CoreDNS(Kube-DNS)帮我们完成了域名解析。

在Kubernetes 1.11中,CoreDNS已经实现了基于DNS的服务发现的GA,可作为kube-dns插件的替代品。这意味着CoreDNS将作为各种安装工具未来发布版本中的一个选项来提供。事实上,kubeadm团队选择将其作为Kubernetes 1.11的默认选项。

CoreDNS是一个通用的、权威的DNS服务器,提供与Kubernetes后向兼容但可扩展的集成。它解决了kube-dns所遇到的问题,并提供了许多独特的功能,可以解决各种各样的用例。

DNS服务器监控kubernetes创建服务的API, 并为每个服务创建一组dns记录。如果在整个群集中启用了dns, 所有Pod都会使用它作为DNS服务器。比如我们的demo-api-service服务,DNS服务器会创建一条"my-service.my-ns"也就是10.111.25.49:demo-api-service.default的dns记录,因为我们的Web应用和Api应用在同一个命名空间(default)中,所以可以直接使用demo-api-service来访问。

总结

本文带领大家一步一步部署了一个最简单的ASP.NET Core MVC + WebApi的微服务程序,介绍了Kubernetes中最基本的三个概念:PodDeploymentService,相信大家对Kubernetes也有了一个全面的认识。

虽然Kubernetes整个体系是非常复杂的,但是不用担心,一开始我们不用去求甚解,最重要的是先跑起来,后续我会和大家一起逐步深入,由简到繁,愉快的掌握Kubernetes。

附本文所用示例代码:https://github.com/RainingNight/AspNetCoreDocker

相关资料:

posted @ 2019-01-08 07:52 雨夜朦胧 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏