kubernetes的内部机制

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Kubernetes是一个容器编排引擎,设计用于在一组节点(通常称为集群)上托管容器化应用。使用系统建模方法,本系列旨在推进对Kubernetes及其基础概念的理解。
对于本篇博文,建议您需要提前对Kubernetes、Kubernetes对象和Kubernetes控制器有所理解。

Kubernetes的特点是声明式容器编排引擎:在声明式系统中,用户向系统提供系统的期望状态的表示。然后,系统考虑当前状态和期望状态,确定从当前状态过渡到期望状态的需要执行哪些命令序列。
因此,"声明式系统 "这个术语激发了一个经过计算的、具有明确目的的协调工作的概念,其最终目的是以便从当前状态过渡到期望状态。

然而,这不是Kubernetes的实际工作方式!

Kubernetes并没有根据当前状态和期望状态确定一个经过计算、协调的命令执行序列。相反,Kubernetes仅根据当前状态迭代确定下一个要执行的命令。如果以及无法确定下一条命令时,Kubernetes就达到了稳定状态。

2. 状态转换机制

本段概述了Kubernetes的状态转换语义的抽象模型。接下来的段落概述了一个基于部署对象和部署控制器的具体示例。

图1

fact {
    all k8s : K8s - last | let k8s' = k8s.next {
        some c : NextCommand[k8s] {
            command.source = k8s and command.target = k8s'
        }
    }
    NextCommand[k8s.last] = none
}

上述代码展示了Kubernetes的状态转换语义。给定下一个命令函数,系统将根据当前状态k8s确定下一个命令,将系统从当前状态k8s过渡到下一个状态k8s'。

上述代码中使用到的NextCommand()的实现逻辑如下:

fun NextCommand(k8s : K8s) : set Command {
  DeploymentController.NextCommand[k8s] +
  ReplicaSetController.NextCommand[k8s] +
  ...
}

从概念上讲,NextCommand函数是由每个Kubernetes控制器的NextCommand函数的组成。

pred Steady(k8s : K8s) { NextCommand[k8s] = none }

状态序列以一个状态k8s.last结束,对于这个状态,NextCommand函数没有产生下一条命令,这个状态通常称为稳态。

3. k8s对象

Kubernetes对象存储是一组Kubernetes对象。Kubernetes对象是一些有不同规格的数据记录,称为kind

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: gzh-deployment
spec:
  replicas: 3
  template:
    spec:
      containers:
      - name: mydemo
        image: busybox:latest

如上所示即为一种k8s对象。

4. k8s控制器

每个Kubernetes Controller都会为下一条命令产生输入,一个Controller被实现为一个连续的过程,它根据Kubernetes的当前状态产生后续的命令。

process Controller = "Deployment Controller"
begin
    ControlLoop:
      while TRUE do
        \* The Deployment Controller monitors Deployment Objects
        with d ∈ {d ∈ k8s: d.kind = "Deployment"} do
          \* 1. Enabling Condition
          if Cardinality({r \in k8s: r.kind = "ReplicaSet" ∧ match(d.spec.labelSelector, r.meta.labels)}) < 1 then
            \* Reconciling Command
            CREATE([kind |-> "ReplicaSet", spec |-> [replicas |-> d.spec.replicas, template |-> d.spec.template]]);
          end if;
          \* 2. Enabling Condition
          if Cardinality({r \in k8s: r.kind = "ReplicaSet" ∧ match(d.spec.labelSelector, r.meta.labels)}) > 1 then
            \* Reconciling Command
            with r ∈ {r \in k8s: r.kind = "ReplicaSet" ∧ match(d.spec.labelSelector, r.meta.labels)} do
               DELETE(r);
            end with;
          end if;
        end with;
      end while;
end process;

上述代码5说明了deployment控制器。控制器监控deployment对象,并对每个对象执行一组条件语句。

  • 条件

如果匹配的ReplicaSet对象少于1个

  • 命令
    然后,deployment控制器将产生一个创建 ReplicaSet 命令。

  • 条件

如果有超过1个匹配的ReplicaSet对象。

  • 命令
    然后,deployment控制器将发出删除 ReplicaSet 命令

从Controller的角度来看,如果Controller的条件都没有启用,Kubernetes就处于稳定状态,也就是说,Controller不会产生任何命令。

5. 级联指令

控制器(可以)级联地相互启用:

  • 给定k8s的状态,如果Kubernetes控制器C被启用,C将执行一个过渡到k8s'的命令。
  • 给定k8s'的状态,如果启用了Kubernetes控制器C',C'将执行一个过渡到k8s''的命令。

图2

图2显示了用户向API服务器提交deployment对象后产生的命令级联。

6. k8s是一个声明式系统吗?

图3

fact {
    all sys : Sys - last | let sys' = sys.next {
        some c : Command {
            command.source = sys and command.target = sys'
        }
    }
    Desired[sys.last]
}

上述代码定义了声明式系统的状态转换机制。给定一个期望状态谓词,系统将确定一个命令序列,使系统从当前状态k8s.first过渡到期望状态k8s.last。

图4

如果我们不把Kubernetes对象解释为事实的记录,而是解释为意图的记录,那么我们就可以认同Kubernetes是一个声明式系统的概念。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: gzh-deployment
spec:
  replicas: 3
  template:
    spec:
      containers:
      - name: mydemo
      image: busybox:latest

例如,我们可以将代码中的deployment对象解释为存在一组3个副本对象的意图,因此对象的

  • .spec.container[0].image等于busyBox:latest

然而,这一概念并非没有微妙之处:如果将一个对象解释为意图记录,则会出现多个选项。例如,Deployment Object 可以解释为:

  • 应有一个 ReplicaSet 或
  • 有一些pods

根据解释,当前状态可能与所需状态相匹配,也可能不相匹配:

  • 如果有ReplicaSet和可选的Pods或
  • 如果有一个ReplicaSet,并且必须有一组Pods

与我们的解释无关

  • 如果有ReplicaSet对象,K8s与部署对象的关系处于稳定状态(deployment控制器不会产生Commands)。
  • 如果有一组pod对象,K8s与ReplicaSet对象的关系处于稳定状态(ReplicaSet控制器不会产生命令)。

7. 结论

Kubernetes可能被描述为一个声明式系统,而Kubernetes对象可能被描述为意向记录。
然而,当你推理Kubernetes和Kubernetes的行为时,你应该记住,Kubernetes不会做出协调的努力来过渡到所需的状态。
相反,Kubernetes会做出持续的、不协调的努力来过渡到稳定状态。


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posted @ 2020-11-08 22:12  大海星  阅读(204)  评论(0编辑  收藏  举报