Kubernetes（簡(jiǎn)稱K8S）是一個(gè)開源的容器編排平臺(tái)，用于自動(dòng)化容器化應(yīng)用的部署、擴(kuò)展和管理。在Kubernetes中，Pod是最小的部署單元。理解Pod的概念對(duì)于掌握Kubernetes至關(guān)重要。本篇文章將詳細(xì)解釋什么是Kubernetes Pod，并通過實(shí)際例子幫助讀者更好地理解這一概念。

一、什么是 Kubernetes Pod？

在了解 Kubernetes Pod 概念之前，先來了解容器容器，眾所周知，是一個(gè)自包含的環(huán)境，用于打包應(yīng)用程序及其依賴項(xiàng)。通常，一個(gè)容器運(yùn)行單個(gè)進(jìn)程（盡管也有方法可以運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程）。每個(gè)容器都有一個(gè)IP地址，并且可以附加存儲(chǔ)卷以及控制CPU和內(nèi)存資源等。這些都是通過命名空間和控制組（namespaces and control groups）的概念實(shí)現(xiàn)的。

Kubernetes 是一個(gè)用于部署、擴(kuò)展和管理容器化應(yīng)用程序的容器編排系統(tǒng)，它有自己運(yùn)行容器的方式，我們稱之為 Pod。Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署單元，代表一個(gè)應(yīng)用程序的單個(gè)實(shí)例。

例如，如果你想運(yùn)行 Nginx 應(yīng)用程序，你可以將它運(yùn)行在一個(gè) Pod 中。

1.那么，Pod 與容器有何不同呢？

容器是一個(gè)單獨(dú)的單位。然而，Pod 可以包含多個(gè)容器。你可以將 Pod 想象成一個(gè)可以同時(shí)容納一個(gè)或多個(gè)容器的盒子。

Pod 提供了更高層次的抽象，允許你將多個(gè)容器作為一個(gè)單元進(jìn)行管理。在這里，每個(gè)容器不再單獨(dú)獲得 IP 地址，而是 Pod 獲得一個(gè)唯一的 IP 地址，并且運(yùn)行在 Pod 內(nèi)的容器通過 localhost 在不同端口上相互連接。

這意味著 Kubernetes Pod 內(nèi)的容器共享以下內(nèi)容：

• 網(wǎng)絡(luò)命名空間：Pod 內(nèi)的所有容器通過 localhost 進(jìn)行通信。
• IPC 命名空間：所有容器使用共享的進(jìn)程間通信命名空間。
• UTS 命名空間：所有容器共享相同的主機(jī)名。

2.Pod 內(nèi)的容器不共享什么？

• 默認(rèn)情況下，PID 命名空間不共享，但 Kubernetes 提供選項(xiàng)，通過 shareProcessNamespace 選項(xiàng)在 Pod 內(nèi)啟用進(jìn)程共享。
• 掛載命名空間不在容器之間共享。每個(gè)容器都有自己的私有文件系統(tǒng)和目錄。然而，Pod 掛載的存儲(chǔ)卷在容器之間共享。

總的來說，你需要了解以下關(guān)于 Pod 的信息：

• Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署單元。
• Pod 具有短暫性；它們可以被創(chuàng)建、刪除和更新。
• 一個(gè) Pod 可以有多個(gè)容器；沒有限制一個(gè) Pod 中可以運(yùn)行多少個(gè)容器。
• 每個(gè) Pod 都有一個(gè)唯一的 IP 地址。
• Pod 之間通過 IP 地址進(jìn)行通信。
• Pod 內(nèi)的容器使用 localhost 通過不同的端口進(jìn)行連接。
• 在 Pod 內(nèi)運(yùn)行的容器應(yīng)該有不同的端口號(hào)，以避免端口沖突。
• 你可以為 Pod 內(nèi)運(yùn)行的每個(gè)容器設(shè)置 CPU 和內(nèi)存資源。
• Pod 內(nèi)的容器共享相同的存儲(chǔ)卷掛載。
• Pod 內(nèi)的所有容器都調(diào)度到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上；它不能跨多個(gè)節(jié)點(diǎn)。
• 如果有多個(gè)容器，在 Pod 啟動(dòng)期間，所有主要容器并行啟動(dòng)。而 Pod 內(nèi)的 init 容器按順序運(yùn)行。

二、Pod YAML

現(xiàn)在我們已經(jīng)對(duì) Pod 有了基本的了解，接下來看看如何定義 Pod。Pod 是原生的 Kubernetes 對(duì)象，如果你想創(chuàng)建一個(gè) Pod，需要以 YAML 格式聲明 Pod 的需求。你也可以使用 kubectl 命令創(chuàng)建 Pod，這將在后面的主題中介紹。

以下是一個(gè)創(chuàng)建 Nginx Web 服務(wù)器 Pod 的 Pod YAML 示例。這個(gè) YAML 文件只是一個(gè) Pod 的聲明性期望狀態(tài)。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-server-pod
  labels:
    app: web-server
    environment: production
  annotations:
    description: This pod runs the web server
spec:
  containers:
  - name: web-server
    image: nginx:latest
    ports:
    - containerPort: 80

讓我們來了解這個(gè) Pod YAML。一旦你理解了基本的 YAML 格式，就會(huì)更容易操作 Pod 和相關(guān)對(duì)象，如 Deployment、DaemonSet、StatefulSet 等。

每個(gè) Kubernetes 對(duì)象都有一些通用的參數(shù)。這些參數(shù)的值會(huì)根據(jù)我們創(chuàng)建的對(duì)象類型而變化。讓我們看看 Kubernetes Pod 對(duì)象。

我們現(xiàn)在已經(jīng)看到了一個(gè)基本的Pod YAML清單。需要注意的是，這個(gè)清單文件支持許多參數(shù)。我們將逐步探索這些額外的參數(shù)與實(shí)踐的方法。

現(xiàn)在我們對(duì)Pod有了一些基本的了解，讓我們創(chuàng)建一個(gè)Pod。

三、創(chuàng)建Pod

你可以用兩種方法創(chuàng)建pod：

• 使用kubectl命令式命令：主要用于學(xué)習(xí)和測(cè)試目的。命令式命令有其自身的局限性。
• 聲明式方法：使用YAML方式。在開發(fā)項(xiàng)目時(shí)，YAML清單文件用于部署pods。

讓我們看看這兩個(gè)方式。我們將使用以下內(nèi)容創(chuàng)建一個(gè)NGINX pod：

• pod的名稱是web-server-pod
• 它應(yīng)該有標(biāo)簽:app: web-server和environment: production
• 添加一個(gè)注釋來描述pod。
• 使用nginx:1.14.2容器鏡像。
• 暴露集裝箱端口80。

方法1:使用Kubectl命令創(chuàng)建Pod

對(duì)于討論的pod需求，這里是kubectl命令。

kubectl run web-server-pod \
  --image=nginx:1.14.2 \
  --restart=Never \
  --port=80 \
  --labels=app=web-server,environment=production \
  --annotations description="This pod runs the web server"

在這里，pod被部署在默認(rèn)命名空間中。你可以獲得部署的pod kubectl的狀態(tài)。

kubectl get pods

部署pod后，您將看到pod的運(yùn)行狀態(tài)，如下所示。在我們的例子中，pod中只有一個(gè)容器。所以它顯示1/1就緒并運(yùn)行。

如果你想知道運(yùn)行pod的所有細(xì)節(jié)，可以使用kubectl describe pod。

kubectl describe pod web-server-pod

在下面的輸出中，你可以看到pod的所有細(xì)節(jié)。它的IP地址、命名空間、容器細(xì)節(jié)、QoS類等。

這里是描述命令顯示的所有重要pod信息的圖形視圖。

現(xiàn)在讓我們使用以下命令刪除pod。

kubectl delete pod web-server-pod

方法2：使用聲明式Y(jié)AML創(chuàng)建Pod

在實(shí)際項(xiàng)目中，你將不得不通過聲明的方法來創(chuàng)建pods。

讓我們看看如何使用YAML清單文件創(chuàng)建pod。

創(chuàng)建名為nginx的文件。內(nèi)容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-server-pod
  labels:
    app: web-server
    environment: production
  annotations:
    description: This pod runs the web server
spec:
  containers:
  - name: web-server
    image: nginx:1.14.2
    ports:
    - containerPort: 80

現(xiàn)在，要部署清單文件，您需要使用文件名執(zhí)行以下kubectl命令：

kubectl create -f nginx.yaml

我們應(yīng)該記住創(chuàng)建YAML時(shí)的每個(gè)參數(shù)嗎?不用。你可以使用--dry-run標(biāo)志創(chuàng)建YAML文件：

kubectl run nginx-pod --image=nginx:1.14.2 --dry-run=client -o yaml

四、訪問在 Pod 中運(yùn)行的應(yīng)用程序

現(xiàn)在我們有了一個(gè)運(yùn)行中的pod和Nginx web服務(wù)器。整個(gè)想法是部署和訪問在pod中運(yùn)行的應(yīng)用程序。

Kubectl提供了一個(gè)port-forward命令來從本地工作站訪問Kubernetes集群中運(yùn)行的pods。

我們有一個(gè)名為web-server-pod的運(yùn)行pod。讓我們通過port-forward命令訪問它。

現(xiàn)在，如果您打開瀏覽器并訪問http://localhost:8080，您應(yīng)該會(huì)看到如下所示的Nginx主頁。網(wǎng)頁由我們的Nginx web服務(wù)器pod提供服務(wù)。

現(xiàn)在你可以按CTRL+C斷開端口轉(zhuǎn)發(fā)。

以下是運(yùn)行kubectl port-forward時(shí)發(fā)生的情況：

• Kubectl綁定本地系統(tǒng)中的指定端口。在我們的例子中是8080。
• 然后，它與Kubernetes集群API通信，以建立到所需節(jié)點(diǎn)的隧道(單個(gè)HTTP連接)，然后到指定的pod和容器端口(80)。

注意:kubectl端口轉(zhuǎn)發(fā)更多的是一個(gè)調(diào)試實(shí)用程序。你需要使用Kubernetes服務(wù)對(duì)象來公開在pod中運(yùn)行的應(yīng)用程序。我們將在另一個(gè)博客中實(shí)際地研究Kubernetes service 的概念。

五、訪問 Pod Shell

我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何訪問在pod中運(yùn)行的應(yīng)用程序。

現(xiàn)在如果你想進(jìn)入Pod shell怎么辦?

有許多用例需要終端訪問pod。一個(gè)主要用例是調(diào)試和故障排除。

這就是kubectl exec命令派上用場(chǎng)的地方。

您可以使用以下命令訪問web-server-pod的shell。

kubectl exec -it web-server-pod -- /bin/sh

在下面的輸出中，我正在pod內(nèi)執(zhí)行whoami命令。

六、Pod 的生命周期

關(guān)于pod你應(yīng)該知道的另一個(gè)重要概念是它的生命周期。pod通常由ReplicaSet controller、Deployment controller等控制器管理。當(dāng)您使用YAML創(chuàng)建單個(gè)pod時(shí)，它不受任何控制器的管理。在這兩種情況下，pod都會(huì)經(jīng)歷不同的生命周期階段。Pod的生命周期包括以下幾個(gè)階段：

• Pending：Pod已被Kubernetes API Server接受，但還沒有被調(diào)度到Node上。
• Running：Pod已被調(diào)度到Node上，所有容器都已啟動(dòng)。
• Succeeded：Pod中的所有容器都正常終止，且不會(huì)再被重啟。
• Failed：Pod中的某個(gè)容器意外終止，且不會(huì)再被重啟。
• Unknown：由于某種原因，無法獲取Pod的狀態(tài)。

如果你通過kubectl describe pod命令查看Pod的詳細(xì)信息，你可以看到Pod的狀態(tài)。這里有一個(gè)例子。

七、Pod 功能

我們已經(jīng)部署了一個(gè)簡(jiǎn)單的Nginx pod，配置非常少。但是，pod具有許多用于資源管理、配置、機(jī)密、可用性、安全性等方面的特性。

如果你是初學(xué)者，一次性學(xué)習(xí)所有這些概念將是多余的。在使用與pod相關(guān)的對(duì)象(如具有實(shí)際用例的Deployment)時(shí)，學(xué)習(xí)所有這些概念更有意義。

此外，您需要通過實(shí)際用例詳細(xì)了解每個(gè)特性。

以下是與pod相關(guān)的主要特性：

• Resource Requests and Limits: Pod CPU/內(nèi)存分配
• Labels: 附加在pod上的鍵值對(duì)，用于對(duì)資源進(jìn)行分類。
• Selectors: 根據(jù)標(biāo)簽對(duì)資源進(jìn)行分組。
• Liveness, Readiness和Startup Probes: 容器運(yùn)行狀況檢查
• ConfigMaps: 用于配置管理
• Secrets: 用于秘密管理
• Volumes: 持久數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
• Init Containers: 在主容器之前運(yùn)行的容器。
• Ephemeral Containers: 添加到pod中的臨時(shí)容器，用于調(diào)試或故障排除。
• Service Account: :用于限制對(duì)Kubernetes對(duì)象和資源的訪問。
• SecurityContext：主機(jī)權(quán)限和特權(quán)。
• Affinity and Anti-Affinity Rules: 跨節(jié)點(diǎn)的Pod放置控制。
• Pod Preemption & Priority: 設(shè)置Pod調(diào)度和驅(qū)逐的優(yōu)先級(jí)。
• Pod Disruption Budget: 在自愿中斷期間需要運(yùn)行的Pod副本的最小數(shù)量。
• Container Life Cycle Hooks:根據(jù)pod的生命周期階段變化執(zhí)行自定義腳本。

全面的 Pod YAML 配置

如果您添加我上面列出的pod特性，您將得到一個(gè)全面的pod YAML配置，如下所示。此外，這些選項(xiàng)將與Deployment、Statefulset等對(duì)象一起使用。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: web-server-pod
spec:
  initContainers:
  - name: init-myservice
    image: busybox:1.28
    command: ['sh', '-c', 'echo "Init container started!"']
  containers:
  - name: web-server
    image: nginx:latest
    ports:
    - containerPort: 80
    volumeMounts:
    - name: shared-data
      mountPath: /usr/share/nginx/html
    - name: secret-volume
      mountPath: /etc/my-secret
    - name: configmap-volume
      mountPath: /etc/config
    securityContext:
      capabilities:
        add: ["NET_ADMIN", "SYS_TIME"]
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"
    readinessProbe:
      httpGet:
        path: /index.html
        port: 80
      initialDelaySeconds: 5
      periodSeconds: 5
    livenessProbe:
      httpGet:
        path: /index.html
        port: 80
      initialDelaySeconds: 15
      periodSeconds: 20
    startupProbe:
      httpGet:
        path: /index.html
        port: 80
      failureThreshold: 30
      periodSeconds: 10
    lifecycle:
      postStart:
        exec:
          command: ["/bin/sh", "-c", "echo 'PostStart'"]
      preStop:
        exec:
          command: ["/bin/sh", "-c", "echo 'PreStop'"]
  serviceAccountName: nginx-service-account   
  securityContext:                        
    runAsUser: 1000
    runAsGroup: 3000
    fsGroup: 2000
  shareProcessNamespace: true
  volumes:
  - name: shared-data
    emptyDir: {}
  - name: secret-volume
    secret:
      secretName: nginx-secret
  - name: configmap-volume
    configMap:
      name: nginx-configmap

八、Pod 關(guān)聯(lián)對(duì)象

當(dāng)談到在Kubernetes上運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，我們不會(huì)運(yùn)行單個(gè)pod。因?yàn)镵ubernetes是關(guān)于擴(kuò)展和維護(hù)pod可用性的。

所以如果你運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)的pod，它將是一個(gè)單點(diǎn)故障。因?yàn)镻od本身不能直接縮放。

正如我們?cè)贙ubernetes架構(gòu)中討論的那樣，我們需要像Replicaset這樣的控制器來確保始終運(yùn)行所需數(shù)量的pod。

針對(duì)不同的用例，Kubernetes有不同類型的對(duì)象與pod相關(guān)聯(lián)。

以下是與pod相關(guān)的重要對(duì)象：

• Replicaset: 維護(hù)一組穩(wěn)定的pod副本在任何給定時(shí)間運(yùn)行。
• Deployment: 運(yùn)行無狀態(tài)應(yīng)用程序，如web服務(wù)器、api等
• StatefulSets: 運(yùn)行有狀態(tài)的應(yīng)用程序，如分布式數(shù)據(jù)庫。
• Daemonsets: 在所有Kubernetes節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行代理。
• Jobs: 用于批處理
• CronJobs: 計(jì)劃的作業(yè)

總結(jié)

Kubernetes Pod是容器編排的基本單元，包含一個(gè)或多個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)的容器。通過理解Pod的概念和生命周期，我們可以更有效地在Kubernetes中部署和管理應(yīng)用。本文通過一個(gè)簡(jiǎn)單的Nginx Pod示例展示了如何創(chuàng)建和訪問Pod，希望能幫助讀者更好地理解Kubernetes Pod的基本原理。