Kubernetes 深入理解 Pod
一、為什么需要 Pod
容器的基本概念
現(xiàn)在來(lái)看第一個(gè)問(wèn)題：為什么需要 Pod？我們知道 Pod 是 Kubernetes 項(xiàng)目里面一個(gè)非常重要的概念，也是非常重要的一個(gè)原子調(diào)度單位，但是為什么我們會(huì)需要這樣一個(gè)概念呢？我們?cè)谑褂萌萜?Docker 的時(shí)候，也沒(méi)有這個(gè)說(shuō)法。其實(shí)如果要理解 Pod，我們首先要理解容器，所以首先來(lái)回顧一下容器的概念：
容器的本質(zhì)實(shí)際上是一個(gè)進(jìn)程，是一個(gè)視圖被隔離，資源受限的進(jìn)程。
容器里面 PID=1 的進(jìn)程就是應(yīng)用本身，這意味著管理虛擬機(jī)等于管理基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)槲覀兪窃诠芾頇C(jī)器，但管理容器卻等于直接管理應(yīng)用本身。這也是之前說(shuō)過(guò)的不可變基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)最佳體現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候，你的應(yīng)用就等于你的基礎(chǔ)設(shè)施，它一定是不可變的。
在以上面的例子為前提的情況下，Kubernetes 又是什么呢？我們知道，很多人都說(shuō) Kubernetes 是云時(shí)代的操作系統(tǒng)，這個(gè)非常有意思，因?yàn)槿绻源祟愅?#xff0c;容器鏡像就是這個(gè)操作系統(tǒng)的軟件安裝包，它們之間是這樣的一個(gè)類比關(guān)系。
真實(shí)操作系統(tǒng)里的例子
如果說(shuō) Kubernetes 就是操作系統(tǒng)的話，那么我們不妨看一下真實(shí)的操作系統(tǒng)的例子。
例子里面有一個(gè)程序叫做 Helloworld，這個(gè) Helloworld 程序?qū)嶋H上是由一組進(jìn)程組成的，需要注意一下，這里說(shuō)的進(jìn)程實(shí)際上等同于 Linux 中的線程。
因?yàn)?Linux 中的線程是輕量級(jí)進(jìn)程，所以如果從 Linux 系統(tǒng)中去查看 Helloworld 中的 pstree，將會(huì)看到這個(gè) Helloworld 實(shí)際上是由四個(gè)線程組成的，分別是?{api、main、log、compute}。也就是說(shuō)，四個(gè)這樣的線程共同協(xié)作，共享 Helloworld 程序的資源，組成了 Helloworld 程序的真實(shí)工作情況。
這是操作系統(tǒng)里面進(jìn)程組或者線程組中一個(gè)非常真實(shí)的例子，以上就是進(jìn)程組的一個(gè)概念。
?那么大家不妨思考一下，在真實(shí)的操作系統(tǒng)里面，一個(gè)程序往往是根據(jù)進(jìn)程組來(lái)進(jìn)行管理的。Kubernetes 把它類比為一個(gè)操作系統(tǒng)，比如說(shuō) Linux。針對(duì)于容器我們前面提到可以類比為進(jìn)程，就是前面的 Linux 線程。那么 Pod 又是什么呢？實(shí)際上 Pod 就是我們剛剛提到的進(jìn)程組，也就是 Linux 里的線程組。
進(jìn)程組概念
說(shuō)到進(jìn)程組，首先建議大家至少有個(gè)概念上的理解，然后我們?cè)僭敿?xì)的解釋一下。
還是前面那個(gè)例子：Helloworld 程序由四個(gè)進(jìn)程組成，這些進(jìn)程之間會(huì)共享一些資源和文件。那么現(xiàn)在有一個(gè)問(wèn)題：假如說(shuō)現(xiàn)在把 Helloworld 程序用容器跑起來(lái)，你會(huì)怎么去做？
當(dāng)然，最自然的一個(gè)解法就是，我現(xiàn)在就啟動(dòng)一個(gè) Docker 容器，里面運(yùn)行四個(gè)進(jìn)程。可是這樣會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，這種情況下容器里面 PID=1 的進(jìn)程該是誰(shuí)? 比如說(shuō)，它應(yīng)該是我的 main 進(jìn)程，那么問(wèn)題來(lái)了，“誰(shuí)”又負(fù)責(zé)去管理剩余的 3 個(gè)進(jìn)程呢？
這個(gè)核心問(wèn)題在于，容器的設(shè)計(jì)本身是一種“單進(jìn)程”模型，不是說(shuō)容器里只能起一個(gè)進(jìn)程，由于容器的應(yīng)用等于進(jìn)程，所以只能去管理 PID=1 的這個(gè)進(jìn)程，其他再起來(lái)的進(jìn)程其實(shí)是一個(gè)托管狀態(tài)。 所以說(shuō)服務(wù)應(yīng)用進(jìn)程本身就具有“進(jìn)程管理”的能力。
比如說(shuō) Helloworld 的程序有 system 的能力，或者直接把容器里 PID=1 的進(jìn)程直接改成 systemd，否則這個(gè)應(yīng)用，或者是容器是沒(méi)有辦法去管理很多個(gè)進(jìn)程的。因?yàn)?PID=1 進(jìn)程是應(yīng)用本身，如果現(xiàn)在把這個(gè) PID=1 的進(jìn)程給 kill 了，或者它自己運(yùn)行過(guò)程中死掉了，那么剩下三個(gè)進(jìn)程的資源就沒(méi)有人回收了，這個(gè)是非常非常嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題。
而反過(guò)來(lái)真的把這個(gè)應(yīng)用本身改成了 systemd，或者在容器里面運(yùn)行了一個(gè) systemd，將會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)問(wèn)題：使得管理容器，不再是管理應(yīng)用本身了，而等于是管理 systemd，這里的問(wèn)題就非常明顯了。比如說(shuō)我這個(gè)容器里面 run 的程序或者進(jìn)程是 systemd，那么接下來(lái)，這個(gè)應(yīng)用是不是退出了？是不是 fail 了？是不是出現(xiàn)異常失敗了？實(shí)際上是沒(méi)辦法直接知道的，因?yàn)槿萜鞴芾淼氖?systemd。這就是為什么在容器里面運(yùn)行一個(gè)復(fù)雜程序往往比較困難的一個(gè)原因。
這里再幫大家梳理一下：由于容器實(shí)際上是一個(gè)“單進(jìn)程”模型，所以如果你在容器里啟動(dòng)多個(gè)進(jìn)程，只有一個(gè)可以作為 PID=1 的進(jìn)程，而這時(shí)候，如果這個(gè) PID=1 的進(jìn)程掛了，或者說(shuō)失敗退出了，那么其他三個(gè)進(jìn)程就會(huì)自然而然的成為孤兒，沒(méi)有人能夠管理它們，沒(méi)有人能夠回收它們的資源，這是一個(gè)非常不好的情況。
?注意：Linux 容器的“單進(jìn)程”模型，指的是容器的生命周期等同于 PID=1 的進(jìn)程（容器應(yīng)用進(jìn)程）的生命周期，而不是說(shuō)容器里不能創(chuàng)建多進(jìn)程。當(dāng)然，一般情況下，容器應(yīng)用進(jìn)程并不具備進(jìn)程管理能力，所以你通過(guò) exec 或者 ssh 在容器里創(chuàng)建的其他進(jìn)程，一旦異常退出（比如 ssh 終止）是很容易變成孤兒進(jìn)程的。
?反過(guò)來(lái)，其實(shí)可以在容器里面 run 一個(gè) systemd，用它來(lái)管理其他所有的進(jìn)程。這樣會(huì)產(chǎn)生第二個(gè)問(wèn)題：實(shí)際上沒(méi)辦法直接管理我的應(yīng)用了，因?yàn)槲业膽?yīng)用被 systemd 給接管了，那么這個(gè)時(shí)候應(yīng)用狀態(tài)的生命周期就不等于容器生命周期。這個(gè)管理模型實(shí)際上是非常非常復(fù)雜的。
Pod = “進(jìn)程組”
在 kubernetes 里面，Pod 實(shí)際上正是 kubernetes 項(xiàng)目為你抽象出來(lái)的一個(gè)可以類比為進(jìn)程組的概念。
前面提到的，由四個(gè)進(jìn)程共同組成的一個(gè)應(yīng)用 Helloworld，在 Kubernetes 里面，實(shí)際上會(huì)被定義為一個(gè)擁有四個(gè)容器的 Pod，這個(gè)概念大家一定要非常仔細(xì)的理解。
就是說(shuō)現(xiàn)在有四個(gè)職責(zé)不同、相互協(xié)作的進(jìn)程，需要放在容器里去運(yùn)行，在 Kubernetes 里面并不會(huì)把它們放到一個(gè)容器里，因?yàn)檫@里會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)題。那么在 Kubernetes 里會(huì)怎么去做呢？它會(huì)把四個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程分別用四個(gè)獨(dú)立的容器啟動(dòng)起來(lái)，然后把它們定義在一個(gè) Pod 里面。
所以當(dāng) Kubernetes 把 Helloworld 給拉起來(lái)的時(shí)候，你實(shí)際上會(huì)看到四個(gè)容器，它們共享了某些資源，這些資源都屬于 Pod，所以我們說(shuō) Pod 在 Kubernetes 里面只有一個(gè)邏輯單位，沒(méi)有一個(gè)真實(shí)的東西對(duì)應(yīng)說(shuō)這個(gè)就是 Pod，不會(huì)有的。真正起來(lái)在物理上存在的東西，就是四個(gè)容器。這四個(gè)容器，或者說(shuō)是多個(gè)容器的組合就叫做 Pod。并且還有一個(gè)概念一定要非常明確，Pod 是 Kubernetes 分配資源的一個(gè)單位，因?yàn)槔锩娴娜萜饕蚕砟承┵Y源，所以 Pod 也是 Kubernetes 的原子調(diào)度單位。
上面提到的 Pod 設(shè)計(jì)，也不是 Kubernetes 項(xiàng)目自己想出來(lái)的， 而是早在 Google 研發(fā) Borg 的時(shí)候，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)在 Borg paper 里面有非常非常明確的描述。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) Google 工程師發(fā)現(xiàn)在 Borg 下面部署應(yīng)用時(shí)，很多場(chǎng)景下都存在著類似于“進(jìn)程與進(jìn)程組”的關(guān)系。更具體的是，這些應(yīng)用之前往往有著密切的協(xié)作關(guān)系，使得它們必須部署在同一臺(tái)機(jī)器上并且共享某些信息。
以上就是進(jìn)程組的概念，也是 Pod 的用法。
為什么 Pod 必須是原子調(diào)度單位？
可能到這里大家會(huì)有一些問(wèn)題：雖然了解這個(gè)東西是一個(gè)進(jìn)程組，但是為什么要把 Pod 本身作為一個(gè)概念抽象出來(lái)呢？或者說(shuō)能不能通過(guò)調(diào)度把 Pod 這個(gè)事情給解決掉呢？為什么 Pod 必須是 Kubernetes 里面的原子調(diào)度單位？
下面我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)解釋。
假如現(xiàn)在有兩個(gè)容器，它們是緊密協(xié)作的，所以它們應(yīng)該被部署在一個(gè) Pod 里面。具體來(lái)說(shuō)，第一個(gè)容器叫做 App，就是業(yè)務(wù)容器，它會(huì)寫(xiě)日志文件；第二個(gè)容器叫做 LogCollector，它會(huì)把剛剛 App 容器寫(xiě)的日志文件轉(zhuǎn)發(fā)到后端的 ElasticSearch 中。
兩個(gè)容器的資源需求是這樣的：App 容器需要 1G 內(nèi)存，LogCollector 需要 0.5G 內(nèi)存，而當(dāng)前集群環(huán)境的可用內(nèi)存是這樣一個(gè)情況：Node_A：1.25G 內(nèi)存，Node_B：2G 內(nèi)存。
假如說(shuō)現(xiàn)在沒(méi)有 Pod 概念，就只有兩個(gè)容器，這兩個(gè)容器要緊密協(xié)作、運(yùn)行在一臺(tái)機(jī)器上。可是，如果調(diào)度器先把 App 調(diào)度到了 Node_A 上面，接下來(lái)會(huì)怎么樣呢？這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)：LogCollector 實(shí)際上是沒(méi)辦法調(diào)度到 Node_A 上的，因?yàn)橘Y源不夠。其實(shí)此時(shí)整個(gè)應(yīng)用本身就已經(jīng)出問(wèn)題了，調(diào)度已經(jīng)失敗了，必須去重新調(diào)度。
以上就是一個(gè)非常典型的成組調(diào)度失敗的例子。英文叫做：Task co-scheduling 問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題不是說(shuō)不能解，在很多項(xiàng)目里面，這樣的問(wèn)題都有解法。
比如說(shuō)在 Mesos 里面，它會(huì)做一個(gè)事情，叫做資源囤積（resource hoarding）：即當(dāng)所有設(shè)置了 Affinity 約束的任務(wù)都達(dá)到時(shí)，才開(kāi)始統(tǒng)一調(diào)度，這是一個(gè)非常典型的成組調(diào)度的解法。
所以上面提到的“App”和“LogCollector”這兩個(gè)容器，在 Mesos 里面，他們不會(huì)說(shuō)立刻調(diào)度，而是等兩個(gè)容器都提交完成，才開(kāi)始統(tǒng)一調(diào)度。這樣也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，首先調(diào)度效率會(huì)損失，因?yàn)樾枰却Ｓ捎谛枰冗€會(huì)有外一個(gè)情況會(huì)出現(xiàn)，就是產(chǎn)生死鎖，就是互相等待的一個(gè)情況。這些機(jī)制在 Mesos 里都是需要解決的，也帶來(lái)了額外的復(fù)雜度。
另一種解法是 Google 的解法。它在 Omega 系統(tǒng)（就是 Borg 下一代）里面，做了一個(gè)非常復(fù)雜且非常厲害的解法，叫做樂(lè)觀調(diào)度。比如說(shuō)：不管這些沖突的異常情況，先調(diào)度，同時(shí)設(shè)置一個(gè)非常精妙的回滾機(jī)制，這樣經(jīng)過(guò)沖突后，通過(guò)回滾來(lái)解決問(wèn)題。這個(gè)方式相對(duì)來(lái)說(shuō)要更加優(yōu)雅，也更加高效，但是它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是非常復(fù)雜的。這個(gè)有很多人也能理解，就是悲觀鎖的設(shè)置一定比樂(lè)觀鎖要簡(jiǎn)單。
而像這樣的一個(gè) Task co-scheduling 問(wèn)題，在 Kubernetes 里，就直接通過(guò) Pod 這樣一個(gè)概念去解決了。因?yàn)樵?Kubernetes 里，這樣的一個(gè) App 容器和 LogCollector 容器一定是屬于一個(gè) Pod 的，它們?cè)谡{(diào)度時(shí)必然是以一個(gè) Pod 為單位進(jìn)行調(diào)度，所以這個(gè)問(wèn)題是根本不存在的。
再次理解 Pod
在講了前面這些知識(shí)點(diǎn)之后，我們來(lái)再次理解一下 Pod，首先 Pod 里面的容器是“超親密關(guān)系”。
這里有個(gè)“超”字需要大家理解，正常來(lái)說(shuō)，有一種關(guān)系叫做親密關(guān)系，這個(gè)親密關(guān)系是一定可以通過(guò)調(diào)度來(lái)解決的。
比如說(shuō)現(xiàn)在有兩個(gè) Pod，它們需要運(yùn)行在同一臺(tái)宿主機(jī)上，那這樣就屬于親密關(guān)系，調(diào)度器一定是可以幫助去做的。但是對(duì)于超親密關(guān)系來(lái)說(shuō)，有一個(gè)問(wèn)題，即它必須通過(guò) Pod 來(lái)解決。因?yàn)槿绻H密關(guān)系賦予不了，那么整個(gè) Pod 或者說(shuō)是整個(gè)應(yīng)用都無(wú)法啟動(dòng)。
什么叫做超親密關(guān)系呢？大概分為以下幾類：
- 比如說(shuō)兩個(gè)進(jìn)程之間會(huì)發(fā)生文件交換，前面提到的例子就是這樣，一個(gè)寫(xiě)日志，一個(gè)讀日志；
- 兩個(gè)進(jìn)程之間需要通過(guò) localhost 或者說(shuō)是本地的 Socket 去進(jìn)行通信，這種本地通信也是超親密關(guān)系；
- 這兩個(gè)容器或者是微服務(wù)之間，需要發(fā)生非常頻繁的 RPC 調(diào)用，出于性能的考慮，也希望它們是超親密關(guān)系；
- 兩個(gè)容器或者是應(yīng)用，它們需要共享某些 Linux Namespace。最簡(jiǎn)單常見(jiàn)的一個(gè)例子，就是我有一個(gè)容器需要加入另一個(gè)容器的 Network Namespace。這樣我就能看到另一個(gè)容器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，和它的網(wǎng)絡(luò)信息。
?二、Pod 的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
Pod 要解決的問(wèn)題
像 Pod 這樣一個(gè)東西，本身是一個(gè)邏輯概念。那在機(jī)器上，它究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？這就是我們要解釋的第二個(gè)問(wèn)題。
既然說(shuō) Pod 要解決這個(gè)問(wèn)題，核心就在于如何讓一個(gè) Pod 里的多個(gè)容器之間最高效的共享某些資源和數(shù)據(jù)。?
因?yàn)槿萜髦g原本是被 Linux Namespace 和 cgroups 隔開(kāi)的，所以現(xiàn)在實(shí)際要解決的是怎么去打破這個(gè)隔離，然后共享某些事情和某些信息。這就是 Pod 的設(shè)計(jì)要解決的核心問(wèn)題所在。?
所以說(shuō)具體的解法分為兩個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)。?
1.共享網(wǎng)絡(luò)
第一個(gè)問(wèn)題是 Pod 里的多個(gè)容器怎么去共享網(wǎng)絡(luò)？下面是個(gè)例子：
比如說(shuō)現(xiàn)在有一個(gè) Pod，其中包含了一個(gè)容器 A 和一個(gè)容器 B，它們兩個(gè)就要共享 Network Namespace。在 Kubernetes 里的解法是這樣的：它會(huì)在每個(gè) Pod 里，額外起一個(gè) Infra container 小容器來(lái)共享整個(gè) Pod 的? Network Namespace。
Infra container 是一個(gè)非常小的鏡像，大概 100~200KB 左右，是一個(gè)匯編語(yǔ)言寫(xiě)的、永遠(yuǎn)處于“暫停”狀態(tài)的容器。由于有了這樣一個(gè) Infra container 之后，其他所有容器都會(huì)通過(guò) Join Namespace 的方式加入到 Infra container 的 Network Namespace 中。
所以說(shuō)一個(gè) Pod 里面的所有容器，它們看到的網(wǎng)絡(luò)視圖是完全一樣的。即：它們看到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、IP地址、Mac地址等等，跟網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的信息，其實(shí)全是一份，這一份都來(lái)自于 Pod 第一次創(chuàng)建的這個(gè) Infra container。這就是 Pod 解決網(wǎng)絡(luò)共享的一個(gè)解法。?
在 Pod 里面，一定有一個(gè) IP 地址，是這個(gè) Pod 的 Network Namespace 對(duì)應(yīng)的地址，也是這個(gè) Infra container 的 IP 地址。所以大家看到的都是一份，而其他所有網(wǎng)絡(luò)資源，都是一個(gè) Pod 一份，并且被 Pod 中的所有容器共享。這就是 Pod 的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式。
由于需要有一個(gè)相當(dāng)于說(shuō)中間的容器存在，所以整個(gè) Pod 里面，必然是 Infra container 第一個(gè)啟動(dòng)。并且整個(gè) Pod 的生命周期是等同于 Infra container 的生命周期的，與容器 A 和 B 是無(wú)關(guān)的。這也是為什么在 Kubernetes 里面，它是允許去單獨(dú)更新 Pod 里的某一個(gè)鏡像的，即：做這個(gè)操作，整個(gè) Pod 不會(huì)重建，也不會(huì)重啟，這是非常重要的一個(gè)設(shè)計(jì)。
2.共享存儲(chǔ)
第二問(wèn)題：Pod 怎么去共享存儲(chǔ)？Pod 共享存儲(chǔ)就相對(duì)比較簡(jiǎn)單。
比如說(shuō)現(xiàn)在有兩個(gè)容器，一個(gè)是 Nginx，另外一個(gè)是非常普通的容器，在 Nginx 里放一些文件，讓我能通過(guò) Nginx 訪問(wèn)到。所以它需要去 share 這個(gè)目錄。我 share 文件或者是 share 目錄在 Pod 里面是非常簡(jiǎn)單的，實(shí)際上就是把 volume 變成了 Pod level。然后所有容器，就是所有同屬于一個(gè) Pod 的容器，他們共享所有的 volume。
比如說(shuō)上圖的例子，這個(gè) volume 叫做 shared-data，它是屬于 Pod level 的，所以在每一個(gè)容器里可以直接聲明：要掛載 shared-data 這個(gè) volume，只要你聲明了你掛載這個(gè) volume，你在容器里去看這個(gè)目錄，實(shí)際上大家看到的就是同一份。這個(gè)就是 Kubernetes 通過(guò) Pod 來(lái)給容器共享存儲(chǔ)的一個(gè)做法。
所以在之前的例子中，應(yīng)用容器 App 寫(xiě)了日志，只要這個(gè)日志是寫(xiě)在一個(gè) volume 中，只要聲明掛載了同樣的 volume，這個(gè) volume 就可以立刻被另外一個(gè) LogCollector 容器給看到。以上就是 Pod 實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的方式。?
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Kubernetes 深入理解 Pod的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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