使用 Kubernetes 来管理 Docker 扩展

Kubernetes 是一款开源的项目，管理 Linux 容器集群，并可将集群作为一个单一的系统来对待。其可跨多主机来管理和运行 Docker 容器、提供容器的定位、服务发现以及复制控制。它由 Google 发起，现在得到了如微软、红帽、IBM 和Docker 等众多厂商的支持。

Google 使用容器技术有着超过十年的历史，每周要启动超过2 亿台容器。通过Kubernetes，Google 分享了他们关于容器的专业经验，即创建大规模运行容器的开放平台。

一旦用户开始使用Docker 容器，那么问题就来了，一、如何跨多个Docker 主机扩展和启动容器，且能够在主机间平衡这些容器。二、还需要高度抽象出API 来定义如何从逻辑上组织容器、定义容器池、负载均衡以及关联性。该项目就是为了解决这两个问题而生的。

Kubernetes 仍然处于早期阶段，这也就意味着会有很多新的变化进入到该项目，目前还仅有比较简单的实例，仍需要加入新的功能，但是它正在一步一步地平稳发展，也得到了很多大公司的支持，前途无量。

Kubernetes 概念

Kubernetes 的架构被定义为由一个 master 服务器和多个 minons 服务器组成。命令行工具连接到 master 服务器的 API 端点，其可以管理和编排所有的 minons 服务器，Docker 容器接收来自 master 服务器的指令并运行容器。

• Master：Kubernetes API 服务所在，多 Master 的配置仍在开发中。
• Minons：每个具有 Kubelet 服务的 Docker 主机，Kubelet 服务用于接收来自 Master 的指令，且管理运行容器的主机。
• Pod ：定义了一组绑在一起的容器，可以部署在同一 Minons 中，例如一个数据库或者是 web 服务器。
• Replication controller ：定义了需要运行多少个 Pod 或者容器。跨多个 minons 来调度容器。
• Service：定义了由容器所发布的可被发现的服务／端口，以及外部代理通信。服务会映射端口到外部可访问的端口，而所映射的端口是跨多个 minons 的 Pod 内运行的容器的端口。
• kubecfg：命令行客户端，连接到 master 来管理 Kubernetes。

（点击图片可放大显示）

Kubernetes 由状态所定义，而不是进程。当你定义了一个 pod 时，Kubernetes 会设法确保它会一直运行。如果其中的某个容器挂掉了，Kubernetes 会设法再启动一个新的容器。如果一个复制控制器定义了 3 份复制，Kubernetes 会设法一直运行这 3 份，根据需要来启动和停止容器。

本文中所用的例子应用是 Jenkins 持续集成服务，Jenkins 是典型的通过主从服务来建立分布式的工作任务的例子。Jenkins 由 jenkins swarm 插件来配置，运行一个 jenkins 主服务和多个 jenkins 从服务，所有的 Jenkins 服务都以 Docker 容器的方式跨多个主机运行。swarm 从服务在启动时连接到 Jenkins 主服务，然后就可以运行 Jenkins 任务了。例子中使用的配置文件可以从Github 上下载到，而该Docker 镜像可以从 casnchez/jenkins-swarm 获取，对于 Jenkins 主服务来说，可以通过 swarm 插件来扩展官方 Jenkins 镜像。对于 jenkins 从服务来说，可以从 csanchez/jenkins-swarm-slave 获取，它只是在 JVM 容器中运行了 jenkins 从服务而已。

创建 Kubernetes 集群

Kubernetes 提供了多个操作系统和云／虚拟化提供商下创建集群的脚本，有 Vagrant（用于本地测试）、Google Compute Engine、Azure、Rackspace 等。

本文所实践的例子就是运行在 Vagrant 之上的本地集群，使用 Fedora 作为操作系统，遵照的是官方入门指南，测试的 Kubernetes 版本是 0.5.4。取代了默认的 3 个 minion（Docker 主机），而是使用了 2 个 minion，两台主机就足以展示 Kubernetes 的能力了，三台有点浪费。

当你下载了 Kubernetes ，然后将至解压后，即可在本地的目录下运行这些示例了。初学者创建集群仅需要一个命令，即./cluster/kube-up.sh。

 
$ export KUBERNETES_PROVIDER=vagrant
$ export KUBERNETES_NUM_MINIONS=2
$ ./cluster/kube-up.sh

获取示例配置文件：

 
$ git clone https://github.com/carlossg/kubernetes-jenkins.git

集群创建的快慢取决于机器的性能和内部的带宽。但是其最终完成不能有任何的错误，而且它仅需要运行一次。

命令行工具

和 Kubernetes 交互的命令行工具叫做 kubecfg，此脚本位于 cluster/kubecfg.sh。

为了检验我们刚才创建的两个 minons 已经启动并运行了，只需运行 kubecfg list minions 命令即可，它的结果会显示 Vagrant 的两台虚拟机。

 
$ ./cluster/kubecfg.sh list minions
 
Minion identifier
----------
10.245.2.2
10.245.2.3

Pod

在 Kubernetes 的术语中，Jenkins 主服务被定义为一个 pod 。在一个 pod 中可以指定多个容器，这些容器均部署在同一 Docker 主机中，在一个 pod 中的容器的优势在于可以共享资源，例如存储卷，而且使用相同的网络命名空间和IP 地址。默认的卷是空的目录，类型为emptyDir，它的生存时间就是pod 的生命周期，而并非是指定的容器，所以如果一个容器失效了，但是其持久性的存储仍然在。另外一个卷的类型是hostDir，它是将主机的一个目录挂载到容器中。

在这个具体的Jenkins 示例中，我们所创建的pod 是两个容器，分别是Jenkins 主服务和MySQL，前者作为实例，后者作为数据库。然而我们只需要关心jenkins 主服务容器即可。

为了创建一个Jenkins pod，我们运行定义了Jenkins 容器pod 的kubecfg，使用Docker 镜像csanchez/jenkins-swarm，为了能够访问Jenkins 的Web 界面和从服务的API，我们将主机的端口8080 和50000 映射到容器，以及将/var/jenkins_home 挂载为卷。读者可从 Github 下载到示例代码。

Jenkins Web 界面的 pod（pod.json）的定义如下：

 
{
 "id": "jenkins",
 "kind": "Pod",
 "apiVersion": "v1beta1",
 "desiredState": {
   "manifest": {
     "version": "v1beta1",
     "id": "jenkins",
     "containers": [
       {
         "name": "jenkins",
         "image": "csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3",
         "ports": [
           {
             "containerPort": 8080,
             "hostPort": 8080
           },
           {
             "containerPort": 50000,
             "hostPort": 50000
           }
         ],
         "volumeMounts": [
           {
             "name": "jenkins-data",
             "mountPath": "/var/jenkins_home"
           }
         ]
       }
     ],
     "volumes": [
       {
         "name": "jenkins-data",
         "source": {
           "emptyDir": {}
         }
       }
     ]
   }
 },
 "labels": {
   "name": "jenkins"
 }
}

然后使用下面命令来创建：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh -c kubernetes-jenkins/pod.json create pods
 
Name                Image(s)                           Host                Labels              Status
----------          ----------                         ----------          ----------          ----------
jenkins             csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3   <unassigned>        name=jenkins        Pending</unassigned>

这需要等待一段时间，具体时间的长短要视你的网络而定，因为它会从 Docker Hub 上下载 Docker 镜像到 minion，我们可以查看它的状态，以及在那个 minion 中启动了。

 
$ ./cluster/kubecfg.sh list pods
Name                Image(s)                           Host                    Labels              Status
----------          ----------                         ----------              ----------          ----------
jenkins             csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3   10.0.29.247/10.0.29.247   name=jenkins        Running

如果我们使用 SSH 登录到 minion 中，此 minion 即是 pod 被分配到的 minion-1 或 minion-2，我们就可以看到 Docker 按照所定义的那样启动起来了。其中还包括了用于 Kubernetes 内部管理的容器（kubernetes/pause 和 google/cadvisor）。

 
$ vagrant ssh minion-2 -c "docker ps"
 
CONTAINER ID        IMAGE                              COMMAND                CREATED             STATUS              PORTS                                              NAMES
7f6825a80c8a        google/cadvisor:0.6.2              "/usr/bin/cadvisor"    3 minutes ago       Up 3 minutes                                                           k8s_cadvisor.b0dae998_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0.default.file_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0_28df406a
5c02249c0b3c        csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3   "/usr/local/bin/jenk   3 minutes ago       Up 3 minutes                                                           k8s_jenkins.f87be3b0_jenkins.default.etcd_901e8027-759b-11e4-bfd0-0800279696e1_bf8db75a
ce51fda15f55        kubernetes/pause:go                "/pause"               10 minutes ago      Up 10 minutes                                                          k8s_net.dbcb7509_0d38f5b2-759c-11e4-bfd0-0800279696e1.default.etcd_0d38fa52-759c-11e4-bfd0-0800279696e1_e4e3a40f
e6f00165d7d3        kubernetes/pause:go                "/pause"               13 minutes ago      Up 13 minutes       0.0.0.0:8080->8080/tcp, 0.0.0.0:50000->50000/tcp   k8s_net.9eb4a781_jenkins.default.etcd_901e8027-759b-11e4-bfd0-0800279696e1_7bd4d24e
7129fa5dccab        kubernetes/pause:go                "/pause"               13 minutes ago      Up 13 minutes       0.0.0.0:4194->8080/tcp                             k8s_net.a0f18f6e_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0.default.file_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0_659a7a52

还有，我们一旦拿到了容器的 ID，就可以通过如 vagrant ssh minion-1 -c "docker logs cec3eab3f4d3"这样的命令来查看容器的日志了。

我们也可以访问 Jenkins 的 Web 界面，至于要访问的 URL 是 http://10.245.2.2:8080/ 还是 http://10.0.29.247:8080/，要看用到了那个 minion。

服务发现

Kubernetes 支持定义服务，一种为容器使用发现和代理请求到合适的 pod 的方法。下面示例使用了 service-http.json 文件来创建一个服务，其将 id 为 jenkins 指向了贴有标签为 name=jenkins 的 pod。而标签是在如上面 pod 的定义中所声明的。且将端口 8888 重定向到容器的 8080 。

 
{
 "id": "jenkins",
 "kind": "Service",
 "apiVersion": "v1beta1",
 "port": 8888,
 "containerPort": 8080,
 "selector": {
   "name": "jenkins"
 }
}

使用 kubecfg 来创建服务：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh -c kubernetes-jenkins/service-http.json create services
 
Name                Labels              Selector            IP                  Port
----------          ----------          ----------          ----------          ----------
jenkins                                 name=jenkins        10.0.29.247         8888

每个服务都会被分配一个唯一的 IP 地址，且此 IP 地址会伴随服务的整个生命周期。如果我们有多个 pod 匹配服务的定义，服务就会在所有它们之上提供负载均衡。

服务的另外一个特性是可以为由 Kubernetes 来运行的容器设置一些环境变量，使其可以连接到该服务容器，这和运行已链接的 Docker 容器有些类似，它可以帮助我们从若干从服务中找到 Jenkins 主服务。

 
JENKINS_PORT='tcp://10.0.29.247:8888'
JENKINS_PORT_8080_TCP='tcp://10.0.29.247:8888'
JENKINS_PORT_8080_TCP_ADDR='10.0.29.247'
JENKINS_PORT_8080_TCP_PORT='8888'
JENKINS_PORT_8080_TCP_PROTO='tcp'
JENKINS_SERVICE_PORT='8888'
SERVICE_HOST='10.0.29.247'

在此示例中，我们还需要打开端口 50000，Jenkins swarm 插件需要用这个端口。我们创建另外一个 service-slave.json 文件，这样 Kubernetes 就可以重定向端口到 Jenkins 服务容器了。

 
{
 "id": "jenkins-slave",
 "kind": "Service",
 "apiVersion": "v1beta1",
 "port": 50000,
 "containerPort": 50000,
 "selector": {
   "name": "jenkins"
 }
}

再次使用 kubecfg 来创建：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh -c kubernetes-jenkins/service-slave.json create services
 
Name                Labels              Selector            IP                  Port
----------          ----------          ----------          ----------          ----------
jenkins-slave                           name=jenkins        10.0.86.28          50000

列出所有可用的已经定义的服务，包括一些 Kubernetes 内部的服务：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh list services
 
Name                Labels              Selector                                  IP                  Port
----------          ----------          ----------                                ----------          ----------
kubernetes-ro                           component=apiserver,provider=kubernetes   10.0.22.155         80
kubernetes                              component=apiserver,provider=kubernetes   10.0.72.49          443
jenkins                                 name=jenkins                              10.0.29.247         8888
jenkins-slave                           name=jenkins                              10.0.86.28          50000

复制控制器

复制控制器允许在多个 minion 中运行多个 pod。Jenkins 的从服务以此方式来运行，可以确保一直有一个运行 Jenkins 任务的从服务池。

创建 replication.json，所定义的内容如下：

 
{
 "id": "jenkins-slave",
 "apiVersion": "v1beta1",
 "kind": "ReplicationController",
 "desiredState": {
   "replicas": 1,
   "replicaSelector": {
     "name": "jenkins-slave"
   },
   "podTemplate": {
     "desiredState": {
       "manifest": {
         "version": "v1beta1",
         "id": "jenkins-slave",
         "containers": [
           {
             "name": "jenkins-slave",
             "image": "csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21",
             "command": [
               "sh", "-c", "/usr/local/bin/jenkins-slave.sh 
-master http://$JENKINS_SERVICE_HOST:$JENKINS_SERVICE_PORT -tunnel 
$JENKINS_SLAVE_SERVICE_HOST:$JENKINS_SLAVE_SERVICE_PORT -username 
jenkins -password jenkins -executors 1"
             ]
           }
         ]
       }
     },
     "labels": {
       "name": "jenkins-slave"
     }
   }
 },
 "labels": {
   "name": "jenkins-slave"
 }
}

podTemplate 一节允许和 pod 的定义进行一样的配置。在此示例中，我们打算让 Jenkins 从服务自动地连接到 Jenkins 主服务，而不是利用 Jenkins 主服务的多播发现。要实现此想法，我们需要执行 jenkins-slave.sh 命令，指定参数 -master，从而实现在 Kubernetes 中让从服务连接到主服务。注意，上述配置文件中，我们使用了 Kubernetes 所提供的为 Jenkins 服务定义的环境变量（JENKINS_SERVICE_HOST 和 JENKINS_SERVICE_PORT）。此方法中镜像的命令覆盖了容器的配置，为的是利用已经下载好的镜像。这也同样可以在 pod 的定义中去实现。

使用 kubecfg 来创建副本：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh -c kubernetes-jenkins/replication.json create replicationControllers
 
Name                Image(s)                            Selector             Replicas
----------          ----------                          ----------           ----------
jenkins-slave       csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   name=jenkins-slave   1

现在执行 pod 列表，可以看到新的 pod 已经创建，其数量是由我们刚刚所定义的复制控制器所决定的。

 
$ ./cluster/kubecfg.sh list pods
 
Name                                   Image(s)                            Host                    Labels               Status
----------                             ----------                          ----------              ----------           ----------
jenkins                                csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3    10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins         Running
07651754-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.2/10.245.2.2   name=jenkins-slave   Pending

第一次运行的 jenkins-swarm-slave 镜像是 minion 从 Docker 仓库下载下来的，但是一段时间之后（这取决于你的互联网连接），Jenkins 从服务会自动连接到 Jenkins 主服务。登录到 Jenkins 从服务所在的服务器，docker ps 会显示出运行中的容器和 Docker 的日志，这能够帮助你来调试容器启动中出现的问题。

 
$ vagrant ssh minion-1 -c "docker ps"
 
CONTAINER ID        IMAGE                               COMMAND                CREATED              STATUS              PORTS                    NAMES
870665d50f68        csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   "/usr/local/bin/jenk   About a minute ago   Up About a minute                            k8s_jenkins-slave.74f1dda1_07651754-4f88-11e4-b01e-0800279696e1.default.etcd_11cac207-759f-11e4-bfd0-0800279696e1_9495d10e
cc44aa8743f0        kubernetes/pause:go                 "/pause"               About a minute ago   Up About a minute                            k8s_net.dbcb7509_07651754-4f88-11e4-b01e-0800279696e1.default.etcd_11cac207-759f-11e4-bfd0-0800279696e1_4bf086ee
edff0e535a84        google/cadvisor:0.6.2               "/usr/bin/cadvisor"    27 minutes ago       Up 27 minutes                                k8s_cadvisor.b0dae998_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0.default.file_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0_588941b0
b7e23a7b68d0        kubernetes/pause:go                 "/pause"               27 minutes ago       Up 27 minutes       0.0.0.0:4194->8080/tcp   k8s_net.a0f18f6e_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0.default.file_cadvisormanifes12uqn2ohido76855gdecd9roadm7l0_57a2b4de

复制控制器可以自动的调整任何想要的副本数量：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh resize jenkins-slave 2

再次列出 pod 的话，可以看到每个副本是在哪里运行的。

 
$ ./cluster/kubecfg.sh list pods
Name                                   Image(s)                            Host                    Labels               Status
----------                             ----------                          ----------              ----------           ----------
07651754-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.2/10.245.2.2   name=jenkins-slave   Running
a22e0d59-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins-slave   Pending
jenkins                                csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3    10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins         Running

调度

目前默认的调度是随机的，但是基于资源的调度很快就将实现了。在写作本文的时候，基于内存和 CPU 利用率的调度还有一些没有修复的问题。还有整合 Apache Mesos 的调度也在紧锣密鼓的进行中。Apache Mesos 是一款分布式系统的框架，提供了资源管理的 API，和跨整个数据中心或云环境的调度。

自愈

使用 Kubernetes 的一大好处就是其能够自动管理和修复容器。

如果运行 Jenkins 服务的容器由于某些原因宕机了，比如说进程崩溃了，那么 Kubernetes 就会得到通知，并会在几秒钟之后创建一个新的容器。

 
$ vagrant ssh minion-2 -c 'docker kill `docker ps | grep csanchez/jenkins-swarm: | sed -e "s/ .*//"`'
51ba3687f4ee
 
 
$ ./cluster/kubecfg.sh list pods
Name                                   Image(s)                            Host                    Labels               Status
----------                             ----------                          ----------              ----------           ----------
jenkins                                csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3    10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins         Failed
07651754-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.2/10.245.2.2   name=jenkins-slave   Running
a22e0d59-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins-slave   Running

稍后再执行 list pod 命令，一般不会超过 1 分钟，会看到如下内容：

 
Name                                   Image(s)                            Host                    Labels               Status
----------                             ----------                          ----------              ----------           ----------
jenkins                                csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3    10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins         Running
07651754-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.2/10.245.2.2   name=jenkins-slave   Running
a22e0d59-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins-slave   Running

将 Jeknkis 的数据目录以卷的形式运行，我们保证了在容器宕机之后仍然能够保留数据，所以不会丢失任何 Jenkins 的任务或者是已经创建好的数据。而且因为 Kubernetes 在每个 minion 都代理了服务，Jenkins 从服务会自动连接到 Jenkins 主服务，而根本无须关心它是在哪里运行的！而且 Jenkins 从服务容器宕掉，系统也会自动创建新的容器，服务发现会将之自动加入到 Jenkins 服务池中。

如果发生了更加严重的情况，比如 minion 挂掉了，Kubernetes 目前还没能提供将现有容器重新调度到其它仍在运行的 minion 中的能力，它仅仅会显示某个 pod 失效，如下所示：

 
$ vagrant halt minion-2
==> minion-2: Attempting graceful shutdown of VM...
$ ./cluster/kubecfg.sh list pods
Name                                   Image(s)                            Host                    Labels               Status
----------                             ----------                          ----------              ----------           ----------
jenkins                                csanchez/jenkins-swarm:1.565.3.3    10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins         Failed
07651754-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.2/10.245.2.2   name=jenkins-slave   Running
a22e0d59-4f88-11e4-b01e-0800279696e1   csanchez/jenkins-swarm-slave:1.21   10.245.2.3/10.245.2.3   name=jenkins-slave   Failed

清理

kubecfg 还提供了一些命令来停止和删除复制控制器、pod、以及服务等。

要停止复制控制器，设置复制数为 0，所有 Jenkins 从服务的容器都会被终止：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh stop jenkins-slave

删除它：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh rm jenkins-slave

删除 Jenkins 服务 Pod，Jenkins 主服务的容器会被终止：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh delete pods/jenkins

删除服务：

 
$ ./cluster/kubecfg.sh delete services/jenkins
$ ./cluster/kubecfg.sh delete services/jenkins-slave

总结

Kubernetes 还是一个尚处于早期的项目，但是极有希望来管理 Docker 的跨服务器部署以及简化执行长时间运行和分布式的 Docker 容器。通过抽象基础设施概念，定义状态而不是进程，它提供了集群的简单定义，包括脱离管理的自我修复能力。简而言之，Kubernetes 让 Docker 的管理更加的轻松。

关于作者

Carlos Sanchez在自动化、软件开发质量、QA 以及运维等方面有超过 10 年的经验，范围涉及从构建工具、持续集成到部署自动化，DevOps 最佳实践，再到持续交付。他曾经为财富 500 强的公司实施过解决方案，在多家美国的创业公司工作过，最近任职的公司叫做 MaestroDev，这也是他一手创建的公司。Carlos 曾经在世界各地的各种技术会议上作演讲，包括 JavaOne、EclipseCON、ApacheCON、JavaZone、Fosdem 和 PuppetConf。他非常积极的参与开源，是 Apache 软件基金会的成员，同时也是其它一些开源团体的成员，为很多个开源项目做过贡献，比如 Apache Maven、Fog 和 Puppet。

查看英文原文： Scaling Docker with Kubernetes

感谢夏雪对本文的审校。

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