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Learning Kubernetes, The Chinese Taoist Way

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Kubernetes 学习路径

背景

本文由 才云科技（Caicloud） 于 2019 年内部推出，现以开源的形式进行维护

目前云计算行业对于 Kubernetes 学习的需求日益增加，但市面上关于 Kubernetes 的资源良莠不齐，存在几个问题：

  • 官方文档缺少明确的"梯度"，信息错综复杂
  • 资料较为分散，查找信息费时费力
  • Kubernetes 发展很快，书籍或者网上教程容易过时

本文档旨在为广大从业者提供一个 Kubernetes 学习路径，为大家提供一定的指引。我们最终的目标是让所有人剥茧抽丝般地了解 Kubernetes，不仅仅知道怎么用 Kubernetes，还知道 Kubernetes 各个功能是如何设计的。在学习路径后期，我们还可以很"自然"的联想到正确的设计思路。

学习路径

注意：

第一阶段 炼气期（2-4 周，每周 3-5 小时）

目标

  • Kubernetes 的背景
  • 安装 Kubernetes 环境
  • Kubernetes 基本概念和使用方法

路径

学习任何系统的之前，了解其出现的背景和意义都是必不可少的，为什么会出现 Kubernetes？它解决了什么问题？有没有其他类似的系统？这里推荐阅读才云科技 CEO 张鑫在 2017 年文章《从风口浪尖到十字路口，写在 Kubernetes 两周年之际》。

接下来，在了解 Kubernetes 系统本质之前，我们需要对 Kubernetes 有一个较为"感性"的认识，打消对 Kubernetes 的畏难情绪。这里，我们推荐使用 minikube 或 kind 部署一个本地环境，然后开始部署一个"真实"的应用（minikube 安装需要使用科学上网）。如果想一开始就挑战更高难度的安装方式（不推荐），可以使用 kubeadm 或者手动部署所有组件。关于安装，可以参考文档 lab1-installation。

在安装好环境之后，可以开始动手实践最基本的 Kubernetes 概念。在第一阶段，我们推荐熟练使用以下常用资源和概念：Pod、Node、Label、Event、Service、Configmap & Secret、Deployment、Namespace。相关学习可以参考文档 lab2-application-and-service。

（可选）仅完成上述内容可能还不足以让我们非常熟悉 Kubernetes 的基本概念，下面列出其他可以参考的资料，大家也可以按照自己的方式去搜索相关的资料：

心法

🤨

  • 请反复加深对上面资源的操作熟练度。如果你是第一次接触 Kubernetes，或者仅了解过一点 Kubernetes 的知识，那么基（ken）本（ding）是不明白 Kubernetes 底层到底发生了什么。请不要心急，姑且把它当成一个黑盒工具即可 🛠。
  • 你可能会在网上看到更多的概念，如 PVC、Ingress、Priority 等。炼气阶段，请不要尝试学习过多的资源类型。Kubernetes 有非常多的概念和类似的资源，我们这里熟悉最核心的概念即可，否则易走火入魔 👻，切记。当我们打通任督二脉之时，所有的新概念都不过尔尔。

第二阶段 筑基期（4-6 周，每周 8-10 小时）

目标

  • Kubernetes 的基本架构
  • Kubernetes 容器调度的基本流程

路径

短暂接触 Kubernetes 概念之后，我们需要知其然并且知其所以然，因此在第二阶段我们开始学习 Kubernetes 基本架构。学习 Kubernetes 基本架构至少需要了解以下内容：

  • Master & Node
    • 知道什么是 Kubernetes Master，什么是 Node
    • 知道两者的关系，知道它们是如何通信的
  • Master 组件
    • API Server。Kubernetes 如何接收请求，又是如何将结果返回至客户端。
    • Etcd。了解 Etcd 主要功能机制。
    • Controller Manager。Kubernetes 控制器是其架构中最为核心的一环，我们需要了解控制器的原理，List-Watch 的基本原理，知道 Kubernetes 默认情况下大致包含哪些类型的控制器。
    • Scheduler。熟悉 Kubernetes 的调度流程是怎样的，调度器在整个调度流程中的角色。
  • Node 组件
    • Kubelet。知道 Kubelet 是如何接受调度请求并启动容器的。
    • Kube-proxy。了解 Kube-proxy 的作用，提供的能力是什么。
    • Container Runtime。了解都有哪些 Container Runtime，主要了解 Docker 一些基本操作与实现原理。
  • 核心 Addons & Plugins
    • DNS。DNS 为集群的服务发现提供的支持，Kubernetes 1.13 开始默认使用 CoreDNS。
    • Network Plugin。Kubernetes 多节点环境需要部署网络插件才可以使用，默认情况下使用 flannel 即可。

首先可以阅读书籍或网上博客，推荐阅读：

接下来，推荐从 0 开始部署一个 Kubernetes 集群（不使用任何工具），来加深对各个组件的理解：解决部署中出现的各种问题，查看组件启动日志等等。如果时间有限，也可以尝试使用 kubeadm 等工具来部署集群。目前 Kubernetes 集群部署自动化已经做得比较完善，但出于学习目的，再次墙裂推荐手动安装。关于手动安装集群，可以参考文档 lab3-manual-installtion。

在本阶段修炼结束后，我们至少应该对以下问题了如指掌：Kubernetes 组件是如何交互，来启动容器，并对外提供服务的？

心法

💪

  • 请不要死记硬背 Kubernetes 架构，要开动大脑 🧠去理解其背后设计的原因。
  • 筑基期是比较困难的一个阶段，如果感觉一头雾水，请不要气馁，你不是一个人。当你感觉进入了瓶颈时，可以尝试寻找身边的战友，总结一些你的问题并寻求答案 🍻。

第三阶段 金丹期（2-4 周，每周 3-5 小时）

目标

  • Kubernetes API 结构
  • 熟悉 Kubernetes 各个子系统
  • 熟悉 Kubernetes 排错相关内容

路径

当我们可以熟练使用 Kubernetes 的基本资源，并且对 Kubernetes 的基本架构有了充足了认识，接下来需要对 Kubernetes 的 API 结构和子系统要有一个比较全面的认识，同时也要开始更加系统的了解排查问题相关的内容。

要知道 Kubernetes API 是其最引以为傲的设计，掌握 API 的关键是需要了解：

我们可以通过浏览 Kubernetes API 代码仓库来了解 Kubernetes API 组（Group）的信息。所有的资源定义代码都遵循 <group>/<version>/types.go 的规范，例如上述 Deployment 资源是定义在 apps group 中。我们可以在 apps/v1/types.go 中查找到关于 Deployment 的定义。

接下来，我们可以通过浏览 Kubernetes/Community 代码仓库来了解各个兴趣小组（SIG），"SIG" 是 Special Interest Group 的简称。Kubernetes 的演进都是通过 SIG 来推动的，因此了解 SIG 的分工对我们理解 Kubernetes 非常重要。一般来讲，一个 SIG 对应着一个 Kubernetes 子系统，例如，sig-apps 负责决定是否引入新的 API，或者现有 API 是否需要升级等等。我们通过查看 Community 中带有 "sig-" 前缀的目录来了解 SIG 的工作内容、会议纪要等等。这里简单列举 Kubernetes 重要的子系统：

  • 架构 Architecture
  • 应用 Apps
  • 存储 Storage
  • 网络 Network
  • 权限 Auth
  • 节点 Node
  • 调度 Scheduling
  • 命令行 CLI
  • 多集群 MultiCluster
  • 云平台 CloudProvider
  • 扩展性 Scalability
  • 弹性伸缩 Autoscaling
  • 监控日志 Instrumentation

（可选）细心的你可能会发现以 "wg-" 开头的目录，例如 "wg-resource-management"。"wg" 是 working group 的简称，是针对需要涉及多个 SIG 之间合作而展开的一种工作组，独立于任何 SIG 。例如 resource management 会涉及到 Node、Storage、Scheduling 等 SIGs。

作为一个承上启下的阶段，我们需要总结一些 Kubernetes 排错的能力，推荐阅读：

心法

🌱

  • 本阶段的重点是"耳听六路 🙈 眼观八方 🙉"。前两个阶段接触到了很多 Kubernetes 的细节，本阶段需要对 Kubernetes 的全貌有个更加清晰的认识。很多内容可能看不太懂，但请在你的心中埋下一颗种子。

第四阶段 元婴期（4-6 周，每周 8-10 小时）

目标

  • 加深对各个资源的理解
  • 学习更多 Kubernetes 概念和知识

路径

不出意外，你现在对 Kubernetes 基本的资源已经很熟练了，对 Kubernetes 内部组件和它们的交互比较清晰，还对 Kubernetes 的 API 全貌和组织结构也有一定的了解。如果出了意外 🤔，请重新回顾你的学习过程。

本阶段，我们围绕几个关键方向来学习 Kubernetes，加深对其各个技术点的认识（这里只列出本阶段需要学习的核心能力，其他功能请量力而学）：

总结一下，1）本阶段我们接触到更多的资源，包括：HPA、Job、CronJob、DaemonSet、StatefulSet、Ingress、Volume、PV/PVC、StorageClass、NetworkPolicy、PSP。2）更加深入了解已学资源的使用，例如 Init-Container、SecurityContext、Affinity 等。这些能力最终都会体现在各个资源的 API 上，例如 Affinity 是 Pod API 结构的一个字段，Scheduler 通过解析这个字段来进行合理的调度。未来如果有更多的能力，我们都可以通过解读不同资源的 API 字段来一探究竟。

本阶段相关学习可以参考文档 lab4。

心法

🧘‍♂️🧘‍♀️

  • 本阶段难度指数高，请合理调整你的心境。渡劫 🌋 成功后，你对 Kubernetes 的掌握将会进入一个新的台（tian）阶（keng）。
  • 学习相关功能时，可以回顾其所在 SIG，看看能不能发现有用的资源。

第五阶段 化神期（3-5 周，每周 6-8 小时）

目标

  • 学习更多 Kubernetes 集群层面的功能
  • 更加深入学习 Kubernetes 架构和组件能力

路径

当我们了解了 Kubernetes API 的设计理念，学习到了足够多的 API 资源及其使用方法之后，让我们再回顾一下 Kubernetes Master & Node 架构，以及它们运行的组件。事实上，Kubernetes 的每个组件都有很强的可配置性和能力，我们可以围绕 Kubernetes 的每个组件，来学习 Kubernetes 较为“隐晦”的功能。

推荐通过 Kubernetes Command Line Reference 来了解这些组件的配置：

同时，Kubernetes 提供了 FeatureGate 来控制不同的特性开关，我们可以通过 FeatureGate 来了解 Kubernetes 的新特性。此外，为了方便开发者和配置管理，Kubernetes 把所有配置都挪到了相对应的 GitHub 代码仓库中，即：

当然，直接裸看配置有点硬核。为方便入手，下面我们简单总结部分功能（笼统的分为 Master 和 Node）：

Master

  • Dynamic Admission Control
    • 动态准入控制（在练虚期阶段需要更加深入的了解）
    • 对应 API Server --admission-control-config-file 参数
  • Advanced Auditing
    • 提供可动态配置的审计功能
    • 对应 API Server 带有 --audit- 前缀的参数
  • Etcd Configuration
    • 提供各种与 Etcd 相关的配置，例如 Kubernetes event TTL
    • 对应 API Server 带有 --etcd- 前缀的参数
  • All Admission Controllers
    • 列举所有 Kubernetes 所支持的 Admission Controllers，每个 Admission 都与 Kubernetes 特定的功能相关联
    • 对应 API Server --enable-admission-plugins 参数，该参数注释列举了所有的默认 Admission Controllers
  • Garbage Collection
    • 启用后，Kubernetes 会自动根据 OwnerReferences 来回收 API 资源
    • 对应 Controller-Manager --enable-garbage-collector 参数
  • Concurrent Sync Limiting
    • 避免过多的资源同步导致集群资源的消耗
    • 对应 Controller-Manager 带有 --concurrent 前缀的参数
  • All Controllers
    • 列举所有 Kubernetes 所支持的 Controllers，每个 Controller 都与 Kubernetes 特定的功能相关联
    • 对应 Controller-Manager --controllers，该参数注释列举了所有的默认 Controllers

其它值得注意的参数包括：

  • API-Server --max-requests-inflight, --min-request-timeout
  • API-Server --watch-cache, --watch-cache-sizes
  • Controller-Manager --node-eviction-rate
  • Controller-Manager --pod-eviction-timeout
  • Controller-Manager --terminated-pod-gc-threshold
  • Controller-Manager --pv-recycler-minimum-timeout-*

Node

  • Kubelet Eviction
    • 当节点资源不足时，Kubernetes 通过驱逐 Pods 的方式确保节点的稳定性
    • 对应 Kubelet 带有 --eviction- 前缀的参数，例如 --eviction-hard
  • Image GC
    • 清理容器镜像占用的磁盘空间
    • 对应 Kubelet 带有 --image-gc- 前缀的参数，以及 --minimum-image-ttl-duration 等参数
  • Resource Reserve
    • 为系统资源预留一定的资源，确保节点的稳定性
    • 对应 Kubelet --kube-reserved、--kube-reserved-cgroup 等参数
  • CPU Manager
    • 提供更多的 CPU 管理能力，例如静态 CPU 亲和性
    • 对应 Kubelet --cpu-manager-* 前缀的参数
  • Storage Limit
    • 避免节点过度挂载数据卷
    • 对应 FeatureGate AttachVolumeLimit

其它值得注意的参数包括：

  • Kubelet & Kubeproxy --hostname-override
  • Kubelet --cgroups-per-qos
  • Kubelet --fail-swap-on
  • Kubelet --host-*
  • Kubelet --max-pods, --pods-per-core
  • Kubelet --resolv-conf
  • Kubeproxy --nodeport-addresses

心法

😇

  • 通过组件配置学习 Kubernetes 功能是我们需要具备的一个常规能力，或许比较枯燥，但对我们的修炼大有裨益。
  • 如果你对 Kubernetes “无穷无尽”的功能感到有点迷茫，这是一个很正常的现象。除非是深度参与 Kubernetes 的开发，否则一定会有很多遗漏的地方。我们只要保持两个基本点不动摇：1. 懂 Kubernetes 架构和最核心的能力；2. 懂得怎么快速定位我们需要的能力。关于第二点，我们将在大乘期介绍，stay tuned！

第六阶段 练虚期（4-6 周，每周 8-10 小时）

目标

  • 对 Kubernetes 的扩展机制了如指掌
  • 可以编写 Kubernetes 控制器，能够基于扩展机制灵活地二次开发

路径

本阶段我们可以开始了解 Kubernetes 各种扩展机制。如果说 Kubernetes 的 API 和架构设计是其重要的基石，那么扩展机制使得 Kubernetes 在各个生态领域开花结果。下面我们尝试列举出所有的扩展方式，每一种扩展都有其优势和局限性，请自行思考。注意这里提到的扩展机制指的是架构上的扩展，而非功能层面的扩展，例如 Pod 支持各种 Probe 来进行健康检查，包括自定义，这里我们不归为扩展机制的能力。

API 资源扩展能力

学习 API 资源扩展的一个重要方式是创建一个扩展资源，或者编写一个自己的控制器。强烈推荐自行编写一个控制器，这里列出几个常见的工具：

API 访问扩展能力

Kubernetes API 访问扩展主要是通过 Webhook 来实现。注意只有访问控制支持动态增加外部服务，认证鉴权的外部服务在启动 API Server 的时候就注册完毕，无法在后续增加，主要原因是动态增加外部认证鉴权服务，带来的安全风险过大。

调度器扩展能力

针对简单场景，我们可以直接使用 Scheduler Extender 即可，例如按 GPU 型号调度。复杂调度场景可以使用多调度器，例如基于流图的调度器 poseidon。一般而言，使用 Extender 即可满足大多数场景。

网络扩展能力

网络插件 CNI 是容器网络标准，Kubernetes 提供了良好的支持，常用插件包括 flannel、Calico 等等。对于 Ingress、NetworkPolicy、DNS，相信到目前为止大家应该可以理解，其本质上是 Kubernetes 定义的一套 API，底层实现可插拔，用户可以有自己的选择。

存储扩展能力

  • FlexVolume：Kubernetes 提供的一种动态对接存储方案，支持用户自定义存储后端
  • 存储插件 CSI：使用 CSI 插件，可以选择任何我们需要的存储方案

FlexVolume 是 Kubernetes 自带的对接外部存储的方案，用户编写少量的代码即可加入自定义存储后端，适用于简单场景。存储插件 CSI 是容器网络标准，Kubernetes 提供了良好的支持，同时为方便第三方实现，还提供了一整套 SDK 解决方案。所有底层存储相关的能力都与 CSI 密切相关。

运行时扩展能力

运行时接口 CRI 是 Kubernetes 提出，为解决支持多种运行时而提供的方案。任何运行时，只需实现 CRI 相关的接口，即可接入 Kubernetes 中，包括 Docker、Containerd、gVisor、Kata 等。

特殊硬件或资源扩展能力

对于简单场景，例如静态汇报资源数量，可以直接使用 Extended Resource 扩展 Kubernetes 所支持的硬件。Device Plugin 的核心是自动接入各种特殊硬件如 Nvidia、Infiniband、FPGA 等。在资源汇报层面 Device Plugin 目前也使用了 Extended Resource 的能力，但由于 Extended Resource 的局限性，Device Plugin 未来也可以与其他 API 对接。目前使用最多的 Device Plugin 主要是 Nvidia 的 GPU device plugin。

监控扩展能力

  • 自定义监控：支持使用自定义监控组件如 Prometheus 提供监控指标

自定义监控包括 Custom Metrics 和 External Metrics，例如 Prometheus adaptor。

云供应商扩展能力

云扩展能力的目标是使各个云供应商可以在不改变 Kubernetes 源码的情况下，接入其服务。每个云供应商都有独立的项目。

命令行插件

  • Kubectl Plugin：kubectl plugin 支持扩展 kubectl 子命令，与 API 扩展能力结合可以提供近乎原生的使用方法。

心法

:godmode:

  • 推荐实现一个端到端的 Kubernetes 控制器，可以对整个 Kubernetes 的二次开发有更加深入的了解。此外，针对所有的扩展能力，建议先建立一个全面的认识，再根据需要深入某一项能力。
  • 我们除了通过用户手册来学习上面的技术，也可多参考 Kubernetes 的花式设计文档，主要是 Design Proposals、KEPs。

第七阶段 大乘期（终身学习）

目标

  • 了解 Kubernetes 生态项目
  • 跟踪 Kubernetes 社区发展
  • 跟踪 CNCF 社区发展

路径

目前为止，我们学习了很多 Kubernetes 的概念，但也只是其最重要的部分。在本阶段，我们需要专注以下几个问题：

  • 如何跟进 Kubernetes 的新功能，以及现有功能的更多细节？
  • 如何了解 Kubernetes 整个生态环境的发展？

首先，让我们一起来学习几个重要的项目。围绕 Kubernetes 的生态环境建设是其成为容器标准的关键。

  • Helm：作为 Kubernetes 生态里的 brew、dnf、dpkg，Helm 为 Kubernetes 提供了包管理能力，方便用户快速部署安装各种服务。
  • Harbor：Harbor 与 Kubernetes 无直接关系，但作为云原生环境下最常用的镜像仓库解决方案，了解 Harbor 十分重要。
  • Prometheus：Prometheus 是云原生环境下最重要的监控组件。
  • Istio：Istio 是服务网格的关键项目，但较为复杂，可以尝试简单了解。

以上，我们仅列出了极少量的重要项目，Kubernetes 周边的项目十分之多，令人咂舌 😱。因此大乘期的你，需要开始持续跟踪 Kubernetes 及其生态的发展，甚至可以推动其发展，接下来我们列举一些靠谱资源：

GitHub 仓库

关注 GitHub 仓库可以让你了解最一手的进展，但是信息量一般较大，讨论很多难度也比较大。不过对于大乘期的你来讲，应该不是问题 😉。另外，这里还包含很多 Kubernetes 系统内部的设计，例如调度器的优化方案、资源垃圾回收方案等，值得了解和学习。

Twitter 账号

下面推荐几个 Kubernetes 项目的核心人员。大牛都喜欢用 Twitter 交（si）流（bi），可以关注一波。感兴趣的话题可以去交流，大牛都十分耐撕（nice。

除此之外，Twitter 上还有不少项目和其他 Weekly 性质的 Twitter，推荐几个账号关注：

Twitter 会根据你的喜好推荐其他相关内容，接下来就自由发挥。

Blog 账号

可以关注的优秀 Blog 很多，这里就不一一列举。

心法

🐲

请坚持学习！送上一句黑鸡汤：

"The last thing you want is to look back on your life and wonder... if only."

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