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Kubernetes是由谷歌开源的Docker容器集群管理系统，为容器化的应用提供了资源调度、部署运行、服务发现、扩容及缩容等一整套功能。本书从架构师、开发人员和运维人员的角度，阐述了Kubernetes的基本概念、实践指南、核心原理、开发指导、运维指南、新特性演进等内容，图文并茂、内容丰富、由浅入深、讲解全面；并围绕在生产环境中可能出现的问题，给出了大量的典型案例，比如安全配置方案、网络方案、共享存储方案、高可用方案及Trouble Shooting技巧等，有很强的实战指导意义。本书内容随着Kubernetes的版本更新不断完善，目前涵盖了Kubernetes从1.0到1.14版本的主要特性，努力为Kubernetes用户提供全方位的Kubernetes技术指南。本书源码已上传至GitHub的kubeguide/K8sDefinitiveGuide-V4-Sourcecode目录，可自行下载本书源码进行练习。无论是对于软件工程师、测试工程师、运维工程师、软件架构师、技术经理，还是对于资深IT人士，本书都极具参考价值。

第1章  Kubernetes入门	1
1.1  Kubernetes是什么	2
1.2  为什么要用Kubernetes	5
1.3  从一个简单的例子开始	6
1.3.1  环境准备	7
1.3.2  启动MySQL服务	7
1.3.3  启动Tomcat应用	10
1.3.4  通过浏览器访问网页	12
1.4  Kubernetes的基本概念和术语	13
1.4.1  Master	16
1.4.2  Node	16
1.4.3  Pod	19
1.4.4  Label	24
1.4.5  Replication Controller	28
1.4.6  Deployment	31
1.4.7  Horizontal Pod Autoscaler	34
1.4.8  StatefulSet	36
1.4.9  Service	37
1.4.10  Job	45
1.4.11  Volume	45
1.4.12  Persistent Volume	49
1.4.13  Namespace	51
1.4.14  Annotation	52
1.4.15  ConfigMap	53
1.4.16  小结	54
第2章  Kubernetes安装配置指南	55
2.1  系统要求	56
2.2  使用kubeadm工具快速安装Kubernetes集群	57
2.2.1  安装kubeadm和相关工具	57
2.2.2  kubeadm config	58
2.2.3  下载Kubernetes的相关镜像	59
2.2.4  运行kubeadm init命令安装Master	59
2.2.5  安装Node，加入集群	61
2.2.6  安装网络插件	62
2.2.7  验证Kubernetes集群是否安装完成	63
2.3  以二进制文件方式安装Kubernetes集群	64
2.3.1  Master上的etcd、kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler服务	66
2.3.2  Node上的kubelet、kube-proxy服务	71
2.4  Kubernetes集群的安全设置	73
2.4.1  基于CA签名的双向数字证书认证方式	73
2.4.2  基于HTTP Base或Token的简单认证方式	78
2.5  Kubernetes集群的网络配置	80
2.6  内网中的Kubernetes相关配置	80
2.6.1  Docker Private Registry（私有Docker镜像库）	80
2.6.2  kubelet配置	81
2.7  Kubernetes的版本升级	81
2.7.1  二进制升级	81
2.7.2  使用kubeadm进行集群升级	82
2.8  Kubernetes核心服务配置详解	84
2.8.1  公共配置参数	84
2.8.2  kube-apiserver启动参数	85
2.8.3  kube-controller-manager启动参数	97
2.8.4  kube-scheduler启动参数	107
2.8.5  kubelet启动参数	113
2.8.6  kube-proxy启动参数	128
2.9  CRI（容器运行时接口）详解	132
2.9.1  CRI概述	132
2.9.2  CRI的主要组件	133
2.9.3  Pod和容器的生命周期管理	133
2.9.4  面向容器级别的设计思路	135
2.9.5  尝试使用新的Docker-CRI来创建容器	136
2.9.6  CRI的进展	137
2.10  kubectl命令行工具用法详解	137
2.10.1  kubectl用法概述	137
2.10.2  kubectl子命令详解	139
2.10.3  kubectl参数列表	142
2.10.4  kubectl输出格式	143
2.10.5  kubectl操作示例	145
第3章  深入掌握Pod	149
3.1  Pod定义详解	150
3.2  Pod的基本用法	156
3.3  静态Pod	161
3.4  Pod容器共享Volume	162
3.5  Pod的配置管理	165
3.5.1  ConfigMap概述	165
3.5.2  创建ConfigMap资源对象	165
3.5.3  在Pod中使用ConfigMap	173
3.5.4  使用ConfigMap的限制条件	179
3.6  在容器内获取Pod信息（Downward API）	180
3.6.1  环境变量方式：将Pod信息注入为环境变量	180
3.6.2  环境变量方式：将容器资源信息注入为环境变量	182
3.6.3  Volume挂载方式	184
3.7  Pod生命周期和重启策略	186
3.8  Pod健康检查和服务可用性检查	187
3.9  玩转Pod调度	190
3.9.1  Deployment或RC：全自动调度	193
3.9.2  NodeSelector：定向调度	194
3.9.3  NodeAffinity：Node亲和性调度	197
3.9.4  PodAffinity：Pod亲和与互斥调度策略	198
3.9.5  Taints和Tolerations（污点和容忍）	202
3.9.6  Pod Priority Preemption：Pod优先级调度	206
3.9.7  DaemonSet：在每个Node上都调度一个Pod	209
3.9.8  Job：批处理调度	211
3.9.9  Cronjob：定时任务	215
3.9.10  自定义调度器	219
3.10  Init Container（初始化容器）	220
3.11  Pod的升级和回滚	224
3.11.1  Deployment的升级	225
3.11.2  Deployment的回滚	231
3.11.3  暂停和恢复Deployment的部署操作，以完成复杂的修改	234
3.11.4  使用kubectl rolling-update命令完成RC的滚动升级	236
3.11.5  其他管理对象的更新策略	239
3.12  Pod的扩缩容	240
3.12.1  手动扩缩容机制	240
3.12.2  自动扩缩容机制	241
3.13  使用StatefulSet搭建MongoDB集群	264
3.13.1  前提条件	264
3.13.2  创建StatefulSet	265
3.13.3  查看MongoDB集群的状态	269
3.13.4  StatefulSet的常见应用场景	271
第4章  深入掌握Service	276
4.1  Service定义详解	277
4.2  Service的基本用法	279
4.2.1  多端口Service	282
4.2.2  外部服务Service	283
4.3  Headless Service	284
4.3.1  自定义SeedProvider	285
4.3.2  通过Service动态查找Pod	286
4.3.3  Cassandra集群中新节点的自动添加	289
4.4  从集群外部访问Pod或Service	291
4.4.1  将容器应用的端口号映射到物理机	291
4.4.2  将Service的端口号映射到物理机	292
4.5  DNS服务搭建和配置指南	294
4.5.1  在创建DNS服务之前修改每个Node上kubelet的启动参数	296
4.5.2  创建CoreDNS应用	297
4.5.3  服务名的DNS解析	301
4.5.4  CoreDNS的配置说明	302
4.5.5  Pod级别的DNS配置说明	304
4.6  Ingress：HTTP 7层路由机制	306
4.6.1  创建Ingress Controller和默认的backend服务	307
4.6.2  定义Ingress策略	311
4.6.3  客户端访问http://mywebsite.com/demo	313
4.6.4  Ingress的策略配置技巧	316
4.6.5  Ingress的TLS安全设置	320
第5章  核心组件运行机制	326
5.1  Kubernetes API Server原理解析	327
5.1.1  Kubernetes API Server概述	327
5.1.2  API Server架构解析	330
5.1.3  独特的Kubernetes Proxy API接口	334
5.1.4  集群功能模块之间的通信	336
5.2  Controller Manager原理解析	337
5.2.1  Replication Controller	338
5.2.2  Node Controller	339
5.2.3  ResourceQuota Controller	341
5.2.4  Namespace Controller	343
5.2.5  Service Controller与Endpoints Controller	343
5.3  Scheduler原理解析	344
5.4  kubelet运行机制解析	348
5.4.1  节点管理	349
5.4.2  Pod管理	349
5.4.3  容器健康检查	351
5.4.4  cAdvisor资源监控	352
5.5  kube-proxy运行机制解析	354
第6章  深入分析集群安全机制	358
6.1  API Server认证管理	359
6.2  API Server授权管理	361
6.2.1  ABAC授权模式详解	362
6.2.2  Webhook授权模式详解	365
6.2.3  RBAC授权模式详解	368
6.3  Admission Control	384
6.4  Service Account	388
6.5  Secret私密凭据	393
6.6  Pod的安全策略配置	396
6.6.1  PodSecurityPolicy的工作机制	397
6.6.2  PodSecurityPolicy配置详解	399
6.6.3  Pod的安全设置详解	406
第7章  网络原理	410
7.1  Kubernetes网络模型	411
7.2  Docker网络基础	413
7.2.1  网络命名空间	413
7.2.2  Veth设备对	416
7.2.3  网桥	419
7.2.4  iptables和Netfilter	421
7.2.5  路由	424
7.3  Docker的网络实现	426
7.4  Kubernetes的网络实现	435
7.4.1  容器到容器的通信	435
7.4.2  Pod之间的通信	436
7.5  Pod和Service网络实战	439
7.6  CNI网络模型	454
7.6.1  CNM模型	454
7.6.2  CNI模型	455
7.6.3  在Kubernetes中使用网络插件	467
7.7  Kubernetes网络策略	467
7.7.1  网络策略配置说明	468
7.7.2  在Namespace级别设置默认的网络策略	470
7.7.3  NetworkPolicy的发展	472
7.8  开源的网络组件	472
7.8.1  Flannel	472
7.8.2  Open vSwitch	477
7.8.3  直接路由	483
7.8.4  Calico容器网络和网络策略实战	486
第8章  共享存储原理	508
8.1  共享存储机制概述	509
8.2  PV详解	510
8.2.1  PV的关键配置参数	511
8.2.2  PV生命周期的各个阶段	515
8.3  PVC详解	516
8.4  PV和PVC的生命周期	518
8.4.1  资源供应	518
8.4.2  资源绑定	519
8.4.3  资源使用	519
8.4.4  资源释放	519
8.4.5  资源回收	519
8.5  StorageClass详解	521
8.5.1  StorageClass的关键配置参数	521
8.5.2  设置默认的StorageClass	524
8.6  动态存储管理实战：GlusterFS	524
8.6.1  准备工作	525
8.6.2  创建GlusterFS管理服务容器集群	525
8.6.3  创建Heketi服务	528
8.6.4  为Heketi设置GlusterFS集群	530
8.6.5  定义StorageClass	533
8.6.6  定义PVC	534
8.6.7  Pod使用PVC的存储资源	536
8.7  CSI存储机制详解	537
8.7.1  CSI的设计背景	538
8.7.2  CSI存储插件的关键组件和部署架构	539
8.7.3  CSI存储插件的使用示例	540
8.7.4  CSI的发展	556
第9章  Kubernetes开发指南	560
9.1  REST简述	561
9.2  Kubernetes API详解	563
9.2.1  Kubernetes API概述	563
9.2.2  Kubernetes API版本的演进策略	570
9.2.3  API Groups（API组）	571
9.2.4  API REST的方法说明	573
9.2.5  API Server响应说明	575
9.3  使用Java程序访问Kubernetes API	577
9.3.1  Jersey	577
9.3.2  Fabric8	590
9.3.3  使用说明	591
9.3.4  其他客户端库	615
9.4  Kubernetes API的扩展	616
9.4.1  使用CRD扩展API资源	617
9.4.2  使用API聚合机制扩展API资源	626
第10章  Kubernetes集群管理	635
10.1  Node的管理	636
10.1.1  Node的隔离与恢复	636
10.1.2  Node的扩容	637
10.2  更新资源对象的Label	638
10.3  Namespace：集群环境共享与隔离	639
10.3.1  创建Namespace	639
10.3.2  定义Context（运行环境）	640
10.3.3  设置工作组在特定Context环境下工作	641
10.4  Kubernetes资源管理	643
10.4.1  计算资源管理	645
10.4.2  资源配置范围管理（LimitRange）	655
10.4.3  资源服务质量管理（Resource QoS）	662
10.4.4  资源配额管理（Resource Quotas）	670
10.4.5  ResourceQuota和LimitRange实践	676
10.4.6  资源管理总结	685
10.5  资源紧缺时的Pod驱逐机制	686
10.5.1  驱逐策略	686
10.5.2  驱逐信号	686
10.5.3  驱逐阈值	688
10.5.4  驱逐监控频率	689
10.5.5  节点的状况	689
10.5.6  节点状况的抖动	690
10.5.7  回收Node级别的资源	690
10.5.8  驱逐用户的Pod	691
10.5.9  资源最少回收量	692
10.5.10  节点资源紧缺情况下的系统行为	692
10.5.11  可调度的资源和驱逐策略实践	694
10.5.12  现阶段的问题	694
10.6  Pod Disruption Budget（主动驱逐保护）	695
10.7  Kubernetes集群的高可用部署方案	697
10.7.1  手工方式的高可用部署方案	698
10.7.2  使用kubeadm的高可用部署方案	709
10.8  Kubernetes集群监控	717
10.8.1  通过Metrics Server监控Pod和Node的CPU和内存资源使用数据	717
10.8.2  Prometheus+Grafana集群性能监控平台搭建	720
10.9  集群统一日志管理	732
10.9.1  系统部署架构	733
10.9.2  创建Elasticsearch RC和Service	733
10.9.3  在每个Node上启动Fluentd	736
10.9.4  运行Kibana	738
10.10  Kubernetes的审计机制	742
10.11  使用Web UI（Dashboard）管理集群	746
10.12  Helm：Kubernetes应用包管理工具	750
10.12.1  Helm概述	750
10.12.2  Helm的主要概念	751
10.12.3  安装Helm	751
10.12.4  Helm的常见用法	752
10.12.5  --set的格式和限制	756
10.12.6  更多的安装方法	757
10.12.7  helm upgrade和helm rollback：应用的更新或回滚	757
10.12.8  helm install/upgrade/rollback命令的常用参数	758
10.12.9  helm delete：删除一个Release	759
10.12.10  helm repo：仓库的使用	759
10.12.11  自定义Chart	759
10.12.12  对Chart目录结构和配置文件的说明	759
10.12.13  对Chart.yaml文件的说明	760
10.12.14  快速制作自定义的Chart	761
10.12.15  搭建私有Repository	761
第11章  Trouble Shooting指导	763
11.1  查看系统Event	764
11.2  查看容器日志	766
11.3  查看Kubernetes服务日志	767
11.4  常见问题	769
11.4.1  由于无法下载pause镜像导致Pod一直处于Pending状态	769
11.4.2  Pod创建成功，但RESTARTS数量持续增加	771
11.4.3  通过服务名无法访问服务	772
11.5  寻求帮助	773
第12章  Kubernetes开发中的新功能	777
12.1  对Windows容器的支持	778
12.1.1  Windows Node部署	778
12.1.2  Windows容器支持的Kubernetes特性和发展趋势	790
12.2  对GPU的支持	791
12.2.1  环境准备	792
12.2.2  在容器中使用GPU资源	795
12.2.3  发展趋势	797
12.3  Pod的垂直扩缩容	797
12.3.1  前提条件	798
12.3.2  安装Vertical Pod Autoscaler	798
12.3.3  为Pod设置垂直扩缩容	798
12.3.4  注意事项	800
12.4  Kubernetes的演进路线和开发模式	801

自  序


本书第1版出版于2016年，几年过去，Kubernetes已从一个新生事物发展为一个影响全球IT技术的基础设施平台，也推动了云原生应用、微服务架构、Service Mesh等热门技术的普及和落地。现在，Kubernetes已经成为明星项目，其开源项目拥有超过两万名贡献者，成为开源历史上发展速度超快的项目之一。
在这几年里：
Kubernetes背后的重要开源公司RedHat被IBM大手笔收购，使RedHat基于Kubernetes架构的先进PaaS平台——OpenShift成为IBM在云计算基础设施中的重要筹码；
Kubernetes的两位核心创始人Joe Beda 和Craig McLuckie所创立的提供Kubernetes咨询和技术支持的初创公司Heptio也被虚拟化领域的巨头VMware收购；
Oracle收购了丹麦的一家初创公司Wercker，然后开发了Click2Kube，这是面向Oracle裸机云（Oracle Bare Metal Cloud）的一键式Kubernetes集群安装工具；
世界500强中的一些大型企业也决定以Kubernetes为基础重构内部IT平台架构，大数据系统的一些用户也在努力将其生产系统从庞大的大数据专有技术栈中剥离出来靠拢Kubernetes。
Kubernetes是将“一切以服务（Service）为中心，一切围绕服务运转”作为指导思想的创新型产品，这是它的一个亮点。它的功能和架构设计自始至终地遵循了这一指导思想，构建在Kubernetes上的系统不仅可以独立运行在物理机、虚拟机集群或者企业私有云上，也可以被托管在公有云上。
Kubernetes的另一个亮点是自动化。在Kubernetes的解决方案中，一个服务可以自我扩展、自我诊断，并且容易升级，在收到服务扩容的请求后，Kubernetes会触发调度流程，最终在选定的目标节点上启动相应数量的服务实例副本，这些服务实例副本在启动成功后会自动加入负载均衡器中并生效，整个过程无须额外的人工操作。另外，Kubernetes会定时巡查每个服务的所有实例的可用性，确保服务实例的数量始终保持为预期的数量，当它发现某个实例不可用时，会自动重启该实例或者在其他节点上重新调度、运行一个新实例，这样，一个复杂的过程无须人工干预即可全部自动完成。试想一下，如果一个包括几十个节点且运行着几万个容器的复杂系统，其负载均衡、故障检测和故障修复等都需要人工介入进行处理，其工作量将多大。
通常，我们会把Kubernetes看作Docker的上层架构，就好像Java与J2EE的关系一样：J2EE是以Java为基础的企业级软件架构，Kubernetes则以Docker为基础打造了一个云计算时代的全新分布式系统架构。但Kubernetes与Docker之间还存在着更为复杂的关系，从表面上看，似乎Kubernetes离不开Docker，但实际上在Kubernetes的架构里，Docker只是其目前支持的两种底层容器技术之一，另一种容器技术则是Rocket，Rocket为CoreOS推出的竞争产品。
Kubernetes之所以同时支持Docker和Rocket这两种互相竞争的容器技术，是有深刻的历史原因的。快速发展的Docker打败了谷歌名噪一时的开源容器技术lmctfy，并迅速风靡世界。但是，作为一个已经对全球IT公司产生重要影响的技术，Docker容器标准的制定不可能被任何一个公司主导。于是，CoreOS推出了与Docker抗衡的开源容器项目Rocket，动员一些知名IT公司一起主导容器技术的标准化，并与谷歌共同发起基于CoreOS+ Rocket+Kubernetes的新项目 Tectonic，使容器技术分裂态势加剧。最后，Linux基金会于2015年6月宣布成立开放容器技术项目（Open Container Project），谷歌、CoreOS及Docker都加入了该项目。OCP项目成立后，Docker公司放弃了自己的独家控制权，Docker容器格式也被OCP采纳为新标准的基础，Docker负责起草OCP草案规范的初稿文档，并提交自己的容器执行引擎的源码作为OCP项目的启动资源。
2015年7月，谷歌正式宣布加入OpenStack阵营，其目标是确保Linux容器及其关联的容器管理技术Kubernetes能够被OpenStack生态圈所接纳，这也意味着对数据中心控制平面的争夺已经结束，以容器为代表的应用形态与以虚拟化为代表的系统形态将会完美融合于OpenStack之上，并与软件定义网络和软件定义存储一起主导下一代数据中心。
谷歌凭借着几十年大规模容器使用的丰富经验，步步为营，先是祭出Kubernetes这个神器，然后掌控了容器技术的制定标准，最后入驻OpenStack阵营全力支持Kubernetes的发展。可以预测，Kubernetes的影响力可能超过十年，所以，我们每个IT人都有理由重视这门新技术。
谁能比别人领先一步掌握新技术，谁就能在竞争中赢得先机。慧与中国通信和媒体解决方案领域的资深专家团一起分工协作、并行研究，并废寝忘食地合力撰写，才促成了这部巨著的出版。经过这些年的高速发展，Kubernetes先后发布了十几个大版本，每个版本都带来了大量的新特性，能够处理的应用场景也越来越丰富。本书遵循从入门到精通的学习路线，涵盖了入门、安装指南、实践指南、核心原理、开发指南、运维指南、新特性演进等内容，内容翔实、图文并茂，几乎囊括了Kubernetes当前主流版本的方方面面，无论是对于软件工程师、测试工程师、运维工程师、软件架构师、技术经理，还是对于资深IT人士，本书都极具参考价值。

吴治辉
HPE资深架构师





推  荐  序

经过作者们多年的实践经验积累及近一年的精心准备，本书终于与我们见面了。我有幸作为首批读者，提前见证和学习了在云时代引领业界技术方向的Kubernetes和Docker的最新动态。
从内容上讲，本书从一个开发者的角度去理解、分析和解决问题：从基础入门到架构原理，从运行机制到开发源码，再从系统运维到应用实践，讲解全面。本书图文并茂，内容丰富，由浅入深，对基本原理阐述清晰，对系统架构分析透彻，对实践经验讲解深刻。
我认为本书值得推荐的原因有以下几点。
首先，作者的所有观点和经验，均是在多年建设、维护大型应用系统的过程中积累形成的。例如，读者通过学习书中的Kubernetes开发指南、集群管理等章节的内容，不仅可以直接提高开发技能，还可以解决在实践过程中经常遇到的各种关键问题。书中的这些内容具有很高的借鉴和推广意义。
其次，通过大量的实例操作和详尽的源码解析，本书可以帮助读者深刻理解Kubernetes的各种概念。例如，书中介绍了使用Java程序访问Kubernetes API的几种方法，读者参照其中的案例，只要稍做修改，再结合实际的应用需求，就可以将这些方法用于正在开发的项目中，达到事半功倍的效果，对有一定Java基础的专业人士快速学习Kubernetes的各种细节和实践操作十分有利。
再次，为了让初学者快速入门，本书配备了即时在线交流工具和专业后台技术支持团队。如果你在开发和应用的过程中遇到各类相关问题，均可直接联系该团队的开发支持专家。
最后，我们可以看到，容器化技术已经成为计算模型演化的一个开端，Kubernetes作为谷歌开源的Docker容器集群管理技术，在这场新的技术革命中扮演着重要的角色。Kubernetes正在被众多知名公司及企业采用，例如Google、VMware、CoreOS、腾讯、京东等，因此，Kubernetes站在了容器新技术变革的浪潮之巅，将具有不可预估的发展前景和商业价值。
无论你是架构师、开发者、运维人员，还是对容器技术比较好奇的读者，本书都是一本不可多得的带你从入门到进阶的Kubernetes精品书，值得阅读！

初瑞
中国移动业务支撑中心高级经理

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Kubernetes权威指南：从Docker到Kubernetes实践全接触（第4版）