一、kubernetes設計理念與分佈式系統
API設計原則：
對於雲計算系統，系統API實際上處於系統設計的統領地位，K8S集羣系統每支持一項新功能，引入一項新技術，一定會新引入對應的API對象，支持對該功能的管理操作。
1.所有API應該是聲明式的。聲明式操作相對於命令式操作，對於重複操作的效果更加穩定，這對於容易出現數據丟失或重複的分佈式環境而言很重要。另外聲明式操作更容易被用戶使用，對用戶隱藏細節，同時保留系統未來持續優化的可能性。
2.API對象是彼此互補而且可組合的。提倡API對象儘量實現面向對象的設計要求，達到“高內聚，低耦合”，對業務模塊有個合適的分解。本質上K8S這種分佈式系統管理平臺，也是一種業務系統，只不過它的業務就是調度和管理容器服務。
3.高層API以操作意圖爲設計基礎。高層設計一定是從業務出發，而不是技術的角度。針對K8S的高層API設計，一定是以K8S的業務爲基礎出發，也就是以系統調度管理容器的操作意圖爲設計基礎。
4.低層API根據高層API的控制需要進行設計。設計實現低層API的目的是爲了被高層API使用，考慮減少冗餘，提高重用性的目的，低層API的設計也要以需求爲基礎，儘量抵抗受技術實現影響的誘惑。
5.儘量避免簡單封裝，不要有在外部API無法顯式知道的內部隱藏的機制。簡單的封裝實際上沒有提供新功能，反而增加了對所封裝API的依賴性。內部隱藏的機制也是非常不利於系統維護的設計方式。如PetSet和ReplicaSet， 本來就是兩種Pod集合，K8S就用不同API對象來定義它們，而不會說只用同一個ReplicaSet， 內部通過特殊算法再來區分這個ReplicaSet是有狀態還是無狀態的。
6.API操作複雜度與對象數量成正比。這條主要是從系統性能角度考慮，要保證系統隨着系統規模的擴大，性能不會迅速變慢到無法使用，則最低限定就是API的操作複雜度不能超過O（N）, N是對象數量，否則系統就不具備水平伸縮了。
7.API對象狀態不能依賴於網絡連接。在分佈式環境下，網絡連接斷開是經常發生的事情，要保證API對象狀態能應對網絡的不穩定性，API對象的狀態就不能依賴於網絡連接狀態。
8.儘量避免讓操作機制依賴於全局狀態，因爲在分佈式系統中要保證全局狀態的同步是比較困難的。
控制機制設計原則：
1.控制邏輯應該只依賴於當前狀態。
爲了保證分佈式系統的穩定可靠，對於經常出現局部錯誤的分佈式系統，如果控制邏輯只依賴當前狀態，那麼就非常容易將一個暫時出現故障的系統恢復到正常狀態，因爲你只要將該系統重置到某個穩定狀態，就可以自信的知道系統的所有控制邏輯會開始按照正常方式運行。
2.假設任何錯誤的可能，並做容錯處理。
在一個分佈式系統中出現局部和臨時錯誤是大概率事件。錯誤可能來自於物理系統故障，外部系統故障也可能來自於系統自身的代碼錯誤，依靠自己實現的代碼不會出錯來保證系統穩定其實也是難以實現的，因此要設計對任何可能錯誤的容錯處理。
3.儘量避免複雜狀態機，控制邏輯不要依賴於無法監控的內部狀態。
因爲分佈式系統各個子系統都是不能嚴格通過程序內部保持同步的，所以如果兩個子系統的控制邏輯如果互相有影響，那麼子系統就一定要能互相訪問到影響控制邏輯的狀態，否則，就等同於系統裏存在不確定的控制邏輯。
4.假設任何操作都可能被任何操作對象拒絕，甚至被錯誤解析。
由於分佈式系統的複雜性以及各子系統的相對獨立性，不同子系統經常來自不同的開發團隊，所以不能奢望任何操作被另一個子系統以正確的方式處理，要保證出現錯誤的時候，操作級別的錯誤不會影響到系統穩定性。
5.每個模塊都可以在出錯後自動恢復。
由於分佈式系統中無法保證系統各個模塊是始終連接的，因此每個模塊要有自我修復的能力，保證不會因爲連接不到其他模塊而自我崩潰。
6.每個模塊都可以在必要時優雅地降級服務。
即要求在設計實現模塊時劃分清楚基本功能和高級功能，保證基本功能不會依賴高級功能，這樣同時就保證了不會因爲高級功能出現故障而導致整個模塊崩潰。根據這種理念實現的系統，也更容易快速地增加新的高級功能，以爲不必擔心引入高級功能影響原有的基本功能。
二、kubernetes核心技術概念和API對象
API對象是K8s集羣中的管理操作單元。K8s集羣系統每支持一項新功能，引入一項新技術，一定會新引入對應的API對象，支持對該功能的管理操作。例如副本集Replica Set對應的API對象是RS。
每個API對象都有3大類屬性：元數據metadata、規範spec和狀態status。元數據是用來標識API對象的，每個對象都至少有3個元數據：namespace，name和uid；除此以外還有各種各樣的標籤labels用來標識和匹配不同的對象，例如用戶可以用標籤env來標識區分不同的服務部署環境，分別用env=dev、env=testing、env=production來標識開發、測試、生產的不同服務。規範描述了用戶期望K8s集羣中的分佈式系統達到的理想狀態（Desired State），例如用戶可以通過複製控制器Replication Controller設置期望的Pod副本數爲3；status描述了系統實際當前達到的狀態（Status），例如系統當前實際的Pod副本數爲2；那麼複製控制器當前的程序邏輯就是自動啓動新的Pod，爭取達到副本數爲3。
K8s中所有的配置都是通過API對象的spec去設置的，也就是用戶通過配置系統的理想狀態來改變系統，這是k8s重要設計理念之一，即所有的操作都是聲明式（Declarative）的而不是命令式（Imperative）的。聲明式操作在分佈式系統中的好處是穩定，不怕丟操作或運行多次，例如設置副本數爲3的操作運行多次也還是一個結果，而給副本數加1的操作就不是聲明式的，運行多次結果就錯了。
1.Pod
K8s有很多技術概念，同時對應很多API對象，最重要的也是最基礎的是微服務Pod。Pod是在K8s集羣中運行部署應用或服務的最小單元，它是可以支持多容器的。Pod的設計理念是支持多個容器在一個Pod中共享網絡地址和文件系統，可以通過進程間通信和文件共享這種簡單高效的方式組合完成服務。Pod對多容器的支持是K8s最基礎的設計理念。比如你運行一個操作系統發行版的軟件倉庫，一個Nginx容器用來發布軟件，另一個容器專門用來從源倉庫做同步，這兩個容器的鏡像不太可能是一個團隊開發的，但是他們一塊兒工作才能提供一個微服務；這種情況下，不同的團隊各自開發構建自己的容器鏡像，在部署的時候組合成一個微服務對外提供服務。
Pod是K8s集羣中所有業務類型的基礎，可以看作運行在K8s集羣中的小機器人，不同類型的業務就需要不同類型的小機器人去執行。目前K8s中的業務主要可以分爲長期伺服型（long-running）、批處理型（batch）、節點後臺支撐型（node-daemon）和有狀態應用型（stateful application）；分別對應的小機器人控制器爲Deployment、Job、DaemonSet和PetSet，本文後面會一一介紹。
2.複製控制器（Replication Controller，RC）
RC是K8s集羣中最早的保證Pod高可用的API對象。通過監控運行中的Pod來保證集羣中運行指定數目的Pod副本。指定的數目可以是多個也可以是1個；少於指定數目，RC就會啓動運行新的Pod副本；多於指定數目，RC就會殺死多餘的Pod副本。即使在指定數目爲1的情況下，通過RC運行Pod也比直接運行Pod更明智，因爲RC也可以發揮它高可用的能力，保證永遠有1個Pod在運行。RC是K8s較早期的技術概念，只適用於長期伺服型的業務類型，比如控制小機器人提供高可用的Web服務。
3.副本集（Replica Set，RS）
RS是新一代RC，提供同樣的高可用能力，區別主要在於RS後來居上，能支持更多種類的匹配模式。副本集對象一般不單獨使用，而是作爲Deployment的理想狀態參數使用。
4.部署(Deployment)
部署表示用戶對K8s集羣的一次更新操作。部署是一個比RS應用模式更廣的API對象，可以是創建一個新的服務，更新一個新的服務，也可以是滾動升級一個服務。滾動升級一個服務，實際是創建一個新的RS，然後逐漸將新RS中副本數增加到理想狀態，將舊RS中的副本數減小到0的複合操作；這樣一個複合操作用一個RS是不太好描述的，所以用一個更通用的Deployment來描述。以K8s的發展方向，未來對所有長期伺服型的的業務的管理，都會通過Deployment來管理。
5.服務（Service）
RC、RS和Deployment只是保證了支撐服務的微服務Pod的數量，但是沒有解決如何訪問這些服務的問題。一個Pod只是一個運行服務的實例，隨時可能在一個節點上停止，在另一個節點以一個新的IP啓動一個新的Pod，因此不能以確定的IP和端口號提供服務。要穩定地提供服務需要服務發現和負載均衡能力。服務發現完成的工作，是針對客戶端訪問的服務，找到對應的的後端服務實例。
在K8S集羣中，客戶端需要訪問的服務就是Service對象。每個Service會對應一個集羣內部有效的虛擬IP， 集羣內部通過虛擬IP訪問一個服務。在K8S集羣中微服務的負載均衡是通過kube-proxy實現的。kube-proxy是K8S集羣內部的負載均衡器。它是一個分佈式代理服務器，在K8S的每個節點上都有一個。這一特性體現了它的伸縮性優勢，需要訪問服務的節點越多，提供負載均衡能力的kube-proxy就越多，高可用節點也隨之增多。
6.任務（Job）
Job是K8S用來控制批處理型任務的API對象。批處理業務與長期伺服long-running業務的主要區別是批處理業務的運行有頭有尾，而長期伺服業務在用戶不停止的情況下永遠運行。Job管理的Pod根據用戶的設置把任務成功完成就自動退出了。成功完成的標誌根據不同的spec.completions策略而不同：單Pod型任務有一個Pod成功就標誌完成；定數成功型任務保證有N個任務全部成功；工作隊列型任務根據應用確認的全局成功而標誌成功。
7.後臺支撐服務集（DaemonSet）
後臺支撐型服務的核心關注點在K8S集羣中的節點（物理機或虛擬機），要保證每個節點上都有一個此類Pod運行。節點可能是所有集羣節點也可能是通過nodeSelector選定的一些特定節點。典型的後臺支撐服務包括存儲、日誌、監控等，在每個節點上支持K8S集羣運行的服務。
8.有狀態服務集（PetSet）
RC和RS主要是控制提供無狀態服務的,其所控制的Pod的名字是隨機設置的，一個Pod出故障了就被丟棄，在另一個地方重啓一個新Pod， 名字變了、名字和啓動在哪兒都不重要，重要的只是Pod總數;而PetSet是用來控制有狀態服務，PetSet中的每個Pod的名字都是事先確定的，不能更改。PetSet中Pod的名字是用來關聯與該Pod的對應狀態。
9.集羣聯邦（Federation）
K8s在1.3版本里發佈了beta版的Federation功能。在雲計算環境中，服務的作用距離範圍從近到遠一般可以有：同主機（Host，Node）、跨主機同可用區（Available Zone）、跨可用區同地區（Region）、跨地區同服務商（Cloud Service Provider）、跨雲平臺。K8s的設計定位是單一集羣在同一個地域內，因爲同一個地區的網絡性能才能滿足K8s的調度和計算存儲連接要求。而聯合集羣服務就是爲提供跨Region跨服務商K8s集羣服務而設計的。
每個K8s Federation有自己的分佈式存儲、API Server和Controller Manager。用戶可以通過Federation的API Server註冊該Federation的成員K8s Cluster。當用戶通過Federation的API Server創建、更改API對象時，Federation API Server會在自己所有註冊的子K8s Cluster都創建一份對應的API對象。在提供業務請求服務時，K8s Federation會先在自己的各個子Cluster之間做負載均衡，而對於發送到某個具體K8s Cluster的業務請求，會依照這個K8s Cluster獨立提供服務時一樣的調度模式去做K8s Cluster內部的負載均衡。而Cluster之間的負載均衡是通過域名服務的負載均衡來實現的。
所有的設計都儘量不影響K8s Cluster現有的工作機制，這樣對於每個子K8s集羣來說，並不需要更外層的有一個K8s Federation，也就是意味着所有現有的K8s代碼和機制不需要因爲Federation功能有任何變化。
10.存儲卷（Volume）
K8s集羣中的存儲卷跟Docker的存儲卷有些類似，只不過Docker的存儲卷作用範圍爲一個容器，而K8s的存儲卷的生命週期和作用範圍是一個Pod。每個Pod中聲明的存儲卷由Pod中所有的容器共享。K8S支持非常多的存儲卷類型。支持多種公有云平臺的存儲，包括AWS， Google， Azure雲;支持多種分佈式存儲包括GlusterFS和Ceph;也支持較容易使用的主機本地目錄hostPath和NFS.
K8s還支持使用Persistent Volume Claim即PVC這種邏輯存儲，使用這種存儲，使得存儲的使用者可以忽略後臺的實際存儲技術（例如AWS，Google或GlusterFS和Ceph），而將有關存儲實際技術的配置交給存儲管理員通過Persistent Volume來配置。
11.持久存儲卷（Persistent Volume，PV）和持久存儲卷聲明（Persistent Volume Claim，PVC）
PV和PVC使得K8s集羣具備了存儲的邏輯抽象能力，使得在配置Pod的邏輯裏可以忽略對實際後臺存儲技術的配置，而把這項配置的工作交給PV的配置者，即集羣的管理者。存儲的PV和PVC的這種關係，跟計算的Node和Pod的關係是非常類似的；PV和Node是資源的提供者，根據集羣的基礎設施變化而變化，由K8s集羣管理員配置；而PVC和Pod是資源的使用者，根據業務服務的需求變化而變化，有K8s集羣的使用者即服務的管理員來配置。
12.節點（Node）
K8S集羣中的計算能力由Node提供，最初Node稱爲服務節點Minion, 後來改名爲node。K8s集羣中的Node相當於Mesos集羣中的slave節點，是所有Pod運行所在的工作主機，可以是物理機也可以是虛擬機，工作主機的統一特徵是上面要運行kubelet管理節點上運行的容器。
13.密鑰對象（Secret）
Secret是用來保存和傳遞密碼、密鑰、認證憑證這些敏感信息對象的。Secret可以避免敏感信息明文寫在配置文件裏。
14.用戶帳戶（User Account）和服務帳戶（Service Account）
用戶帳戶爲人提供賬戶標識，而服務賬戶爲計算機進程和K8s集羣中運行的Pod提供賬戶標識。用戶帳戶和服務帳戶的一個區別是作用範圍；用戶帳戶對應的是人的身份，人的身份與服務的namespace無關，所以用戶賬戶是跨namespace的；而服務帳戶對應的是一個運行中程序的身份，與特定namespace是相關的。
15.名字空間（Namespace）
namespace爲k8s集羣提供虛擬隔離作用，K8S集羣初始有兩個namespace, default和kube-system, 此外管理員可以創建新namespace以滿足需求。
16.RBAC訪問授權（Role-based Access Control, RBAC）
k8s在1.3版本中發佈了基於角色的訪問控制的授權模式。相對於基於屬性的訪問控制（Attribute-based Access Control, ABAC）, RBAC主要引入了角色Role和角色綁定RoleBinding的概念。
17.Conclusion總結
從K8S的系統架構、技術概念和設計理念上可以看到兩個最核心的設計理念：容錯性和易擴展性。容錯性是保證K8S系統穩定性和安全生的基礎，易擴展性是保證K8S對用戶更加友好，是快速迭代增加新功能的基礎。
本文轉移開源中國-kubernetes設計理念