容器编排2：副本与水平扩展

在前面讨论控制器模式的文章中，我们提到了Deployment这个控制器，接下来，我们重点讨论一下这个控制器的工作原理。

一、从ReplicaSet说起

Deployment 看似简单，但实际上，它实现了 Kubernetes 项目中两个非常重要的功能：Pod 的“水平扩展 / 收缩”（horizontal scaling out/in）和“滚动更新”（rolling update）。举个例子，如果我们更新了 Deployment 的 Pod 模板（比如，修改了容器的镜像），那么 Deployment 就会遵循一种叫作“滚动更新”的方式，来升级现有的容器。而这个能力的实现，依赖于 Kubernetes 项目中的一个非常重要的概念（API 对象）：ReplicaSet。ReplicaSet 的结构非常简单，如下：

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apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: nginx-set
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9

可以看到，一个 ReplicaSet 对象，是由副本数和一个 Pod 模板组成。同时，也不难发现，它的定义其实和Deployment 是相同。但在这里我们需要知道的是：Deployment 控制器实际操纵的，是 ReplicaSet 对象，而不是 Pod 对象。

二、理解Deployment

我们再来分析一个 Deployment对象，示例如下：

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apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80

可以看到，它定义的 Pod 副本数是 3（spec.replicas=3）。那么，在具体的实现上，这个 Deployment与 ReplicaSet以及 Pod 的关系是怎样的呢？我们可以用一张图把它描述出来：

image-20201002173911781

通过这张图，我们可以很清楚地看到，一个定义了 replicas=3 的 Deployment，与它的 ReplicaSet以及 Pod 的之间，实际上是一种“层层控制”的关系。其中，ReplicaSet 负责通过“控制器模式”，保证系统中 Pod 的个数永远等于指定的个数（比如，3 个）。这也正是 Deployment 只允许容器的 restartPolicy=Always 的主要原因：只有在容器能保证自己始终是 Running 状态的前提下，ReplicaSet 调整 Pod 的个数才有意义。而在此基础上，Deployment 同样通过“控制器模式”，来操作 ReplicaSet 的个数和属性，进而实现“水平扩展 / 收缩”和“滚动更新”这两个编排动作。

2.1、水平扩展/收缩

“水平扩展 / 收缩”其实非常容易实现，只需要修改Deployment 控制器所控制的 ReplicaSet 的 Pod 副本数就可以了。比如，把这个值从 3 改成 4，那么 Deployment 所对应的 ReplicaSet，就会根据修改后的值自动创建一个新的 Pod。这就是“水平扩展”了；“水平收缩”则反之。执行这个操作的指令也非常简单，就是 kubectl scale，比如：

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$ kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=4
deployment.apps/nginx-deployment scaled

2.2、滚动更新

那么，“滚动更新”又是什么意思，是如何实现的呢？接下来，我们还以这个 Deployment 为例，理解“滚动更新”的过程。

2.2.1、创建deployment

首先，我们来创建这个 nginx-deployment：

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# 注意，在这里，我们额外加了一个–record 参数。
# 它的作用，是记录下我们每次操作所执行的命令，以方便后面查看。
$ kubectl create -f nginx-deployment.yaml --record

2.2.2、查看deployment的状态信息

然后，我们来检查一下 nginx-deployment 创建后的状态信息：

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$ kubectl get deployments
NAME               DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment   3         0         0            0           1s

在返回结果中，我们可以看到四个状态字段，它们的含义如下所示：

  • DESIRED，用户期望的Pod副本数（spec.replicas的值）；
  • CURRENT，当前处于Running状态的Pod数；
  • UP-TO-DATE，当前处于最新版本的Pod数，所谓最新版本指的是Pod的Spec部分与Deployment里Pod模板定义的完全一致；
  • AVAILABLE，当前已经可用的Pod数，即，即是Runing状态，又是最新版本，并且已经处于Ready状态的Pod数。

可以看到，只有这个 AVAILABLE 字段，描述的才是用户所期望的最终状态。

2.2.3、实时查看deployment的状态变化

Kubernetes 项目还为我们提供了一条指令，让我们可以实时查看 Deployment 对象的状态变化。这个指令就是 kubectl rollout status：

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$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
Waiting for rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
deployment.apps/nginx-deployment successfully rolled out

在这个返回结果中，“2 out of 3 new replicas have been updated”意味着已经有 2 个 Pod 进入了 UP-TO-DATE 状态。继续等待一会儿，我们就能看到这个 Deployment 的 3 个 Pod，就进入到了 AVAILABLE 状态：

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NAME               DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment   3         3         3            3           20s

2.2.4、查看replicaset

此时，我们可以尝试查看一下这个 Deployment 所控制的 ReplicaSet：

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$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
nginx-deployment-3167673210   3         3         3       20s

如上所示，在我们提交了一个 Deployment 对象后，Deployment Controller 就会立即创建一个 Pod 副本个数为 3 的 ReplicaSet。这个 ReplicaSet 的名字，则是由 Deployment 的名字和一个随机字符串共同组成。

这个随机字符串叫作 pod-template-hash，在我们这个例子里就是：3167673210。ReplicaSet 会把这个随机字符串加在它所控制的所有 Pod 的标签里，从而保证这些 Pod 不会与集群里的其他 Pod 混淆。

而 ReplicaSet 的 DESIRED、CURRENT 和 READY 字段的含义，和 Deployment 中是一致的。所以，相比之下，Deployment 只是在 ReplicaSet 的基础上，添加了 UP-TO-DATE 这个跟版本有关的状态字段。

2.2.5、编辑Pod模板

这个时候，如果我们修改了 Deployment 的 Pod 模板，“滚动更新”就会被自动触发。修改 Deployment 有很多方法。比如，我可以直接使用 kubectl edit 指令编辑 Etcd 里的 API 对象。

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# 备注：kubectl edit 并不神秘，它不过是把 API 对象的内容下载到了本地文件，让你修改完成后再提交上去。
$ kubectl edit deployment/nginx-deployment
... 
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.9.1 # 1.7.9 -> 1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
...
deployment.extensions/nginx-deployment edited

这个 kubectl edit 指令，会帮我们直接打开 nginx-deployment 的 API 对象。然后，我们就可以修改这里的 Pod 模板部分了。比如，在这里，我将 nginx 镜像的版本升级到了 1.9.1。

kubectl edit 指令编辑完成后，保存退出，Kubernetes 就会立刻触发“滚动更新”的过程。我们还可以通过 kubectl rollout status 指令查看 nginx-deployment 的状态变化：

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$ kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
Waiting for rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
deployment.extensions/nginx-deployment successfully rolled out

2.2.6、查看滚动更新流程

这时，我们可以通过查看 Deployment 的 Events，看到这个“滚动更新”的流程：

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$ kubectl describe deployment nginx-deployment
...
Events:
  Type    Reason             Age   From                   Message
  ----    ------             ----  ----                   -------
...
  Normal  ScalingReplicaSet  24s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 1
  Normal  ScalingReplicaSet  22s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 2
  Normal  ScalingReplicaSet  22s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 2
  Normal  ScalingReplicaSet  19s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 1
  Normal  ScalingReplicaSet  19s   deployment-controller  Scaled up replica set nginx-deployment-1764197365 to 3
  Normal  ScalingReplicaSet  14s   deployment-controller  Scaled down replica set nginx-deployment-3167673210 to 0

可以看到，首先，当我们修改了 Deployment 里的 Pod 定义之后，Deployment Controller 会使用这个修改后的 Pod 模板，创建一个新的 ReplicaSet（hash=1764197365），这个新的 ReplicaSet 的初始 Pod 副本数是：0。

然后，在 Age=24 s 的位置，Deployment Controller 开始将这个新的 ReplicaSet 所控制的 Pod 副本数从 0 个变成 1 个，即：“水平扩展”出一个副本。

紧接着，在 Age=22 s 的位置，Deployment Controller 又将旧的 ReplicaSet（hash=3167673210）所控制的旧 Pod 副本数减少一个，即：“水平收缩”成了两个副本。

如此交替进行，新 ReplicaSet 管理的 Pod 副本数，从 0 个变成 1 个，再变成 2 个，最后变成 3 个。而旧的 ReplicaSet 管理的 Pod 副本数则从 3 个变成 2 个，再变成 1 个，最后变成 0 个。这样，就完成了这一组 Pod 的版本升级过程。像这样，将一个集群中正在运行的多个 Pod 版本，交替地逐一升级的过程，就是“滚动更新”。

2.2.7、查看replicaset的最终状态

在这个“滚动更新”过程完成之后，我们可以查看一下新、旧两个 ReplicaSet 的最终状态：

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$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
nginx-deployment-1764197365   3         3         3       6s
nginx-deployment-3167673210   0         0         0       30s

其中，旧 ReplicaSet（hash=3167673210）已经被“水平收缩”成了 0 个副本。

2.2.8、小结

这种“滚动更新”的好处是显而易见的。比如，在升级刚开始的时候，集群里只有 1 个新版本的 Pod。如果这时，新版本 Pod 有问题启动不起来，那么“滚动更新”就会停止，从而允许开发和运维人员介入。而在这个过程中，由于应用本身还有两个旧版本的 Pod 在线，所以服务并不会受到太大的影响。

当然，这也就要求你一定要使用 Pod 的 Health Check 机制检查应用的运行状态，而不是简单地依赖于容器的 Running 状态。要不然的话，虽然容器已经变成 Running 了，但服务很有可能尚未启动，“滚动更新”的效果也就达不到了。

2.3、RollingUpdateStrategy

为了保证服务的连续性，Deployment Controller 会确保，在任何时间窗口内，只有指定比例的 Pod 处于离线状态；同时，它也会确保，在任何时间窗口内，只有指定比例的新 Pod 被创建出来。这两个比例的值都是可以配置的，默认都是 DESIRED 值的 25%。

所以，在上面这个 Deployment 的例子中，它有 3 个 Pod 副本，那么控制器在“滚动更新”的过程中永远都会确保至少有 2 个 Pod 处于可用状态，至多只有 4 个 Pod 同时存在于集群中。这个策略，是 Deployment 对象的一个字段，名叫 RollingUpdateStrategy，如下所示：

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apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
...
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 1

在上面这个 RollingUpdateStrategy 的配置中，maxSurge 指定的是除了 DESIRED 数量之外，在一次“滚动”中，Deployment 控制器还可以创建多少个新 Pod；而 maxUnavailable 指的是，在一次“滚动”中，Deployment 控制器可以删除多少个旧 Pod。同时，这两个配置还可以用前面我们介绍的百分比形式来表示，比如：maxUnavailable=50%，指的是我们最多可以一次删除“50%*DESIRED 数量”个 Pod。

三、再看Deployment

结合以上讲述，现在我们可以扩展一下 Deployment、ReplicaSet 和 Pod 的关系图了。

image-20201002175648709

如上所示，Deployment 的控制器，实际上控制的是 ReplicaSet 的数目，以及每个 ReplicaSet 的属性。而一个应用的版本，对应的正是一个 ReplicaSet；这个版本应用的 Pod 数量，则由 ReplicaSet 通过它自己的控制器（ReplicaSet Controller）来保证。

通过这样的多个 ReplicaSet 对象，Kubernetes 项目就实现了对多个“应用版本”的描述。而明白了“应用版本和 ReplicaSet 一一对应”的设计思想之后，我们就可以了解一下Deployment 对应用进行版本控制的具体原理了。

3.1、修改deployment

我们可以使用一个叫 kubectl set image 的指令，直接修改 nginx-deployment 所使用的镜像。这个命令的好处就是，我们可以不用像 kubectl edit 那样需要打开编辑器。不过这一次，我们把这个镜像名字修改成为了一个错误的名字，比如：nginx:1.91。这样，这个 Deployment 就会出现一个升级失败的版本。我们一起来实践一下：

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$ kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.91
deployment.extensions/nginx-deployment image updated

由于这个 nginx:1.91 镜像在 Docker Hub 中并不存在，所以这个 Deployment 的“滚动更新”被触发后，会立刻报错并停止。这时，我们来检查一下 ReplicaSet 的状态，如下所示：

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$ kubectl get rs
NAME                          DESIRED   CURRENT   READY   AGE
nginx-deployment-1764197365   2         2         2       24s
nginx-deployment-2156724341   2         2         0       7s

通过这个返回结果，我们可以看到，新版本的 ReplicaSet（hash=2156724341）的“水平扩展”已经停止。而且此时，它已经创建了两个 Pod，但是它们都没有进入 READY 状态。这当然是因为这两个 Pod 都拉取不到有效的镜像。与此同时，旧版本的 ReplicaSet（hash=1764197365）的“水平收缩”，也自动停止了。此时，已经有一个旧 Pod 被删除，还剩下两个旧 Pod。

3.2、回滚deployment

那么问题来了， 我们如何让这个 Deployment 的 3 个 Pod，都回滚到以前的旧版本呢？我们只需要执行一条 kubectl rollout undo 命令，就能把整个 Deployment 回滚到上一个版本：

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$ kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment
deployment.extensions/nginx-deployment

很容易想到，在具体操作上，Deployment 的控制器，其实就是让这个旧 ReplicaSet（hash=1764197365）再次“扩展”成 3 个 Pod，而让新的 ReplicaSet（hash=2156724341）重新“收缩”到 0 个 Pod。

3.3、查看deployment历史版本

更进一步地，如果我们想回滚到更早之前的版本，要怎么办呢？

首先，我们需要使用 kubectl rollout history 命令，查看每次 Deployment 变更对应的版本。而由于我们在创建这个 Deployment 的时候，指定了–record 参数，所以我们创建这些版本时执行的 kubectl 命令，都会被记录下来。这个操作的输出如下所示：

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$ kubectl rollout history deployment/nginx-deployment
deployments "nginx-deployment"
REVISION    CHANGE-CAUSE
1           kubectl create -f nginx-deployment.yaml --record
2           kubectl edit deployment/nginx-deployment
3           kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.91

可以看到，我们前面执行的创建和更新操作，分别对应了版本 1 和版本 2，而那次失败的更新操作，则对应的是版本 3。当然，我们还可以通过这个 kubectl rollout history 指令，看到每个版本对应的 Deployment 的 API 对象的细节，具体命令如下所示：

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$ kubectl rollout history deployment/nginx-deployment --revision=2

3.4、回滚deployment到指定版本

然后，我们就可以在 kubectl rollout undo 命令行最后，加上要回滚到的指定版本的版本号，就可以回滚到指定版本了。这个指令的用法如下：

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$ kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment --to-revision=2
deployment.extensions/nginx-deployment

这样，Deployment Controller 还会按照“滚动更新”的方式，完成对 Deployment 的降级操作。

3.5、暂停deployment

此时，我们可能已经想到了一个问题：对 Deployment 进行的每一次更新操作，都会生成一个新的 ReplicaSet 对象，是不是有些多余，甚至浪费资源呢？

答案是肯定的。为此，Kubernetes项目还提供了一个指令，使得我们对 Deployment 的多次更新操作，最后只生成一个 ReplicaSet。具体的做法是，在更新 Deployment 前，我们要先执行一条 kubectl rollout pause 指令。它的用法如下所示：

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$ kubectl rollout pause deployment/nginx-deployment
deployment.extensions/nginx-deployment paused

这个 kubectl rollout pause 的作用，是让这个 Deployment 进入了一个“暂停”状态。所以接下来，我们就可以随意使用 kubectl edit 或者 kubectl set image 指令，修改这个 Deployment 的内容了。由于此时 Deployment 正处于“暂停”状态，所以我们对 Deployment 的所有修改，都不会触发新的“滚动更新”，也不会创建新的 ReplicaSet。

3.6、恢复deployment

等到我们对 Deployment 修改操作都完成之后，只需要再执行一条 kubectl rollout resume 指令，就可以把这个 Deployment“恢复”回来，如下所示：

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$ kubectl rollout resume deploy/nginx-deployment
deployment.extensions/nginx-deployment resumed

而在这个 kubectl rollout resume 指令执行之前，在 kubectl rollout pause 指令之后的这段时间里，我们对 Deployment 进行的所有修改，最后只会触发一次“滚动更新”。

3.7、检查replicaset的状态

当然，我们可以通过检查 ReplicaSet 状态的变化，来验证一下 kubectl rollout pause 和 kubectl rollout resume 指令的执行效果，如下所示：

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$ kubectl get rs
NAME               DESIRED   CURRENT   READY     AGE
nginx-1764197365   0         0         0         2m
nginx-3196763511   3         3         3         28s

通过返回结果，我们可以看到，只有一个 hash=3196763511 的 ReplicaSet 被创建了出来。

3.8、设置历史replicaset的数量

不过，即使我们像上面这样小心翼翼地控制了 ReplicaSet 的生成数量，随着应用版本的不断增加，Kubernetes 中还是会为同一个 Deployment 保存很多很多不同的 ReplicaSet。那么，我们又该如何控制这些“历史”ReplicaSet 的数量呢？

很简单，Deployment 对象有一个字段，叫作 spec.revisionHistoryLimit，就是 Kubernetes 为 Deployment 保留的“历史版本”个数。所以，如果把它设置为 0，我们就再也不能做回滚操作了。

四、小结

在这篇文章中，我们主要讨论了Deployment控制器的工作原理和使用方法。我们需要知道的是：

  • Deployment控制器最核心的能力是：Pod的水平扩展/收缩以及滚动更新。
  • Deployment依赖于ReplicaSet。Deployment控制器操控的对象并不是Pod，而是ReplicaSet。
  • Deployment、ReplicaSet和Pod之间是一种层层控制关系，Deployment控制ReplicaSet的版本，ReplicaSet控制Pod的个数。
  • Deployment控制器的滚动更新策略是可以设置的。默认情况下，在任何时间窗口内，只能有“期望副本数 * 25%”个Pod处于离线状态，也只能有“期望副本数 * （1+25%）”个Pod处于在线状态。
容器
#Kubernetes
容器编排2：副本与水平扩展
https://kuberxy.github.io/2020/10/02/容器编排2：副本与水平扩展/
作者
Mr.x
发布于
2020年10月2日
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