写在前面 #

前面的文章我们深入介绍了Pod的使用，包括Pod定义，Pod资源管理和服务质量，Pod健康检查，Pod存储管理，Pod调度，当Pod所在的node异常时，Pod无法自动恢复，因此Pod很少单独使用，一般以template的形式嵌套在控制器中使用，下来介绍kubernetes系列教程副本控制器Deployment，ReplicaSet，ReplicationController的使用。

1. 深入学习控制器 #

1.1 控制器概述 #

Pod是kubernetes所有运行应用或部署服务的基础，可以看作是k8s中运行的机器人，应用单独运行在Pod中不具备高级的特性，比如节点故障时Pod无法自动迁移，Pod多副本横向扩展，应用滚动升级RollingUpdate等，因此Pod一般不会单独使用，需要使用控制器来实现。

我们先看一个概念ReplicationController副本控制器，简称RC，副本控制是实现Pod高可用的基础，其通过定义副本的副本数replicas，当运行的Pod数量少于replicas时RC会自动创建Pod，当Pod数量多于replicas时RC会自动删除多余的Pod，确保当前运行的Pod和RC定义的副本数保持一致。

副本控制器包括Deployment，ReplicaSet，ReplicationController，StatefulSet等。其中常用有两个：Deployment和StatefulSet，Deployment用于无状态服务，StatefulSet用于有状态服务，ReplicaSet作为Deployment后端副本控制器，ReplicationController则是旧使用的副本控制器。

为了实现不同的功能，kubernetes中提供多种不同的控制器满足不同的业务场景，可以分为四类：

Stateless application无状态化应用，如Deployment，ReplicaSet，RC等；
Stateful application有状态化应用，需要保存数据状态，如数据库，数据库集群；
Node daemon节点支撑守护，适用于在所有或部分节点运行Daemon，如日志，监控采集；
Batch批处理任务，非长期运行服务，分为一次性运行Job和计划运行CronJob两种。

本文我们主要介绍无状态服务副本控制器的使用，包括Deployment，ReplicaSet和ReplicationController。

1.2 Deployment #

Deployment是实现无状态应用副本控制器，其通过declarative申明式的方式定义Pod的副本数，Deployment的副本机制是通过ReplicaSet实现，replicas副本的管理通过在ReplicaSet中添加和删除Pod，RollingUpdate通过新建ReplicaSet，然后逐步移除和添加ReplicaSet中的Pod数量，从而实现滚动更新，使用Deployment的场景如下：

滚动升级RollingUpdate，后台通过ReplicaSet实现
多副本replicas实现，增加副本(高负载)或减少副本(低负载)
应用回滚Rollout，版本更新支持回退

1.2.1 Deployment定义 #

\1. 我们定义一个Deployment，副本数为3，Pod以模版Template的形式封装在Deployment中，为了结合之前Pod学习内容，我们增加了resource和健康检查的定义，具体实现参考前面介绍的文章。

 1[root@node-1 happylau]# cat deployment-demo.yaml 
 2apiVersion: apps/v1
 3kind: Deployment
 4metadata:            #Deployment的元数据信息，包含名字，标签
 5  name: deployment-nginx-demo
 6  labels:
 7    app: nginx
 8    rc: deployment
 9  annotations:
10    kubernetes.io/replicationcontroller: Deployment
11    kubernetes.io/description: "ReplicationController Deployment Demo"
12spec:
13  replicas: 3          #副本数量，包含有3个Pod副本
14  selector:            #标签选择器，选择管理包含指定标签的Pod
15    matchLabels:
16      app: nginx
17      rc: deployment
18  template:       #如下是Pod的模板定义，没有apiVersion，Kind属性，需包含metadata定义
19    metadata:          #Pod的元数据信息，必须包含有labels
20      labels:
21        app: nginx
22        rc: deployment 
23    spec:              #spec指定容器的属性信息
24      containers:
25      - name: nginx-deployment
26        image: nginx:1.7.9
27        imagePullPolicy: IfNotPresent
28        ports:          #容器端口信息
29        - name: http-80-port
30          protocol: TCP
31          containerPort: 80
32        resources:      #资源管理,requests请求资源，limits限制资源
33          requests:
34            cpu: 100m
35            memory: 128Mi
36          limits:
37            cpu: 200m
38            memory: 256Mi
39        livenessProbe:  #健康检查器livenessProbe，存活检查
40          httpGet:
41            path: /index.html
42            port: 80
43            scheme: HTTP
44          initialDelaySeconds: 3
45          periodSeconds: 5
46          timeoutSeconds: 2
47        readinessProbe:  #健康检查器readinessProbe，就绪检查
48          httpGet:
49            path: /index.html
50            port: 80
51            scheme: HTTP
52          initialDelaySeconds: 3
53          periodSeconds: 5
54          timeoutSeconds: 2

Deployment字段说明：

deployment基本属性，包括apiVersion,Kind,metadata和spec，其中，deployment.metdata指定名称和标签内容，deployment.spec指定部署组的属性信息；
deployment属性信息包含有replicas，Selector和template，其中replicas指定副本数目，Selector指定管理的Pod标签，template为定义Pod的模板，Deployment通过模板创建Pod；
deployment.spec.template为Pod定义的模板，和Pod定义不太一样，template中不包含apiVersion和Kind属性，要求必须有metadata，deployment.spec.template.spec为容器的属性信息，其他定义内容和Pod一致。

\2. 生成Deployment，创建时加一个--record参数,会在annotation中记录deployment.kubernetes.io/revision版本

1[root@node-1 happylau]# kubectl apply -f deployment-demo.yaml --record
2deployment.apps/deployment-nginx-demo created

\3. 查看Deployment列表，运行时自动下载镜像，如下已运行了3个副本

1[root@node-1 happylau]# kubectl get deployments deployment-nginx-demo 
2NAME                    READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
3deployment-nginx-demo   3/3     3            3           2m37s
4
5NAME代表名称,metadata.name字段定义
6READY代表Pod的健康状态，前面值是readiness，后面是liveness
7UP-TO-DATE代表更新，用于滚动升级
8AVAILABLE代表可用
9AGE创建至今运行的时长

\4. 查看Deployment的详情，可以看到Deployment通过一个deployment-nginx-demo-866bb6cf78 replicaset副本控制器控制Pod的副本数量

Deployment详情信息

\5. 查看replicaset的详情信息，通过Events可查看到deployment-nginx-demo-866bb6cf78创建了三个Pod

ReplicaSet详情信息

\6. 查看Pod详情，最终通过Pod定义的模版创建container，资源定义，健康检查等包含在Pod定义的模版中

Pod详情信息

通过上面的实战演练我们可得知Deployment的副本控制功能是由replicaset实现，replicaset生成Deployment中定义的replicas副本的数量，即创建多个副本，如下图所示：

Deployment创建结构示意图

1.2.2 Deployment扩容 #

当业务比较繁忙时可以通过增加副本数，增加副本数是通过yaml文件中的replicas控制的，当设置了replias后，Deployment控制器会自动根据当前副本数目创建所需的Pod数，这些pod会自动加入到service中实现负载均衡，相反减少副本数，这些pod会自动从service中删除。

Deployment扩容

\1. 将deployment的副本数扩容至4个，可通过修改yaml文件的replicas个数或者通过scale命令扩展。

1[root@node-1 ~]# kubectl scale --replicas=4 deployment deployment-nginx-demo 
2deployment.extensions/deployment-nginx-demo scaled

\2. 查看Deployment副本数量,已增加至4个副本

1[root@node-1 ~]# kubectl get deployments
2NAME                    READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
3deployment-nginx-demo   4/4     4            4           77m

\3. 副本的扩容是如何实现的呢？我们查看replicaset的详情信息观察，增加副本的个数是通过replicaset来扩容，通过模版复制新的Pod

Deployment扩展

\4. 副本缩容

1[root@node-1 ~]# kubectl scale --replicas=2 deployment deployment-nginx-demo 
2deployment.extensions/deployment-nginx-demo scaled
3
4[root@node-1 ~]# kubectl get deployments deployment-nginx-demo 
5NAME                    READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
6deployment-nginx-demo   2/2     2            2           7h41m

Deployment减少副本

通过上面的操作演练我们可以得知:Deployment的扩容是通过ReplicaSet的模版创建Pod或删除Pod实现，scale是手动扩展实现副本的机制，kubernetes还提供了另外一种副本自动扩容机制horizontalpodautoscalers(Horizontal Pod Autoscaling),即通过定义CPU的利用率实现自动的横向扩展，由于需要依赖于监控组件，后续我们再做介绍。

1.2.3 滚动更新 #

Deployment支持滚动更新，默认创建Deployment后会增加滚动更新的策略，通过逐步替代replicas中的pod实现更新无服务中断（需要结合service），如下图所示：将一个deployment副本数为3的应用更新，先更新10.0.0.6 pod，更新pod应用，替换新的ip，然后加入到service中，以此类推再继续更新其他pod，从而实现滚动更新，不影响服务的升级。

滚动更新

通过类型为：RollingUpdate，每次更新最大的数量maxSurge是replicas总数的25%,最大不可用的数量maxUnavailable为25%，如下是通过kubectl get deployments deployment-nginx-demo -o yaml查看滚动更新相关的策略。

 1spec:
 2  progressDeadlineSeconds: 600
 3  replicas: 3
 4  revisionHistoryLimit: 10
 5  selector:
 6    matchLabels:
 7      app: nginx
 8      rc: deployment
 9  strategy:  #strategy定义的是升级的策略，类型为RollingUpdate
10    rollingUpdate: 
11      maxSurge: 25%
12      maxUnavailable: 25%
13    type: RollingUpdate

\1. 滚动更新是当pod.template中定义的相关属性变化，如下将镜像更新到1.9.1，通过--record会记录操作命令

1[root@node-1 ~]# kubectl set image deployments deployment-nginx-demo nginx-deployment=nginx:1.9.1 --record
2deployment.extensions/deployment-nginx-demo image updated

\2. 查看滚动升级的状态（由于第一次nginx的镜像写错了，容器下载镜像失败，写成nignx，导致修改后有两次record）

 1[root@node-1 happylau]# kubectl rollout status deployment deployment-nginx-demo 
 2deployment "deployment-nginx-demo" successfully rolled out
 3
 4查看滚动升级版本，REVSISION代表版本号：
 5[root@node-1 happylau]# kubectl rollout history deployment deployment-nginx-demo 
 6deployment.extensions/deployment-nginx-demo 
 7REVISION  CHANGE-CAUSE
 81         <none>
 92         kubectl set image deployments deployment-nginx-demo nginx-deployment=nignx:1.9.1 --record=true
103         kubectl set image deployments deployment-nginx-demo nginx-deployment=nignx:1.9.1 --record=true

\3. 观察Deployment的升级过程，新创建一个RS deployment-nginx-demo-65c8c98c7b，逐渐将旧RS中的pod替换，直至旧的RS deployment-nginx-demo-866bb6cf78上的副本数为0.

滚动升级原理

\4. 查看RS的列表，可以看到新的RS的副本数为2，其他RS副本数为0

1[root@node-1 ~]# kubectl get replicasets 
2NAME                               DESIRED   CURRENT   READY   AGE
3deployment-nginx-demo-65c8c98c7b   2         2         2       21m  #新的RS，REVSION为3
4deployment-nginx-demo-6cb65f58c6   0         0         0       22m  #镜像写错的RS，REVISON为2
5deployment-nginx-demo-866bb6cf78   0         0         0       40m  #旧的RS，对应REVSION为1

\5. 测试版本升级是否成功

 1[root@node-1 ~]# kubectl get pods -o wide 
 2NAME                                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
 3deployment-nginx-demo-65c8c98c7b-bzql9   1/1     Running   0          25m   10.244.1.58   node-2   <none>           <none>
 4deployment-nginx-demo-65c8c98c7b-vrjhp   1/1     Running   0          25m   10.244.2.72   node-3   <none>           <none>
 5[root@node-1 ~]# curl -I http://10.244.2.72 
 6HTTP/1.1 200 OK
 7Server: nginx/1.9.1 #镜像的版本成功更新
 8Date: Mon, 28 Oct 2019 15:28:49 GMT
 9Content-Type: text/html
10Content-Length: 612
11Last-Modified: Tue, 26 May 2015 15:02:09 GMT
12Connection: keep-alive
13ETag: "55648af1-264"
14Accept-Ranges: bytes

1.2.4 版本回退 #

如果版本不符合预期，kubernetes提供回退的功能，和滚动更新一样，回退的功能Deployment将替换到原始的RS上，即逐步将Pod的副本替换到旧的RS上.

\1. 执行回滚，回退到REVISON版本为1

1[root@node-1 ~]# kubectl rollout undo deployment deployment-nginx-demo --to-revision=1
2deployment.extensions/deployment-nginx-demo rolled back

\2. 查看Deployment的回退状态和历史版本

1[root@node-1 ~]# kubectl rollout status deployment deployment-nginx-demo 
2deployment "deployment-nginx-demo" successfully rolled out
3
4[root@node-1 ~]# kubectl rollout history deployment deployment-nginx-demo 
5deployment.extensions/deployment-nginx-demo 
6REVISION  CHANGE-CAUSE
72         kubectl set image deployments deployment-nginx-demo nginx-deployment=nignx:1.9.1 --record=true
83         kubectl set image deployments deployment-nginx-demo nginx-deployment=nignx:1.9.1 --record=true
94         <none>

\3. 查看Deployment的详情，可以看到RS已经会退到原始的RS了

版本回退

\4. 测试nginx的版本

 1[root@node-1 ~]# kubectl get pods -o wide 
 2NAME                                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
 3deployment-nginx-demo-866bb6cf78-9thtn   1/1     Running   0          3m42s   10.244.1.59   node-2   <none>           <none>
 4deployment-nginx-demo-866bb6cf78-ws2hx   1/1     Running   0          3m48s   10.244.2.73   node-3   <none>           <none>
 5
 6
 7#测试版本
 8[root@node-1 ~]# curl -I http://10.244.1.59 
 9HTTP/1.1 200 OK
10Server: nginx/1.7.9 #回退到1.7.9版本
11Date: Mon, 28 Oct 2019 15:36:07 GMT
12Content-Type: text/html
13Content-Length: 612
14Last-Modified: Tue, 23 Dec 2014 16:25:09 GMT
15Connection: keep-alive
16ETag: "54999765-264"
17Accept-Ranges: bytes

小结：通过上面的操作演练可知，Deployment是通过ReplicaSet实现Pod副本数的管理（扩容或减少副本数），滚动更新是通过新建RS，将Pod从旧的RS逐步更新到新的RS上；相反，回滚版本将会退到指定版本的ReplicaSet上。

1.3 ReplicaSet #

ReplicaSet副本集简称RS，用于实现副本数的控制，通过上面的学习我们可以知道Deployment实际是调用ReplicaSet实现副本的控制，RS不具备滚动升级和回滚的特性，一般推荐使用Deployment，ReplicaSet的定义和Deployment差不多，如下：

\1. 定义ReplicaSet

 1[root@node-1 happylau]# cat replicaset-demo.yaml 
 2apiVersion: extensions/v1beta1
 3kind: ReplicaSet
 4metadata:
 5  name: replicaset-demo
 6  labels:
 7    controller: replicaset
 8  annotations:
 9    kubernetes.io/description: "Kubernetes Replication Controller Replication"
10spec:
11  replicas: 3    #副本数
12  selector:      #Pod标签选择器
13    matchLabels:  
14      controller: replicaset
15  template:      #创建Pod的模板
16    metadata:
17      labels:
18        controller: replicaset
19    spec:        #容器信息
20      containers:
21      - name: nginx-replicaset-demo
22        image: nginx:1.7.9
23        imagePullPolicy: IfNotPresent
24        ports:
25        - name: http-80-port
26          protocol: TCP
27          containerPort: 80

\2. 创建RS并查看RS列表

1[root@node-1 happylau]# kubectl apply -f replicaset-demo.yaml 
2replicaset.extensions/replicaset-demo created
3
4[root@node-1 happylau]# kubectl get replicasets replicaset-demo 
5NAME              DESIRED   CURRENT   READY   AGE
6replicaset-demo   3         3         3       15s

\3. 扩展副本数至4个

1[root@node-1 happylau]# kubectl scale --replicas=4 replicaset replicaset-demo 
2replicaset.extensions/replicaset-demo scaled
3[root@node-1 happylau]# kubectl get replicasets replicaset-demo 
4NAME              DESIRED   CURRENT   READY   AGE
5replicaset-demo   4         4         4       76s

\4. 减少副本数至2个

1[root@node-1 happylau]# kubectl scale --replicas=2 replicaset replicaset-demo 
2replicaset.extensions/replicaset-demo scaled
3[root@node-1 happylau]# kubectl get replicasets replicaset-demo 
4NAME              DESIRED   CURRENT   READY   AGE
5replicaset-demo   2         2         2       114s

\5. 镜像版本升级，验证得知不具备版本升级的能力

1[root@node-1 happylau]# kubectl set image replicasets replicaset-demo nginx-replicaset-demo=nginx:1.9.1
2replicaset.extensions/replicaset-demo image updated  #命令执行成功了

ReplicaSet验证版本更新

ReplicaSet小结：通过上面的演示可以知道，RS定义和Deployment类似，能实现副本的控制，扩展和缩减，Deployment是更高层次的副本控制器，ReplicaSet主要为Deployment的副本控制器和滚动更新机制，ReplicaSet本身无法提供滚动更新的能力。

1.4 ReplicationController #

ReplicationController副本控制器简称RC，是kubernetes中最早的副本控制器，RC是ReplicaSet之前的版本，ReplicationController提供副本控制能力，其定义方式和Deployment，ReplicaSet相类似，如下：

\1. 定义ReplicationController

 1[root@node-1 happylau]# cat rc-demo.yaml 
 2apiVersion: v1 
 3kind: ReplicationController 
 4metadata:
 5  name: rc-demo 
 6  labels:
 7    controller: replicationcontroller 
 8  annotations:
 9    kubernetes.io/description: "Kubernetes Replication Controller Replication"
10spec:
11  replicas: 3
12  selector:     #不能使用matchLables字符集模式
13    controller: replicationcontroller 
14  template:
15    metadata:
16      labels:
17        controller: replicationcontroller   
18    spec:
19      containers:
20      - name: nginx-rc-demo 
21        image: nginx:1.7.9
22        imagePullPolicy: IfNotPresent
23        ports:
24        - name: http-80-port
25          protocol: TCP
26          containerPort: 80

\2. 生成RC并查看列表

 1[root@node-1 happylau]# kubectl apply -f rc-demo.yaml 
 2replicationcontroller/rc-demo created
 3
 4[root@node-1 happylau]# kubectl get replicationcontrollers 
 5NAME      DESIRED   CURRENT   READY   AGE
 6rc-demo   3         3         3       103s
 7
 8#查看详情
 9[root@node-1 happylau]# kubectl describe replicationcontrollers rc-demo 
10Name:         rc-demo
11Namespace:    default
12Selector:     controller=replicationcontroller
13Labels:       controller=replicationcontroller
14Annotations:  kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration:
15                {"apiVersion":"v1","kind":"ReplicationController","metadata":{"annotations":{"kubernetes.io/description":"Kubernetes Replication Controlle...
16              kubernetes.io/description: Kubernetes Replication Controller Replication
17Replicas:     3 current / 3 desired
18Pods Status:  3 Running / 0 Waiting / 0 Succeeded / 0 Failed
19Pod Template:
20  Labels:  controller=replicationcontroller
21  Containers:
22   nginx-rc-demo:
23    Image:        nginx:1.7.9
24    Port:         80/TCP
25    Host Port:    0/TCP
26    Environment:  <none>
27    Mounts:       <none>
28  Volumes:        <none>
29Events:
30  Type    Reason            Age   From                    Message
31  ----    ------            ----  ----                    -------
32  Normal  SuccessfulCreate  113s  replication-controller  Created pod: rc-demo-hm8s9
33  Normal  SuccessfulCreate  113s  replication-controller  Created pod: rc-demo-xnfht
34  Normal  SuccessfulCreate  113s  replication-controller  Created pod: rc-demo-lfhc9

3.副本扩容至4个

1[root@node-1 happylau]# kubectl scale --replicas=4 replicationcontroller rc-demo 
2replicationcontroller/rc-demo scaled
3[root@node-1 happylau]# kubectl get replicationcontrollers 
4NAME      DESIRED   CURRENT   READY   AGE
5rc-demo   4         4         4       3m23s

\4. 副本缩容至2个

1[root@node-1 happylau]# kubectl scale --replicas=2 replicationcontroller rc-demo 
2replicationcontroller/rc-demo scaled
3[root@node-1 happylau]# kubectl get replicationcontrollers 
4NAME      DESIRED   CURRENT   READY   AGE
5rc-demo   2         2         2       3m51s

写在最后 #

本文介绍了kubernetes中三个副本控制器：Deployment，ReplicaSet和ReplicationController，当前使用最广泛的是Deployment，ReplicaSet为Deployment提供滚动更新机制，RC当前是旧版的副本控制器，当前已废弃，推荐使用Deployment控制器，具备副本控制器，扩展副本，缩减副本，滚动升级和回滚等高级能力。

参考文献 #

Deployment：https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/controllers/deployment/

ReplicaSet：https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/controllers/replicaset/

ReplicationController：[https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/controllers/

『转载』该文章来源于网络，侵删。

11 深入学习Deployment控制器

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