ASP.NET Core 借助 K8S 玩转容器编排

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作者:『___知多少』

Production-Grade Container Orchestration - Automated container deployment, scaling, and management.
生产级别的容器编排系统——自动化的容器部署、扩展和管理。

1. 引言

由于最近在学习微服务，所以就基于之前docker的基础上把玩一下k8s（Kubernetes），以了解基本概念和核心功能。

2. What's k8s？

k8s涉及到很多基本概念，可以看十分钟带你理解Kubernetes核心概念快速了解。
下面这张图包含了k8s了核心组成模块：
K8S cluster

这里就简单罗列以下：

k8s Master：k8s主节点，主要包括：

API Server：提供可以用来和集群交互的REST端点。
Replication Controller：用来创建和复制Pod。

Node：k8s节点，可以是虚拟机或物理机。其又包含以下组件：

Kubelet：是主节点代理。
Kube-proxy：Service使用其将链接路由到Pod，如上文所述。
Docker或Rocket：Kubernetes使用的容器技术来创建容器。

Pod：用来托管应用程序实例，包含：

Container：运行的容器
Volume：共享存储 (卷)
IP Address：IP 地址

Labels：标签，用于给pod打标签
Service：服务，由一组相同Label的Pod组成，其用来控制访问Pods的策略

3. 环境准备

梳理完基本概念，我们来动手玩一玩吧。有三种玩法：一种就是跟随k8s官方的在线实验室进行实操；第二种就是基于Docker For Windows 中集成的k8s进行玩耍；第三种就是安装MiniKube捣鼓。这里选择第二种进行讲解。

PS：很多初学者在环境准备阶段遭遇挫折的后就直接放弃了，笔者为了搭建这个k8s环境也耗费了不少时日，其中包含一次重装系统，汗！希望下面的步骤助你k8s之行有个好的开端。

3.1. 在Docker for Windows中启用Kubernetes

首先确保你已安装Docker for Windows。
因为那道墙，在Docker For Windows Client中启用Kubernetes，并没有想象的那么顺利。最后参照这篇文章成功启用：为中国用户在 Docker for Mac/Windows 中开启 Kubernetes。
如果安装了最新版本的docker for windows 客户端（v2.0.0.3)，可参考以下步骤：

为 Docker daemon 配置 Docker Hub 的中国官方镜像加速 https://registry.docker-cn.com
git clone https://github.com/AliyunContainerService/k8s-for-docker-desktop.git
cd k8s-for-docker-desktop
git checkout v2.0.0.2 （这一步很重要！！！）
Powell shell执行./load_images.ps1
Enable Kubernetes
执行kubectl cluster-info，输出以下，表示正常启动。

Kubernetes master is running at https://localhost:6445
KubeDNS is running at https://localhost:6445/api/v1/namespaces/kube-system/services/kube-dns:dns/proxy

To further debug and diagnose cluster problems, use 'kubectl cluster-info dump'.

环境搭建成功，你就成功了一半，请再接再厉动手完成以下实验！

4. 运行第一个Pod

4.1. 创建初始镜像

1：首先我们执行dotnet new mvc -n K8s.NET.Demo 创建一个ASP.NET Core Mvc应用K8s.NET.Demo
修改HomeController如下所示：

public class HomeController : Controller {
    public IActionResult Index () {
        var hostname = Dns.GetHostName ();
        ViewBag.HostName = hostname;
        ViewBag.HostIp = Dns.GetHostAddresses (hostname).FirstOrDefault (ip => ip.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork);
        return View ();
    }
    public IActionResult Privacy () {
        return View ();
    }
    public IActionResult CheckHealth () {
        if (new Random ().Next (100) > 50) {
            return Ok ("OK");
        } else {
            return BadRequest ();
        }
    }
    [ResponseCache (Duration = 0, Location = ResponseCacheLocation.None, NoStore = true)]
    public IActionResult Error () {
        return View (new ErrorViewModel { RequestId = Activity.Current?.Id ?? HttpContext.TraceIdentifier });
    }
}

修改Index.cshtml如下：

@{
    ViewData["Title"] = "Home Page";
}
<div class="text-center">
    <h1 class="display-4">Welcome</h1>
    <h1>Host Name：@ViewBag.HostName</h1>
    <h1>Host IP：@ViewBag.HostIp</h1>
    <p>Learn about <a href="https://docs.microsoft.com/aspnet/core">building Web apps with ASP.NET Core</a>.</p>
</div>

2：然后添加Dockerfile:

FROM microsoft/dotnet:sdk AS build-env
WORKDIR /app

# Copy csproj and restore as distinct layers
COPY *.csproj ./
RUN dotnet restore

# Copy everything else and build
COPY . ./
RUN dotnet publish -c Release -o out

# Build runtime image
FROM microsoft/dotnet:aspnetcore-runtime
WORKDIR /app
COPY --from=build-env /app/out .
ENTRYPOINT ["dotnet", "K8s.NET.Demo.dll"]

3：然后执行docker build -t k8s.net.demo .构造镜像，构造成功后执行docker images即可查看到名为k8s.net.demo的镜像。

4.2. 创建 pod 描述文件

添加k8s-web-pod.yaml文件如下：

apiVersion: v1
kind: Pod # 定义Kubernetes资源的类型为Pod
metadata:
  name: k8s-net-pod # 定义资源的名称
  labels: # 为Pod贴上标签，后面会介绍其用处
    app: k8s-net-pod
spec: # 定义资源的状态，对于Pod来说，最重要属性就是containers
  containers: # containers一个数组类型，如果你希望部署多个容器，可以添加多项
    - name: web # 定义本Pod中该容器的名称
      image: k8s.net.demo # 定义Pod启动的容器镜像地址
      imagePullPolicy: IfNotPresent # k8s默认值为Always，总是从远端拉取镜像，通过设置IfNotPresent或Never来使用本地镜像
      ports:
        - containerPort: 80 # 定义容器监听的端口（与Dockerfile中的EXPOSE类似，只是为了提供文档信息）
      livenessProbe: # 存活探针定义
        httpGet:
          path: /Home/CheckHealth # 存活探针请求路径
          port: 80 #存活探针请求端口

4.3. 使用kubectl create 创建 pod

执行以下命令完成pod的创建：

$ kubectl create -f k8s-web-pod.yaml
pod "k8s-web-pod.yaml" created
$ kubectl get pod
NAME           READY     STATUS    RESTARTS   AGE
k8s-net-pod   1/1       Running   0         1m

4.4. 访问 pod 中运行的容器

要想与 pod 进行通信，可以通过kubectl port-forward配置端口转发，来完成。

$ kubectl port-forward k8s-net-pod 8090:80
Forwarding from 127.0.0.1:8090 -> 80
Forwarding from [::1]:8090 -> 80

浏览器访问http://localhost:8090/，效果如下图所示：

至此我们成功跑起了第一个pod。

这时你可能会问，这和我直接用docker run -d -p 8091:80 k8s.net.demo 运行一个容器有什么区别呢？并没有看到k8s强大在哪里啊？！
别急，你现在再执行一次kubectl get pod，我来告诉你答案。

$ kubectl get po
NAME           READY     STATUS    RESTARTS   AGE
k8s-net-pod   1/1       Running   17         1h

看到RESTARTS列没有，它是用来说明pod重启了多少次。使用docker运行容器，如果容器挂掉，docker是不会负责给你重启容器的。
而在k8s中，只需要配置存活探针，k8s就会自动探测容器的运行状态，进行自动重启。而存活探针仅需要在yaml文件中指定livenessProbe节点即可。（PS：/home/checkhealth 使用随机数来模拟容器应用运行状态，当随机数小于50，就返回BadRequest。）

而这，只是k8s的冰山一角。

5. 运行第一个 Service

Pod运行于集群内部，虽然使用kubect port-forward可以映射端口在本机访问，但对于外部依旧无法访问，如果需要暴露供外部直接访问，则需要创建 service。

5.1. 使用 kubectl expose 创建 service

我们可以通过kubectl expose pod直接将当前运行的pod实例暴露出去。

$ kubectl expose pod k8s-net-pod --name k8s-net-service --type=NodePort
service "k8s-net-service" exposed
$ kubectl get service
NAME               TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
k8s-net-service    NodePort    10.98.62.192    <none>        80:30942/TCP   7m

如上，它有一个CLUSTER-IP为10.98.62.192，因此我们可以在集群内使用10.98.62.192:80来访问该服务，如果是在集群外部，可以使用NodeIP:30942(节点所在服务器IP)来访问。

5.2. 使用 servive 描述文件创建

另外一种方式就是创建描述文件来创建了，添加k8s-net-service.yaml文件：

apiVersion: v1
kind: Service # 定义Kubernetes资源的类型为Service
metadata:
  name: k8s-net-service # 定义资源的名称
spec:
  selector: # 指定对应的Pod
    app: k8s-net-pod # 指定Pod的标签为k8s-net-pod
  ports:
  - protocol: TCP # 协议类型
    port: 80 # 指定Service访问的端口
    targetPort: 80 # 指定Service转发请求的端口
    nodePort: 30000
  type: NodePort # 指定Service的类型，在这里使用NodePort来对外访问

执行kubectl create -f k8s-net-service.yaml来创建service。

$ kubectl create -f k8s-net-service.yaml
service "k8s-net-service" created
$ kubectl get service
NAME              TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
k8s-net-service   NodePort    10.98.62.192    <none>        80:30942/TCP   23m
k8s-net-service   NodePort    10.97.110.150   <none>        80:30000/TCP   34s
kubernetes        ClusterIP   10.96.0.1       <none>        443/TCP        1d

6. 试试 k8s 的自由伸缩

是时候来体验下k8s强大的自动伸缩功能了。k8s中通过创建ReplicaSet或Deployment来管理 pod，进而完成自动化扩展和管理。
PS: 也可以使用ReplicaController，但推荐使用ReplicaSet，因为其标签匹配功能更强大。

6.1. 运行第一个 ReplicaSet

首先定义 ReplicaSet 描述文件k8s-net-replicaset.yaml：

apiVersion: apps/v1beta2 # rs 的版本号为apps/v1beta2
kind: ReplicaSet # 定义Kubernetes资源的类型为ReplicaSet
metadata:
  name: k8s-net-replicaset # 定义资源的名称
spec:
  replicas: 3 # 指定pod实例的个数
  selector: # pod选择器
    matchLabels: # 指定匹配的标签
      app: k8s-net-pod # 指定Pod的标签为k8s-net-pod
  template: # 创建新的pod模板配置
    metadata:
      labels:
        app: k8s-net-pod # 指定使用哪个pod
    spec:
      containers:
      - name: k8s-net-replicaset
        image: k8s.net.demo # 指定使用的镜像 
        imagePullPolicy: IfNotPresent # k8s默认值为Always，总是从远端拉取镜像，通过设置IfNotPresent或Never来使用本地镜像

执行以下命令创建 ReplicaSet，并观察自动创建的pod实例。

$ kubectl create -f k8s-net-replicaset.yaml
replicaset.apps "k8s-net-replicaset" created
$ kubectl get rs
NAME                 DESIRED   CURRENT   READY     AGE
k8s-net-replicaset   3         3         3         8s
$ kubectl get pod
NAME                       READY     STATUS    RESTARTS   AGE
k8s-net-pod                1/1       Running   61         12h
k8s-net-replicaset-bxw9c   1/1       Running   0          35s
k8s-net-replicaset-k6kf7   1/1       Running   0          35s
$ kubectl delete po k8s-net-replicaset-bxw9c
pod "k8s-net-replicaset-bxw9c" deleted
$ kubectl get po
NAME                       READY     STATUS        RESTARTS   AGE
k8s-net-pod                1/1       Running       61         12h
k8s-net-replicaset-bxw9c   0/1       Terminating   0          2m
k8s-net-replicaset-k6kf7   1/1       Running       0          2m
k8s-net-replicaset-xvb9l   1/1       Running       0          6s

从上面看到，k8s-net-replicaset以k8s-net-pod为模板创建了额外两个pod副本，当我们尝试删除其中一个副本后，再次查看pod列表，replicaset会自动帮我们重新创建一个pod。
那我们尝试把刚创建的k8s-net-replicaset暴露为Service，看看实际运行是什么效果吧。依次执行以下命令：

$ kubectl expose replicaset k8s-net-replicaset --type=LoadBalancer --port=8091 --target-port=80 --name k8s-net-rs
-service
service "k8s-net-rs-service" exposed
$ kubectl get service
NAME                 TYPE           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
k8s-net-rs-service   LoadBalancer   10.99.134.237   localhost     8091:32641/TCP   8s
k8s-net-service      NodePort       10.104.21.80    <none>        80:30000/TCP     12h
kubernetes           ClusterIP      10.96.0.1       <none>        443/TCP          12h

然后浏览器访问http://localhost:8091/，尝试多次刷新浏览器，显示效果如下，我们发现ReplicaSet已帮我们做好了负载均衡。
负载均衡效果

假如现在网站访问量剧增，3个实例任然无法有效支撑，可以不停止应用的情况下做到水平伸缩吗？Of course, Yes!
仅需执行kubectl scale命令进行扩展即可。

$ kubectl get pod
NAME                       READY     STATUS    RESTARTS   AGE
k8s-net-replicaset-g4n6g   1/1       Running   0          13m
k8s-net-replicaset-lkrf7   1/1       Running   0          13m
k8s-net-replicaset-tf992   1/1       Running   0          13m
$ kubectl scale replicaset k8s-net-replicaset --replicas=6
replicaset.extensions "k8s-net-replicaset" scaled
$ kubectl get pod
NAME                       READY     STATUS              RESTARTS   AGE
k8s-net-replicaset-cz2bs   0/1       ContainerCreating   0          3s
k8s-net-replicaset-g4n6g   1/1       Running             0          13m
k8s-net-replicaset-lkrf7   1/1       Running             0          13m
k8s-net-replicaset-pjl9m   0/1       ContainerCreating   0          3s
k8s-net-replicaset-qpn2l   0/1       ContainerCreating   0          3s
k8s-net-replicaset-tf992   1/1       Running             0          13m

从以上的输出可以看，我们一句命令就扩展pod实例到6个，是不是很简单？！

你可能又问了，我现在访问高峰过了，我怎么快速缩放应用呢？啊，和上面一样的，你把--replicas参数改小点就是了，就像这样kubectl scale replicaset k8s-net-replicaset --replicas=3。

7. 最后

本文从使用docker创建image，到使用k8s创建第一个pod，到暴露第一个Service，再到使用ReplicaSet 进行容器伸缩，基本串通了k8s的核心基础概念，从而对k8s有了基础的认知，希望对你的K8S之路有所帮助。

由于篇幅有限，笔者也是初玩，k8s的很多功能并未一一罗列，那就留着下次分享吧。
如果要问我，k8s有什么好书推荐，首推《Kubernetes In Action》，国内已经有中文版了，翻译的不错！
本文示例代码已上传至GitHub： K8S.NET.Demo。

参考资料
雨夜朦胧 - Kubernetes初探[1]：部署你的第一个ASP.NET Core应用到k8s集群

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ASP.NET Core 借助 K8S 玩转容器编排

1. 引言

2. What's k8s？

3. 环境准备

3.1. 在Docker for Windows中启用Kubernetes

4. 运行第一个Pod

4.1. 创建初始镜像

4.2. 创建 pod 描述文件

4.3. 使用kubectl create 创建 pod

4.4. 访问 pod 中运行的容器

5. 运行第一个 Service

5.1. 使用 kubectl expose 创建 service

5.2. 使用 servive 描述文件创建

6. 试试 k8s 的自由伸缩

6.1. 运行第一个 ReplicaSet

7. 最后

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