K8s 中的 Pod 是什麼

前情提要

這篇文章詳細介紹了 Kubernetes（K8s） 中的核心概念之一 —— Pod，包括它的定義、生命週期、資源管理與限制，以及相關操作指令。Pod 是 K8s 中創建和管理的最小單位，文章重點說明了 Pod 的組成、運行邏輯，以及如何在 K8s 中部署應用程式。同時還提供了配置 Pod 資源限制的範例 YAML 文件與實操步驟，並總結了一些常用的 kubectl 指令，幫助讀者更好地理解和運用 Pod 的功能。

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Pod 是什麼

Pod 是可以在 K8s 創建和管理的最小單位。

一個 Pod 是一個群組，裡面可以有一個或是多個 containers, 共享 storage 和 resource 和怎麼運行這個 Pod 的相關 specification (規格，設定)，Pod 內的容器在同一個節點被調度和運行，，形成一個應用程序的「邏輯主機」，類似於在非雲端環境下同一實體機或虛擬機中的應用。

• Pod 可以包含以下幾種容器：
  1. Application pod：執行主要的應用程序邏輯。
  2. init containers：在 Pod 啟動過程中執行。
  3. Ephemeral Containers：用排查問題。

Pod theory

The atomic unit of scheduling on Kubernetes is the Pod. This is just a fancy way of saying apps deployed to Kubernetes always run inside Pods. Some quick examples… If you deploy an app, you deploy it in a Pod. If you terminate an app, you terminate its Pod. If you scale an app up or down, you add or remove Pods.

在 K8s 中，排程的最小單位是 Pod。意指所有部署到 K8s 中的 Application，都必須在 Pod 中運行。

1. 當需要部署一個 Application 時，實際上是將其部署到 Pod 中。
2. 當終止一個 Application 時，實際上也是中指他所在的 Pod。
3. 當你調整應用程式的規模時，無論是擴展還是縮減，都是透過新增或移除 Pod 來實現。

Pod lifecycle

Pod phase

首先 Pod 會有自己的生命週期，Pod 會遵循這些狀態創建、刪除、執行等等…

• 相關重點

  • Binding：如果一個 Pod 被分配到特定的節點，我們稱之為綁定 (binding)。
  • Scheduling：選擇使用哪個節點的過程稱為調度 (scheduling)。
  • 調度限制：Pod 的調度 (scheduling) 只會進行一次，並且該 Pod 將持續運行於此節點，直到被停止或終止 (terminated)。

• Pod 的主要狀態

  • Peding : Pod 已經創但是尚未啟動，此街段包括 Pod 被 scheduling 或是下載 Image。
  • Running : Pod 正在運行，至少有一個 container 在執行中，或著處於啟動或是重新啟動狀態。
  • Succeded : 所有的 containers 都成功 terminated，且不會再次重新啟動。
  • Failed : Pod 中的所有 containers 都已經 terminated，並且至少有一個 container 失敗 terminated，且為設定自動重新啟動。
  • Unknown : 無法獲取 Pod 的狀態。

• 常見狀態說明

  • CrazhLoopBackOff：如果 Pod 反覆重啟失敗，kubectl 的 Status 欄位會顯示此狀態，表示容器正在嘗試啟動但持續失敗。
  • Terminating：當刪除 Pod 時，Status 欄位可能顯示 Terminating，表示 Pod 正在關閉中。

• Pod 終止時間

  • 當 Pod 被終止時，會有一個默認為 30 秒的優雅關閉時間，用於清理資源並完成關閉過程。
  • 如果需要強制終止 Pod，可以使用 --force 標誌來繞過優雅關閉時間。

Pod status

• Waiting：container 正在完成他啟動時需要的動作，例如：從某個 registry 取得 image，或者 container 正在取得 Secret 資料等等
• Running：這個狀態表示 container 執行中並沒有發生什麼問題。
• Terminated：這個狀態表示 container 在執行後，因為某些原因導致失敗所產生的狀態，或是正常關閉的狀態。

從程式碼到 Pod

1. 寫程式碼
2. 打包你的 container image
3. 打吧你的 container image 到 Pod
4. 把 Pod 跑在 K8s 上

• 那為什麼不直接跑 container 在 K8s 上，以下有幾個比較短的理由
  • Pods 增強了 containers
    • 可以在 Pods 上加上 Labels 和 annotations
    • Pods 重啟的一些政策
    • Probes(探針)，startup probes、readiness prbes、liveness probes，和更多。
    • Affinity 和 anti-affinity （親和性和反親和信）
  • Pods 可以被調度 (scheduling)
  • Pods 可以開啟資源共享

Pod 的資源管理和限制資源

• 以下指令可以先建立一個模板

  kubectl run nginx-pod --image=nginx:latest --dry-run=client -o yaml > nginx-pod.yaml
  

  apiVersion: v1
  kind: Pod
  metadata:
  creationTimestamp: null
  labels:
      run: nginx-pod
  name: nginx-pod
  spec:
  containers:
  - image: nginx:latest
      name: nginx-pod
      resources: {}
  dnsPolicy: ClusterFirst
  restartPolicy: Always
  status: {}
  

• 修改為以下的 yaml

  apiVersion: v1
  kind: Pod
  metadata:
  creationTimestamp: null
  labels:
      run: nginx-pod
  name: nginx-pod
  spec:
  containers:
  - image: nginx:latest
      name: nginx-pod
      resources: 
      requests:
          memory: "64Mi"
          cpu: "250m"
      limits:
          memory: "256Mi"
          cpu: "1"
  dnsPolicy: ClusterFirst
  restartPolicy: Always
  status: {}
  

  • requests 定義這個 container 需要的最小資源量。K8s 會選擇一個可用的 node，選擇一個能滿足這些請求的 node 來直行這個 container：

    • memory : "128Mi"：表示了這個 container 需要至少 128 Mebibytes 才能啟動。
    • CPU : "500m"：表示該 container 需要 0.5 個 CPU core。

  • limits 定義了容器能使用的資源上限。如果容器嘗試使用超過這個值的資源：

    • memory 超過限制：container 會被 kill （Out of memory, OOM）。
    • CPU 過過限制：container 的 CPU 會被限制不會被 kill，但可能性能會被降低。

  • 套用以上設定

    kubectl apply -f nginx-pod.yaml
    

• 查看該 Pod 的狀態

  kubectl describe pod nginx-pod
  

  Name:             nginx-pod
  Namespace:        default
  Priority:         0
  Service Account:  default
  Node:             orbstack/198.19.249.2
  Start Time:       Fri, 29 Nov 2024 13:57:14 +0800
  Labels:           run=nginx-pod
  Annotations:      <none>
  Status:           Running
  IP:               192.168.194.9
  IPs:
  IP:  192.168.194.9
  IP:  fd07:b51a:cc66:a::9
  Containers:
  nginx-pod:
      Container ID:   docker://53e5a5cb01fa37f074d782ca3299e2410f6e736133f03bce44a9e9d2dbd4ea72
      Image:          nginx:latest
      Image ID:       docker-pullable://nginx@sha256:0c86dddac19f2ce4fd716ac58c0fd87bf69bfd4edabfd6971fb885bafd12a00b
      Port:           <none>
      Host Port:      <none>
      State:          Running
      Started:      Fri, 29 Nov 2024 13:57:26 +0800
      Ready:          True
      Restart Count:  0
      Limits:
      cpu:     1
      memory:  256Mi
      Requests:
      cpu:        250m
      memory:     64Mi
      Environment:  <none>
      Mounts:
      /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount from kube-api-access-cjgr8 (ro)
  Conditions:
  Type                        Status
  PodReadyToStartContainers   True
  Initialized                 True
  Ready                       True
  ContainersReady             True
  PodScheduled                True
  Volumes:
  kube-api-access-cjgr8:
      Type:                    Projected (a volume that contains injected data from multiple sources)
      TokenExpirationSeconds:  3607
      ConfigMapName:           kube-root-ca.crt
      ConfigMapOptional:       <nil>
      DownwardAPI:             true
  QoS Class:                   Burstable
  Node-Selectors:              <none>
  Tolerations:                 node.kubernetes.io/not-ready:NoExecute op=Exists for 300s
                              node.kubernetes.io/unreachable:NoExecute op=Exists for 300s
  Events:
  Type    Reason     Age   From               Message
  ----    ------     ----  ----               -------
  Normal  Scheduled  18m   default-scheduler  Successfully assigned default/nginx-pod to orbstack
  Normal  Pulling    18m   kubelet            Pulling image "nginx:latest"
  Normal  Pulled     18m   kubelet            Successfully pulled image "nginx:latest" in 11.338s (11.338s including waiting)
  Normal  Created    18m   kubelet            Created container nginx-pod
  Normal  Started    18m   kubelet            Started container nginx-pod
  

Pod 相關指令

• 需要查看 Pod 的相關 logs

  kubectl logs <pod-name>
  

• 這個指令可以查尋 Pod 的相關屬性

  kubectl explain pods --recursive | less
  

  KIND:       Pod
  VERSION:    v1
  
  DESCRIPTION:
      Pod is a collection of containers that can run on a host. This resource is
      created by clients and scheduled onto hosts.
  
  FIELDS:
  apiVersion    <string>
  kind  <string>
  metadata      <ObjectMeta>
      annotations <map[string]string>
      creationTimestamp   <string>
      deletionGracePeriodSeconds  <integer>
      deletionTimestamp   <string>
      finalizers  <[]string>
      generateName        <string>
      generation  <integer>
      labels      <map[string]string>
      managedFields       <[]ManagedFieldsEntry>
  ...
  

• 預設會從 default namespace 取得 pods 相關資訊

  kubectl get pods
  
  NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
  nginx   1/1     Running   0          8m7s
  

  • 如果要找到更多相關資訊

    kubectl get pods -o wide
    NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
    nginx   1/1     Running   0          12m   192.168.194.8   orbstack   <none>           <none>
    

  • 以下指令可以取得所有 namespace 底下的 pods

    kubectl get pods --all-namespaces
    
    NAMESPACE     NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
    kube-system   local-path-provisioner-6c86858495-m5x7g   1/1     Running   0          148d
    kube-system   coredns-66cc6945cb-hswrk                  1/1     Running   0          148d
    default       nginx                                     1/1     Running   0          10m