学习 Kubernetes 基础知识

概念

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日志架构

应用和系统日志可以让您了解集群内部的运行状况。日志对调试问题和监控集群活动非常有用。大部分现代化应用都有某种日志记录机制；同样地，大多数容器引擎也被设计成支持某种日志记录机制。针对容器化应用，最简单且受欢迎的日志记录方式就是写入标准输出和标准错误流。

但是，由容器引擎或 runtime 提供的原生功能通常不足以满足完整的日志记录方案。例如，如果发生容器崩溃、pod 被逐出或节点宕机等情况，您仍然想访问到应用日志。因此，日志应该具有独立的存储和生命周期，与节点、pod 或容器的生命周期相独立。这个概念叫 集群级的日志 。集群级日志方案需要一个独立的后台来存储、分析和查询日志。Kubernetes 没有为日志数据提供原生存储方案，但是您可以集成许多现有的日志解决方案到 Kubernetes 集群中。

集群级日志架构假定在集群内部或者外部有一个日志后台。如果您对集群级日志不感兴趣，您仍会发现关于如何在节点上存储和处理日志的描述对您是有用的。

Kubernetes 中的基本日志记录

本节，您会看到一个kubernetes 中生成基本日志的例子，该例子中数据被写入到标准输出。 这里通过一个特定的 pod 规约 演示创建一个容器，并令该容器每秒钟向标准输出写入数据。

debug/counter-pod.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: counter
spec:
  containers:
  - name: count
    image: busybox
    args: [/bin/sh, -c,
            'i=0; while true; do echo "$i: $(date)"; i=$((i+1)); sleep 1; done']

用下面的命令运行 pod：

$ kubectl create -f https://k8s.io/examples/debug/counter-pod.yaml
pod/counter created

使用 kubectl logs 命令获取日志:

$ kubectl logs counter
0: Mon Jan  1 00:00:00 UTC 2001
1: Mon Jan  1 00:00:01 UTC 2001
2: Mon Jan  1 00:00:02 UTC 2001
...

一旦发生容器崩溃，您可以使用命令 kubectl logs 和参数 --previous 检索之前的容器日志。 如果 pod 中有多个容器，您应该向该命令附加一个容器名以访问对应容器的日志。 详见 kubectl logs 文档。

节点级日志记录

Node level logging

容器化应用写入 stdout 和 stderr 的任何数据，都会被容器引擎捕获并被重定向到某个位置。 例如，Docker 容器引擎将这两个输出流重定向到某个 日志驱动 ， 该日志驱动在 Kubernetes 中配置为以 json 格式写入文件。

Note: Docker json 日志驱动将日志的每一行当作一条独立的消息。该日志驱动不直接支持多行消息。您需要在日志代理级别或更高级别处理多行消息。

默认情况下，如果容器重启，kubelet 会保留被终止的容器日志。 如果 pod 在工作节点被驱逐，该 pod 中所有的容器也会被驱逐，包括容器日志。

节点级日志记录中，需要重点考虑实现日志的轮转，以此来保证日志不会消耗节点上所有的可用空间。 Kubernetes 当前并不负责轮转日志，而是通过部署工具建立一个解决问题的方案。 例如，在 Kubernetes 集群中，用 kube-up.sh 部署一个每小时运行的工具 logrotate。 您也可以设置容器 runtime 来自动地轮转应用日志，比如使用 Docker 的 log-opt 选项。 在 kube-up.sh 脚本中，使用后一种方式来处理 GCP 上的 COS 镜像，而使用前一种方式来处理其他环境。 这两种方式，默认日志超过 10MB 大小时都会触发日志轮转。

例如，您可以找到关于 kube-up.sh 为 GCP 环境的 COS 镜像设置日志的详细信息， 相应的脚本在 [这里][cosConfigureHelper]。

当运行 kubectl logs 时， 节点上的 kubelet 处理该请求并直接读取日志文件，同时在响应中返回日志文件内容。

Note:

当前，如果有其他系统机制执行日志轮转，那么 kubectl logs 仅可查询到最新的日志内容。 比如，一个 10MB 大小的文件，通过logrotate 执行轮转后生成两个文件，一个 10MB 大小，一个为空，所以 kubectl logs 将返回空。

系统组件日志

有两种类型的系统组件，运行在容器中的和未运行在容器中的。例如：

在使用 systemd 机制的服务器上，kubelet 和容器 runtime 写入日志到 journald。 如果没有 systemd，他们写入日志到 /var/log 目录的 .log 文件。 容器中的系统组件通常将日志写到 /var/log 目录，绕过了默认的日志机制。他们使用 glog 日志库。 您可以在日志开发文档找到这些组件的日志告警级别协议。

和容器日志类似，/var/log 目录中的系统组件日志也应该被轮转。 通过脚本 kube-up.sh 启动的 Kubernetes 集群中，日志被工具 logrotate 执行每日轮转，或者日志大小超过 100MB 时触发轮转。

集群级别日志架构

虽然 Kubernetes 并未提供原生的集群级记录日志方案，但是您可以考虑几种常见的方式。以下是一些选项：

使用节点级日志代理

Using a node level logging agent

您可以在每个节点上使用 节点级的日志代理 来实现集群级日志记录。 日志代理是专门的工具，它会暴露出日志或将日志推送到后台。 通常来说，日志代理是一个容器，这个容器可以访问这个节点上所有应用容器的日志目录。

因为日志代理必须在每个节点上运行，所以通常的实现方式为，DaemonSet 副本、manifest pod 或者专用于本地的进程。 但是后两种方式已被弃用并且不被推荐。

对于 Kubernetes 集群来说，使用节点级的日志代理是最常用和被推荐的方式，因为在每个节点上仅创建一个代理，并且不需要对节点上的应用做修改。 但是，节点级的日志 _仅适用于应用程序的标准输出和标准错误输出_。

Kubernetes 并不指定日志代理，但是有两个可选的日志代理与 Kubernetes 发行版一起发布。 Stackdriver 日志 适用于 Google Cloud Platform，和 Elasticsearch。 您可以在专门的文档中找到更多的信息和说明。两者都使用 fluentd 与自定义配置作为节点上的代理。

使用 sidecar 容器和日志代理

您可以通过以下方式之一使用 sidecar 容器：

传输数据流的 sidecar 容器

利用 sidecar 容器向自己的 stdout 和 stderr 传输流的方式，您就可以利用每个节点上的 kubelet 和日志代理来处理日志。 sidecar 容器从文件，socket 或 journald 读取日志。每个 sidecar 容器打印其自己的 stdout 和 stderr 流。

这种方式允许您分离出不同的日志流，这些日志流来自您应用的不同功能，其中一些可能缺乏对写入 stdout 和 stderr 的支持。 重定向背后的逻辑很小，所以不会是很严重的开销。 除此之外，因为 kubelet 处理 stdout 和 stderr，所以您照样可以使用 kubectl logs 工具。

考虑接下来的例子。pod 的容器向两个文件写不同格式的日志，下面是这个 pod 的配置文件:

admin/logging/two-files-counter-pod.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: counter
spec:
  containers:
  - name: count
    image: busybox
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - >
      i=0;
      while true;
      do
        echo "$i: $(date)" >> /var/log/1.log;
        echo "$(date) INFO $i" >> /var/log/2.log;
        i=$((i+1));
        sleep 1;
      done
    volumeMounts:
    - name: varlog
      mountPath: /var/log
  volumes:
  - name: varlog
    emptyDir: {}

在同一个日志流中有两种不同格式的日志条目，这有点混乱，即使您试图重定向它们到容器的 stdout 流。 取而代之的是，您可以引入两个 sidecar 容器。 每一个 sidecar 容器可以从共享卷跟踪特定的日志文件，并重定向文件内容到各自的 stdout 流。

这是运行两个 sidecar 容器的 pod 文件。

admin/logging/two-files-counter-pod-streaming-sidecar.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: counter
spec:
  containers:
  - name: count
    image: busybox
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - >
      i=0;
      while true;
      do
        echo "$i: $(date)" >> /var/log/1.log;
        echo "$(date) INFO $i" >> /var/log/2.log;
        i=$((i+1));
        sleep 1;
      done
    volumeMounts:
    - name: varlog
      mountPath: /var/log
  - name: count-log-1
    image: busybox
    args: [/bin/sh, -c, 'tail -n+1 -f /var/log/1.log']
    volumeMounts:
    - name: varlog
      mountPath: /var/log
  - name: count-log-2
    image: busybox
    args: [/bin/sh, -c, 'tail -n+1 -f /var/log/2.log']
    volumeMounts:
    - name: varlog
      mountPath: /var/log
  volumes:
  - name: varlog
    emptyDir: {}

现在当您运行这个 pod 时，您可以分别地访问每一个日志流，运行如下命令：

$ kubectl logs counter count-log-1
0: Mon Jan  1 00:00:00 UTC 2001
1: Mon Jan  1 00:00:01 UTC 2001
2: Mon Jan  1 00:00:02 UTC 2001
...
$ kubectl logs counter count-log-2
Mon Jan  1 00:00:00 UTC 2001 INFO 0
Mon Jan  1 00:00:01 UTC 2001 INFO 1
Mon Jan  1 00:00:02 UTC 2001 INFO 2
...

无需深入配置，集群中的节点级代理即可自动地收集流日志。如果您愿意，您可以配置代理程序来解析源容器的日志行。

注意，尽管 CPU 和内存使用率都很低（以多个 cpu millicores 指标排序或者按 memory 的兆字节排序）， 向文件写日志然后输出到 stdout 流仍然会成倍地增加磁盘使用率。 如果您的应用向单一文件写日志，通常最好设置 /dev/stdout 作为目标路径，而不是使用流式的 sidecar 容器方式。

应用本身如果不具备轮转日志文件的功能，可以通过 sidecar 容器实现。 该方式的 例子 是运行一个定期轮转日志的容器。 然而，还是推荐直接使用 stdout 和 stderr，将日志的轮转和保留策略交给 kubelet。

具有日志代理功能的 sidecar 容器

Sidecar container with a logging agent

如果节点级的日志代理对您的环境来说不够灵活，您可以在 sidecar 容器中创建一个独立的、专门为您的应用而配置的日志代理。

Note: 在 sidecar 容器中使用日志代理会导致严重的资源损耗。此外，您不能使用 kubectl logs 命令访问日志，因为日志并没有被 kubelet 管理。

例如，您可以使用 Stackdriver，它用 fluentd 作为日志代理。 这是实现此种方式的两个配置文件。 第一个文件包含配置 fluentd 的 ConfigMap。

admin/logging/fluentd-sidecar-config.yaml 
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: fluentd-config
data:
  fluentd.conf: |
    <source>
      type tail
      format none
      path /var/log/1.log
      pos_file /var/log/1.log.pos
      tag count.format1
    </source>

    <source>
      type tail
      format none
      path /var/log/2.log
      pos_file /var/log/2.log.pos
      tag count.format2
    </source>

    <match **>
      type google_cloud
    </match>
Note: fluentd 的配置文件已经超出了本文的讨论范畴。 有关配置 fluentd 的更多信息，请见 官方 fluentd 文档。

第二个文件描述了运行 fluentd sidecar 容器的 pod 。flutend 通过 pod 的挂载卷获取它的配置数据。

admin/logging/two-files-counter-pod-agent-sidecar.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: counter
spec:
  containers:
  - name: count
    image: busybox
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - >
      i=0;
      while true;
      do
        echo "$i: $(date)" >> /var/log/1.log;
        echo "$(date) INFO $i" >> /var/log/2.log;
        i=$((i+1));
        sleep 1;
      done
    volumeMounts:
    - name: varlog
      mountPath: /var/log
  - name: count-agent
    image: k8s.gcr.io/fluentd-gcp:1.30
    env:
    - name: FLUENTD_ARGS
      value: -c /etc/fluentd-config/fluentd.conf
    volumeMounts:
    - name: varlog
      mountPath: /var/log
    - name: config-volume
      mountPath: /etc/fluentd-config
  volumes:
  - name: varlog
    emptyDir: {}
  - name: config-volume
    configMap:
      name: fluentd-config

一段时间后，您可以在 Stackdriver 界面看到日志消息。

记住，这只是一个例子，事实上您可以用任何一个日志代理替换 fluentd ，并从应用容器中读取任何资源。

从应用中直接暴露日志目录

Exposing logs directly from the application

通过暴露或推送每个应用的日志，您可以实现集群级日志记录；然而，这种日志记录机制的实现已超出 Kubernetes 的范围。

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