Hello folks，我是 Luga，今天我們來聊一下云原生生態核心技術之 Kubernetes 編排工具 —— Minikube。

為什么需要 Minikube 工具 ?

隨著容器技術的迅猛發展和廣泛應用，Kubernetes 在企業中扮演著重要的角色。通常情況下，我們將 Kubernetes 描述為“將 Linux 容器集群作為單個系統進行管理，以加速開發并簡化維護”。對于企業應用服務的容器化改造而言，學習和使用 Kubernetes 已經成為不可避免的一部分。

然而，對于剛接觸這個體系的 DevOps 人員來說，在環境中完整部署一整套多節點的 Kubernetes 集群確實具有一定的難度。這種部署涉及到復雜的配置、網絡設置和資源管理等方面，需要具備深入的理解和相關經驗。

為了幫助這些 DevOps 人員克服這種難度，出現了一些工具和平臺，如 Minikube、K3s 和 Kind 等。這些工具提供了簡化和輕量級的 Kubernetes 部署選項，使得在本地或開發環境中搭建一個功能齊全的 Kubernetes 集群變得更加容易。

此外，云服務提供商也提供了托管的 Kubernetes 服務，如 Amazon EKS、Google Kubernetes Engine(GKE)和 Microsoft Azure Kubernetes Service(AKS)等。這些托管服務解決了底層基礎設施的復雜性，使得 DevOps 人員可以專注于應用程序的部署和管理，而無需擔心底層的 Kubernetes 集群細節。

因此，對于那些剛接觸 Kubernetes 的 DevOps 人員來說，他們可以利用這些工具和托管服務來降低部署和管理 Kubernetes 的難度。隨著經驗的積累和深入學習，他們將能夠逐漸掌握和理解 Kubernetes 的各個方面，并能夠在實際生產環境中部署和管理復雜的多節點 Kubernetes 集群。

總之，雖然在環境中完整部署一整套多節點的 Kubernetes 集群對于剛接觸這個體系的 DevOps 人員來說具有一定難度，但通過使用簡化部署工具和托管服務，他們可以逐步克服這些挑戰，并為企業應用服務的容器化改造提供可靠的支持。

何為 Minikube 工具 ?

Kubernetes 是一個基于 Go 語言開發的用于 Docker 容器的開源編排系統。它能夠處理計算集群中節點的調度，并主動管理工作負載，以確保它們的狀態與用戶聲明的意圖相匹配。然而，與此同時，Minikube 被詳細地描述為一個開源的"本地 Kubernetes 引擎"，它可以在 macOS、Linux 和 Windows 平臺上實現本地化的 Kubernetes 集群。作為 Kubernetes 官方推薦的最佳協同工具之一，Minikube 的目標是成為本地 Kubernetes 應用程序開發的工具，并支持所有適用的 Kubernetes 功能。

Minikube 的主要功能是運行單節點 Kubernetes 集群，以便在本地機器上進行開發。它支持多種虛擬機驅動程序，如 VirtualBox、HyperV 和 KVM2。由于 Minikube 是 Kubernetes 世界中相對成熟的解決方案，它支持的功能列表令人印象深刻，包括負載均衡器、多集群、節點端口、持久卷、入口、儀表板和容器運行時等。

基于 Minikube 這個開源工具，開發人員、運維人員和 DevOps 工程師能夠快速搭建本地的 Kubernetes 單節點集群環境。Minikube 對軟硬件資源的要求并不高，因此方便技術人員進行學習、實踐和日常的項目開發。

總的來說，Kubernetes 和 Minikube 為容器化應用開發和部署提供了強大的支持。Kubernetes 作為一個分布式系統的編排工具，可以管理和調度容器化的應用程序，而 Minikube 則提供了一個簡單實用的方式，在本地機器上搭建和管理 Kubernetes 集群。這些工具的使用使得開發人員能夠更加高效地進行應用程序開發、測試和部署，加速了應用交付的速度和質量。

認識不一樣的 Minikube 技術堆棧

基于 Minikube 的相關特性，我們從操作系統(OS)、CPU 架構、程序管理技術(Hypervisor tech)、容器運行時(CRI)以及容器網絡接口插件(CNIs)等多方位角度簡要描繪 Minikube 所支持的技術運行棧形態，具體如下圖所示：

1、操作系統(OS)：

Minikube 支持在多種操作系統上運行，包括但不限于以下幾種：

• macOS：Minikube 可以在 macOS 上運行，提供了方便的本地開發和測試環境。
• Linux：Minikube 支持在不同的 Linux 發行版上運行，使開發人員能夠在本地機器上搭建 Kubernetes 集群。
• Windows：Minikube 可以在 Windows 平臺上運行，為 Windows 用戶提供了本地化的 Kubernetes 開發環境。

2、CPU架構：

Minikube 能夠適應不同的 CPU 架構，包括但不限于以下幾種：

• x86 架構：Minikube 支持 x86 架構的處理器，這是目前最常見的桌面和服務器處理器架構。
• ARM 架構：Minikube 還支持 ARM 架構，這是一種常見于嵌入式設備和移動設備的處理器架構。

3、程序管理技術(Hypervisor tech)：

Minikube 利用虛擬化管理器來創建和管理虛擬機，以模擬多節點的 Kubernetes 集群。它支持多種虛擬化管理器技術，包括但不限于以下幾種：

• VirtualBox：Minikube 可以使用 VirtualBox 作為虛擬化管理器，在本地機器上創建和管理虛擬機。
• HyperV：對于 Windows 平臺，Minikube 支持使用 HyperV 作為虛擬化管理器，提供了本地化的Kubernetes環境。
• KVM2：在 Linux 平臺上，Minikube 可以使用 KVM2 作為虛擬化管理器，以實現本地 Kubernetes 集群的搭建和管理。

4、容器運行時(CRI)：

Minikube 支持多種容器運行時，以在本地機器上運行和管理容器化的應用程序。以下是一些 Minikube 所支持的常見容器運行時：

• Docker：作為最流行的容器運行時之一，Minikube 支持使用 Docker 來創建和管理容器，使得應用程序可以在本地的Kubernetes集群中以容器的形式運行。
• containerd：Minikube 還支持使用 containerd 作為容器運行時，containerd 是一個輕量級的容器運行時，為 Kubernetes 提供了容器管理的能力。

5、容器網絡接口插件(CNIs)：

Minikube 支持多種容器網絡接口插件，以實現容器之間的網絡通信和連接。以下是一些 Minikube 所支持的常見容器網絡接口插件：

• Calico：Minikube 可以集成 Calico 作為容器網絡接口插件，提供網絡策略和安全性功能。
• flannel：Minikube 還支持使用 flannel 作為容器網絡接口插件，flannel 提供了簡單而高效的網絡覆蓋，使得容器可以相互通信。

Minikube 工具基本部署安裝

Minikube 安裝部署較為簡單，這里，我們以 macOS 平臺為例，進行簡單介紹，具體如下：

[administrator@JavaLangOutOfMemory ~ ]% brew  install minikube

[administrator@JavaLangOutOfMemory ~ ]% minikube start

當然，我們還可以自定義參數進行啟動，具體如下所示：

[administrator@JavaLangOutOfMemory ~ ]%  minikube start --iso-url=https://kubernetes.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/minikube/iso/minikube-v1.x.x.iso
                 --registry-mirror=https://registry.docker-cn.com
                 --image-mirror-country=cn
                 --image-repository=registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers
                 --vm-driver=none
                 --memory=4096

部署完成后，檢測相關配置參數等。

[administrator@JavaLangOutOfMemory ~ ]% kubectl version
Client Version: version.Info{Major:"1", Minor:"21", GitVersion:"v1.21.2", GitCommit:"092fbfbf53427de67cac1e9fa54aaa09a28371d7", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2021-06-16T12:52:14Z", GoVersion:"go1.16.5", Compiler:"gc", Platform:"darwin/amd64"}
Server Version: version.Info{Major:"1", Minor:"20", GitVersion:"v1.20.7", GitCommit:"132a687512d7fb058d0f5890f07d4121b3f0a2e2", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2021-05-12T12:32:49Z", GoVersion:"go1.15.12", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

[administrator@JavaLangOutOfMemory ~ ]% kubectl get node -o wide
NAME       STATUS   ROLES                  AGE   VERSION   INTERNAL-IP    EXTERNAL-IP   OS-IMAGE             KERNEL-VERSION     CONTAINER-RUNTIME
minikube   Ready    control-plane,master   15h   v1.20.7   192.168.49.2   <none>        Ubuntu 20.04.2 LTS   5.10.25-linuxkit   docker://20.10.7
[administrator@JavaLangOutOfMemory ~ ]% kubectl get pod -A
NAMESPACE     NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kube-system   coredns-74ff55c5b-p6dlz            1/1     Running   0          15h
kube-system   etcd-minikube                      1/1     Running   0          15h
kube-system   kube-apiserver-minikube            1/1     Running   0          15h
kube-system   kube-controller-manager-minikube   1/1     Running   0          15h
kube-system   kube-proxy-dcr72                   1/1     Running   0          15h
kube-system   kube-scheduler-minikube            1/1     Running   0          15h
kube-system   storage-provisioner                1/1     Running   3          15h 

常見命令行如下所示：

[administrator@JavaLangOutOfMemory ~ ] % minikube --help
minikube provisions and manages local Kubernetes clusters optimized for development workflows.

Basic Commands:
  start          Starts a local Kubernetes cluster
  status         Gets the status of a local Kubernetes cluster
  stop           Stops a running local Kubernetes cluster
  delete         Deletes a local Kubernetes cluster
  dashboard      Access the Kubernetes dashboard running within the minikube cluster
  pause          pause Kubernetes
  unpause        unpause Kubernetes

Images Commands:
  docker-env     Configure environment to use minikube's Docker daemon
  podman-env     Configure environment to use minikube's Podman service
  cache          Add, delete, or push a local image into minikube
  image          Manage images

Configuration and Management Commands:
  addons         Enable or disable a minikube addon
  config         Modify persistent configuration values
  profile        Get or list the current profiles (clusters)
  update-context Update kubeconfig in case of an IP or port change

Networking and Connectivity Commands:
  service        Returns a URL to connect to a service
  tunnel         Connect to LoadBalancer services

Advanced Commands:
  mount          Mounts the specified directory into minikube
  ssh            Log into the minikube environment (for debugging)
  kubectl        Run a kubectl binary matching the cluster version
  node           Add, remove, or list additional nodes
  cp             Copy the specified file into minikube

Troubleshooting Commands:
  ssh-key        Retrieve the ssh identity key path of the specified node
  ssh-host       Retrieve the ssh host key of the specified node
  ip             Retrieves the IP address of the specified node
  logs           Returns logs to debug a local Kubernetes cluster
  update-check   Print current and latest version number
  version        Print the version of minikube
  options        Show a list of global command-line options (applies to all commands).

Other Commands:
  completion     Generate command completion for a shell

Use "minikube <command> --help" for more information about a given command.

Minikube 工具架構原理解析

Minikube 基于本地虛擬機環境部署 Kubernetes 集群，其基本架構參考示意圖，如下圖所示：

具體實現原理涉及如下：

(1) 下載 .iso 文件以能夠使得本地環境處于可用狀態

在 Minikube 啟動過程中，首先需要下載一個 .iso 文件，以確保本地環境處于可用狀態。這個 .iso 文件通常包含一個 Linux 發行版(通常是 boot2docker )和所需的工具和依賴項。

(2) 從下載的 .iso 文件中提取 boot2docker.iso 鏡像文件

從下載的 .iso 文件中提取 boot2docker.is o鏡像文件。這個鏡像是一個輕量級的 Linux 操作系統，專門用于在 Minikube 中運行。

(3) 創建用于 SSH 目的的動態證書

在 Minikube 中，為了能夠通過 SSH 與虛擬機進行通信，需要創建一對動態證書。這些證書用于安全地建立 SSH 連接，以便管理和操作虛擬機。

(4) 使用指定的配置創建 VirtualBox VM 文件

根據指定的配置信息，使用 VirtualBox 虛擬化軟件創建一個虛擬機(VM)文件。這個虛擬機將用作 Minikube 集群的節點。

(5) 設置存儲以掛載 boot2docker.iso 文件

在虛擬機中設置存儲配置，以便將 boot2docker.iso 文件掛載到虛擬機的文件系統中。這樣，虛擬機就能夠訪問其中的文件并引導啟動。

(6) 設置網絡相關配置(IP、DHCP 等)以及在 VM 內設置 SSH 等

配置虛擬機的網絡相關設置，例如為虛擬機分配 IP 地址、配置 DHCP 等。此外，還在虛擬機內部設置 SSH，以便允許通過 SSH 與虛擬機進行遠程連接和管理。

(7) 啟動虛擬機

現在，啟動虛擬機并等待它完成啟動過程。一旦虛擬機啟動成功，它就成為 Minikube 集群中的一個節點。

(8) 設置 /etc/hostname、 /etc/hosts 以及設置 systemd 相關文件以使得 Docker 容器引擎能夠正常啟動

在虛擬機中進行一些配置操作，例如設置主機名(/etc/hostname)、設置主機解析(/etc/hosts)以及配置systemd相關文件。這些操作有助于確保Docker容器引擎能夠在虛擬機中正常啟動和工作。

(9) 準備 Kubernetes 和 Docker 等相關基礎環境配置

在虛擬機中準備 Kubernetes 和 Docker 等相關基礎環境配置。這可能涉及安裝和配置所需的軟件包、設置環境變量、創建相關目錄等。

(10) 下載所有相關的 Kubernetes 文件 - kubelet、kubeadm 等

在虛擬機中下載所有相關的 Kubernetes 文件，包括 kubelet、kubeadm 等工具。這些工具用于管理和操作 Kubernetes 集群。

(11) 為 Kubernetes 所需的不同包拉取 Docker 鏡像并啟動不同的服務，例如，分布式存儲系統 Etcd、調度程序 Scheduler、控制器 Controller Manager 以及 Api Server

在虛擬機中為 Kubernetes 所需的不同組件和服務拉取 Docker 鏡像，并啟動這些服務。這可能涉及拉取 Etcd 鏡像(用于分布式存儲系統)、啟動調度程序、控制器管理器和API服務器等關鍵組件。

通過以上步驟，Minikube 成功完成了組件的啟動流程，并為用戶提供了一個本地的、可用于開發和測試的 Kubernetes 集群環境。