Kubernetes - 简介与架构
Kubernetes - 简介与架构
什么是 Kubernetes？
Kubernetes（常简称为 K8s，因为 K 和 s 之间有 8 个字母）是一个开源的容器编排平台，最初由 Google 设计并捐赠给云原生计算基金会（CNCF）来维护。
Kubernetes 的核心目标是让部署容器化应用变得简单高效。它提供了容器的自动化部署、扩展、负载均衡、自愈等能力，让开发者可以专注于业务代码，而不用担心底层基础设施。
为什么需要 Kubernetes？
在容器化时代之前，应用部署面临诸多挑战：
| 问题 | 传统方式 | Kubernetes 方式 |
|---|---|---|
| 服务扩缩容 | 手动添加/移除服务器 | 自动水平扩缩容 |
| 服务发现 | 硬编码 IP 地址 | 内置服务发现机制 |
| 负载均衡 | 单独配置负载均衡器 | 内置负载均衡 |
| 滚动更新 | 停机更新或复杂脚本 | 零停机滚动更新 |
| 故障恢复 | 人工介入处理 | 自动检测和恢复 |
| 配置管理 | 分散在各处 | 集中式配置管理 |
Kubernetes 的核心特性
1. 自动化部署与回滚
Kubernetes 可以按照预期状态自动部署应用，如果发现问题可以自动回滚到之前的版本。
2. 服务发现与负载均衡
Kubernetes 可以使用 DNS 名称或 IP 地址暴露容器。如果到容器的流量很大，Kubernetes 能够自动进行负载均衡。
3. 自动装箱
根据资源需求和其他约束自动放置容器，同时不牺牲可用性。
4. 自我修复
当容器失败时，Kubernetes 会自动重启容器；当节点故障时，会自动替换和重新调度容器；当容器未通过健康检查时，会自动终止并重建。
5. 密钥与配置管理
Kubernetes 允许存储和管理敏感信息，如密码、OAuth 令牌和 SSH 密钥。可以在不重建容器镜像的情况下更新配置。
6. 存储编排
Kubernetes 允许自动挂载所选存储系统，包括本地存储、公有云提供商和网络存储系统。
Kubernetes 架构
Kubernetes 集群由控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Node）组成。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Kubernetes 集群 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Control Plane (Master) ││
│ │ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────────────┐ ││
│ │ │ API Server │ │ Scheduler │ │ Controller Manager │ ││
│ │ └──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────────────┘ ││
│ │ ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐ ││
│ │ │ etcd │ ││
│ │ └──────────────────────────────────────────────────────────┘ ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘│
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Worker Node 1 ││
│ │ ┌─────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────────────────────┐ ││
│ │ │ kubelet │ │ kube-proxy │ │ Container Runtime │ ││
│ │ └─────────┘ └─────────────┘ └─────────────────────────────┘ ││
│ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐││
│ │ │ Pod Pod Pod Pod Pod Pod │││
│ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘│
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Worker Node 2 ││
│ │ ┌─────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────────────────────┐ ││
│ │ │ kubelet │ │ kube-proxy │ │ Container Runtime │ ││
│ │ └─────────┘ └─────────────┘ └─────────────────────────────┘ ││
│ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐││
│ │ │ Pod Pod Pod Pod Pod Pod │││
│ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘Control Plane 组件
1. kube-apiserver
API Server 是 Kubernetes 控制平面的前端，负责处理所有 REST 请求。它是唯一直接与 etcd 交互的组件。
# 所有 kubectl 命令都是通过 API Server 执行的
kubectl get pods2. etcd
etcd 是一个高可用的分布式键值存储，用于存储 Kubernetes 集群的所有配置数据和状态信息。
特点：
- 分布式存储，支持高可用
- 使用 Raft 协议保证一致性
- 存储集群的所有元数据
3. kube-scheduler
调度器负责监控新创建的、未指定运行节点的 Pod，并为它们选择一个合适的节点运行。
调度因素：
- 资源需求（CPU、内存）
- 亲和性/反亲和性规则
- 数据本地化
- 节点污点和容忍
4. kube-controller-manager
控制器管理器运行各种控制器进程，包括：
- Node Controller：负责节点故障检测和响应
- Replication Controller：维护 Pod 副本数量
- Endpoints Controller：填充 Endpoints 对象
- Service Account & Token Controllers：为新命名空间创建默认账户和令牌
Worker Node 组件
1. kubelet
kubelet 是在每个节点上运行的主要代理，负责确保容器在 Pod 中运行。
主要职责：
- 接收 PodSpec 并确保容器运行
- 定期汇报节点和 Pod 状态
- 执行容器健康检查
2. kube-proxy
kube-proxy 是集群中每个节点上运行的网络代理，负责实现 Kubernetes Service 概念的一部分。
功能：
- 维护节点上的网络规则
- 实现 Service 的负载均衡
- 支持 TCP/UDP/SCTP 协议转发
3. Container Runtime
容器运行时是负责运行容器的软件。Kubernetes 支持多种容器运行时：
- containerd：目前最流行的选择
- CRI-O：专为 Kubernetes 设计的轻量级运行时
- Docker Engine（通过 cri-dockerd）
Kubernetes 核心对象
Pod
Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，可以包含一个或多个容器。
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: nginx-pod
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.21
ports:
- containerPort: 80ReplicaSet
ReplicaSet 确保指定数量的 Pod 副本始终运行。
Deployment
Deployment 提供了 Pod 和 ReplicaSet 的声明式更新能力。
Service
Service 将运行在一组 Pod 上的应用程序公开为网络服务。
Namespace
Namespace 提供了一种将集群资源划分为多个虚拟集群的方法。
Kubernetes vs Docker Swarm
| 特性 | Kubernetes | Docker Swarm |
|---|---|---|
| 学习曲线 | 陡峭 | 平缓 |
| 安装复杂度 | 复杂 | 简单 |
| 扩展性 | 非常强 | 较强 |
| 负载均衡 | 需要配置 | 内置 |
| 社区支持 | 非常活跃 | 活跃 |
| 适用场景 | 大规模生产环境 | 中小规模环境 |
总结
Kubernetes 是当今最流行的容器编排平台，它提供了：
- 强大的编排能力：自动化部署、扩展和管理容器化应用
- 高可用性：自我修复、滚动更新、负载均衡
- 可扩展性：支持大规模集群和自定义扩展
- 声明式配置：使用 YAML 文件描述期望状态
- 丰富的生态系统：Helm、Istio、Prometheus 等
下一步
了解了 Kubernetes 的基本概念和架构后，接下来我们将学习如何安装和配置 Kubernetes 集群。