k8s整体架构与设计原理 ｜ 青训营

初秋青稞
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"K8s" 是 "Kubernetes" 的简写，是一个用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序的开源平台。Kubernetes 的目标是简化容器化应用程序的部署和运维，使开发者能够更轻松地管理复杂的容器化应用程序，从而提高应用程序的可靠性和可扩展性。

容器化是一种虚拟化技术，可以将应用程序及其所有依赖项打包在一个轻量级的环境中，称为容器。这使得应用程序能够在不同的计算环境中以一致的方式运行，从开发环境到生产环境。

Kubernetes 提供了以下主要功能：

  1. 自动化容器部署和伸缩： Kubernetes 允许你定义应用程序的部署规范，然后自动处理容器的创建、销毁和伸缩，以适应不同的负载情况。
  2. 自动容器位置调度： Kubernetes 可以根据资源需求和约束条件，在集群中的不同节点上调度容器，以确保高效的资源利用和负载平衡。
  3. 自动容器恢复： 如果容器或节点发生故障，Kubernetes 可以自动重新启动容器或迁移容器到其他健康的节点，以实现高可用性。
  4. 自动应用程序升级和回滚： Kubernetes 支持无缝地进行应用程序的升级和回滚，以确保应用程序在不中断服务的情况下进行更新。
  5. 容器间通信和服务发现： Kubernetes 提供了内建的服务发现和负载均衡机制，使容器能够轻松地相互通信，构建微服务架构。
  6. 存储管理： Kubernetes 允许你声明式地管理应用程序所需的存储卷，并自动将其挂载到容器中。
  7. 配置管理： Kubernetes 允许你将配置信息从应用程序代码中分离出来，并动态地进行配置更改，而无需重新部署应用程序。
  8. 密钥和密码管理： Kubernetes 提供了安全的方式来管理敏感信息，如密码和密钥。

Kubernetes 已经成为容器化部署和管理的事实标准，被广泛用于构建和运行云原生应用程序。它支持多种容器运行时，包括 Docker，并且可以在各种云平台和私有数据中心中部署。

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架构概述：

Kubernetes 的整体架构可以分为以下几个主要组件：

  1. Master 组件： Master 组件是整个集群的控制中心，负责管理和控制集群中的所有操作。它包括以下核心组件：

    • API Server： 提供集群内部和外部的 API 接口，供用户和其他组件进行交互。
    • Controller Manager： 负责监控集群状态的变化，以确保期望状态与实际状态一致。它包括多个控制器，如 ReplicaSet、Deployment、Namespace 等。
    • Scheduler： 负责将待调度的 Pod 分配到合适的节点上，考虑资源需求、节点负载和亲和性规则等。
    • etcd： 是一个分布式键值存储系统，用于存储集群的配置信息、状态和元数据。

  2. Node 组件： Node 组件运行在每个节点上，负责在节点级别管理容器和相关资源。每个节点上都运行了以下组件：

    • Kubelet： 监控 Master 节点的指令，确保在节点上运行的容器处于健康状态。
    • Kube Proxy： 负责在节点上维护网络代理，实现服务发现和负载均衡。
    • Container Runtime： 负责运行容器，支持多种容器运行时，如 Docker、containerd 等。

  3. 网络插件： Kubernetes 集群需要一个网络插件，以便容器能够在不同节点之间通信，并且实现服务的负载均衡。常用的网络插件包括 Calico、Flannel、Cilium 等。

  4. 存储插件： 存储插件允许容器使用持久化存储卷，并且在容器迁移时保持数据的一致性。一些存储插件包括 CSI（Container Storage Interface）插件。

设计原理：

  1. 自愈性和自动化： Kubernetes 的设计强调自愈能力，即自动检测和处理故障，例如自动重新启动失败的容器或迁移到其他健康节点。这使得应用程序具有更高的可用性。
  2. 声明式配置： Kubernetes 鼓励使用声明式配置方式，用户通过定义期望状态的 YAML 文件来描述应用程序、服务和资源的规范，而不是编写详细的操作指令。
  3. 抽象化和解耦： Kubernetes 提供了多个抽象层次，如 Pod、Service、Deployment 等，使开发人员能够更专注于应用程序的逻辑，而不用关心底层基础设施的细节。
  4. 弹性和扩展性： Kubernetes 可以动态地伸缩应用程序，根据负载自动扩展或收缩容器实例数量。它还支持将应用程序分布在多个节点上，以实现水平扩展。
  5. 服务发现和负载均衡： Kubernetes 提供内建的服务发现和负载均衡机制，使容器能够通过服务名来相互通信，而不需要知道具体的 IP 地址。
  6. 多租户支持： Kubernetes 支持多个命名空间（Namespace），允许在同一个集群中隔离不同团队或应用程序。
  7. 可插拔性： Kubernetes 设计为可扩展和可插拔的架构，可以通过自定义插件和扩展来满足特定需求，如网络插件、存储插件等。
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