Kubernetes（k8s）解析

松岛轩
79 阅读3分钟

Kubernetes（简称 k8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。以下是 Kubernetes 的详细解析，涵盖核心概念、架构、组件及关键功能：

1. Kubernetes 核心概念

  • Pod

    • 最小的调度单元，包含一个或多个共享网络/存储的容器。
    • 每个 Pod 有唯一 IP，内部容器通过 localhost 通信。
    • 示例：一个 Pod 包含主应用容器和日志收集 Sidecar 容器。

  • Deployment

    • 定义 Pod 的副本数和更新策略（滚动更新、回滚）。
    • 确保指定数量的 Pod 始终运行。
    • 示例：nginx-deployment 管理 3 个 Nginx Pod。

  • Service

    • 为 Pod 提供稳定的访问入口（ClusterIP、NodePort、LoadBalancer）。
    • 通过标签选择器关联 Pod。
    • 示例：ClusterIP 服务暴露一组后端 Pod。

  • Namespace

    • 逻辑隔离资源（如 dev、prod），支持多租户。
    • 系统命名空间：kube-system（核心组件）、default（用户资源）。

  • ConfigMap & Secret

    • ConfigMap：存储非敏感配置（如环境变量）。
    • Secret：存储敏感数据（如密码、密钥），Base64 编码。

  • Volume

    • 提供持久化存储（如 hostPath、nfs、云存储）。
    • PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC) 解耦存储细节。

  • Ingress

    • 管理外部访问（HTTP/HTTPS 路由），通常配合 Nginx/Istio 实现。

2. Kubernetes 架构

控制平面（Control Plane）

  1. API Server (kube-apiserver)
    • 集群的入口，处理 REST 请求，校验资源定义。
  2. Scheduler (kube-scheduler)
    • 决定 Pod 调度到哪个节点（基于资源、亲和性等）。
  3. Controller Manager (kube-controller-manager)
    • 运行核心控制器（如 Deployment、Node 控制器）。
  4. etcd
    • 分布式键值存储，保存集群状态（如 Pod、Service 信息）。

工作节点（Worker Node）

  1. kubelet
    • 负责 Pod 生命周期管理（创建、监控）。
  2. kube-proxy
    • 维护节点网络规则（Service 的 IPTABLES/IPVS 转发）。
  3. 容器运行时
    • 如 Docker、containerd、CRI-O，负责运行容器。

3. 关键功能

  • 自动扩缩

    • Horizontal Pod Autoscaler (HPA)：根据 CPU/内存等指标扩缩 Pod。
    • Cluster Autoscaler：动态调整节点数量（云环境）。

  • 自我修复

    • 重启故障容器、替换不可用 Pod、重新调度节点故障的 Pod。

  • 服务发现与负载均衡

    • 通过 Service 和 DNS 自动暴露应用。

  • 滚动更新与回滚

    • Deployment 支持分批次更新，失败时自动回滚到上一版本。

  • 安全机制

    • RBAC：基于角色的访问控制。
    • Network Policies：定义 Pod 间网络隔离规则。

4. 常用命令

# 查看资源
kubectl get pods -n <namespace>
kubectl describe pod <pod-name>

# 部署应用
kubectl apply -f deployment.yaml

# 调试
kubectl logs <pod-name> -c <container-name>
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/sh

# 扩缩容
kubectl scale deployment/nginx --replicas=3

5. 部署工具与生态

  • Minikube：本地单节点集群。
  • kubeadm：生产级集群部署工具。
  • Helm：Kubernetes 包管理器（Charts）。
  • Operator：扩展 Kubernetes 以管理有状态应用（如数据库）。
  • 服务网格：Istio、Linkerd（增强流量管理、监控）。

6. 典型工作流程

  1. 开发者编写 Deployment 和 Service YAML。
  2. kubectl apply 提交到集群，API Server 接收请求。
  3. Scheduler 分配 Pod 到合适节点，kubelet 创建容器。
  4. Service 和 Ingress 提供访问入口，HPA 根据负载调整副本数。

7. 学习资源

  • 官方文档：kubernetes.io
  • 互动教程：Katacoda
  • 书籍：《Kubernetes in Action》《深入剖析Kubernetes》

Kubernetes 是云原生领域的核心工具，掌握其核心概念和运维技巧对现代 DevOps 和 SRE 至关重要。建议从本地环境（如 Minikube）开始实践，逐步深入集群管理和高级特性。

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