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外观

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Kubernetes ​

概述 ​

Kubernetes (常简称为 K8s) 是一个可移植、可扩展的开源容器编排平台，用于管理容器化的工作负载和服务，并促进声明式配置和自动化。它拥有一个庞大且快速增长的生态系统，其服务、支持和工具的使用范围广泛。

Kubernetes 这个名字源于希腊语，意为“舵手”或“飞行员”。K8s 这个缩写是因为 K 和 s 之间有 8 个字符。Google 在 2014 年开源了 Kubernetes 项目，它建立在 Google 大规模运行生产工作负载十几年经验的基础上，结合了社区中最优秀的想法和实践。

核心架构 ​

架构组成 ​

Kubernetes 遵循客户端-服务器架构，主要由控制平面 (Control Plane) 和工作节点 (Worker Nodes) 组成。

控制平面 (Master)
├── kube-apiserver: API 入口
├── etcd: 键值存储
├── kube-scheduler: 调度决策
└── kube-controller-manager: 控制循环

工作节点 (Nodes)
├── kubelet: 节点代理
├── kube-proxy: 网络代理
└── 容器运行时: Docker, containerd 等

组件详解 ​

控制平面组件：

  • kube-apiserver：公开基础 Kubernetes API，是控制平面的前端
  • etcd：一致且高可用的键值存储，用作 Kubernetes 所有集群数据的后备存储
  • kube-scheduler：监视新创建的 Pod 并选择要运行它们的节点
  • kube-controller-manager：运行控制器进程，处理集群的常规任务

节点组件：

  • kubelet：在集群中的每个节点上运行的代理，确保容器在 Pod 中运行
  • kube-proxy：在节点上维护网络规则，实现 Kubernetes 服务概念
  • 容器运行时：负责运行容器的软件，如 Docker、containerd

核心概念 ​

Pod ​

Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署计算单元，代表集群中运行的一个进程。

Pod 结构：
+-------------------+
|       Pod         |
|  +-------------+  |
|  |  Container  |  |
|  +-------------+  |
|  |  Container  |  |
|  +-------------+  |
| 共享网络和存储命名空间 |
+-------------------+

Pod 特点：

  • 可以包含一个或多个紧密相关的容器
  • 共享网络命名空间 (同一 IP) 和存储卷
  • 是临时性的、可丢弃的实体

Controller ​

控制器通过跟踪 Kubernetes 资源状态的更改，帮助将资源置于其所需状态。常见的工作负载控制器类型包括：

  • Deployment：管理无状态应用，支持滚动更新和回滚
  • ReplicaSet：确保指定数量的 Pod 副本一直在运行
  • StatefulSet：管理有状态应用，提供有序部署和缩放
  • DaemonSet：确保所有 (或某些) 节点上运行一个 Pod 的副本
  • Job 和 CronJob：运行一次性或定时任务

Service ​

Service 是一组抽象的或有逻辑的 Pod 集合，以及用于访问它们的策略。服务提供稳定的 IP 地址和 DNS 名称，实现负载均衡。

服务流量路由：
+----------+    +----------+    +-------+
| 客户端    | -> | Service  | -> | Pod 1 |
+----------+    +----------+    +-------+
                         | -> | Pod 2 |
                         +-------+
                         | -> | Pod 3 |
                         +-------+

关键特性 ​

自动修复 ​

Kubernetes 通过以下机制实现自我修复：

  • 自动重启失败的容器
  • 替换无响应的容器 (根据健康检查)
  • 杀死不通过用户定义的健康检查的容器
  • 在容器就绪前不向客户端通告

服务发现与负载均衡 ​

Kubernetes 可以使用 DNS 名称或自己的 IP 地址来暴露容器。如果进入容器的流量很大，Kubernetes 可以负载均衡并分配网络流量，从而使部署稳定。

存储编排 ​

Kubernetes 允许你自动挂载你选择的存储系统，例如本地存储、公共云提供商等。支持多种存储类型：

  • 临时卷：为只读输入数据提供临时存储，容器重启后不再可用
  • 持久卷：将存储卷作为 Kubernetes 资源提供，容器重启后数据和卷仍然可用

自动部署和回滚 ​

你可以使用 Kubernetes 描述已部署容器的所需状态，它可以以受控的速率将实际状态更改为期望状态。例如，你可以自动化 Kubernetes 来为你的部署创建新容器，删除现有容器并将它们的所有资源用于新容器。

密钥与配置管理 ​

Kubernetes 允许你存储和管理敏感信息，例如密码、OAuth 令牌和 SSH 密钥。你可以在不重建容器镜像的情况下部署和更新密钥和应用程序配置，也无需在堆栈配置中暴露密钥。

常用 API 示例 ​

Pod 配置 ​

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx-container
    image: nginx:1.19
    ports:
    - containerPort: 80
    env:
    - name: ENV_VAR
      value: "production"
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"

Deployment 配置 ​

yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.19
        ports:
        - containerPort: 80
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 10
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 10

Service 配置 ​

yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: LoadBalancer

ConfigMap 和 Secret ​

ConfigMap 示例：

yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  config.properties: |
    server.port=8080
    logging.level=INFO

Secret 示例：

yaml
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: db-secret
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=
  password: cGFzc3dvcmQ=

实践示例 ​

应用部署流程 ​

  1. 创建命名空间
yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: my-app
  1. 部署应用
bash
kubectl apply -f deployment.yaml -n my-app
  1. 暴露服务
bash
kubectl expose deployment nginx-deployment --port=80 --type=LoadBalancer -n my-app
  1. 检查状态
bash
kubectl get pods -n my-app
kubectl describe deployment nginx-deployment -n my-app
kubectl get services -n my-app

水平扩缩容 ​

bash
# 手动扩缩
kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5 -n my-app

# 自动扩缩（需要 metrics-server）
kubectl autoscale deployment nginx-deployment --cpu-percent=50 --min=1 --max=10 -n my-app

滚动更新 ​

bash
# 更新镜像版本
kubectl set image deployment nginx-deployment nginx=nginx:1.20 -n my-app

# 监视更新状态
kubectl rollout status deployment nginx-deployment -n my-app

# 回滚更新
kubectl rollout undo deployment nginx-deployment -n my-app

网络与存储 ​

网络模型 ​

Kubernetes 网络遵循基本原则：

  • 每个 Pod 都有唯一的 IP 地址
  • Pod 内所有容器共享网络命名空间
  • Pod 可以不经过 NAT 与所有其他 Pod 通信

存储卷 ​

持久卷声明示例：

yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

使用存储卷的 Pod：

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: app-with-storage
spec:
  containers:
  - name: app
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: storage
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: storage
    persistentVolumeClaim:
      claimName: my-pvc

运维与监控 ​

资源监控 ​

bash
# 查看集群资源使用情况
kubectl top nodes
kubectl top pods -n my-app

# 查看 Pod 详细状态
kubectl describe pod pod-name -n my-app

# 查看容器日志
kubectl logs pod-name -n my-app
kubectl logs pod-name -c container-name -n my-app

调试命令 ​

bash
# 进入运行中的容器
kubectl exec -it pod-name -c container-name -- /bin/bash -n my-app

# 端口转发用于本地访问
kubectl port-forward pod-name 8080:80 -n my-app

# 检查集群事件
kubectl get events -n my-app --sort-by=.metadata.creationTimestamp

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