Kubernetes是什么

一、Kubernetes 是什么？

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。它由 Google 设计并捐赠给 CNCF（云原生计算基金会），现已成为容器编排的事实标准。

二、核心架构与组件

1. 集群架构

Kubernetes 集群由两类节点组成：

• Master 节点（控制平面）：负责集群调度和决策。
• Worker 节点（数据平面）：运行容器化应用。

2. Master 节点组件

组件	功能
API Server	集群操作的唯一入口，处理 REST 请求（如 kubectl 命令）。
etcd	分布式键值存储，保存集群状态（如 Pod、Service 配置）。
Controller Manager	运行控制器（如 Deployment、Node 控制器），确保集群状态符合预期。
Scheduler	根据资源需求将 Pod 调度到合适的 Worker 节点。

3. Worker 节点组件

组件	功能
kubelet	与 Master 通信，管理节点上的 Pod 生命周期（启动/停止容器）。
kube-proxy	维护网络规则，实现 Service 的负载均衡和流量转发。
容器运行时	执行容器（如 Docker、containerd）。

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三、关键概念与资源对象

1. Pod

• 最小调度单元：一个或多个共享网络/存储的容器（通常为单容器）。
• 示例：运行 Node.js 应用的 Pod。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nodejs-pod
spec:
  containers:
  - name: nodejs
    image: node:18-alpine
    ports:
    - containerPort: 3000

2. Deployment

• 管理 Pod 副本：声明式定义 Pod 的副本数、更新策略。
• 支持滚动更新、回滚。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nodejs-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nodejs
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nodejs
    spec:
      containers:
      - name: nodejs
        image: node:18-alpine

3. Service

• 暴露服务：为一组 Pod 提供稳定的 IP 和 DNS 名称，支持负载均衡。
• 类型：ClusterIP（内部）、NodePort（节点端口）、LoadBalancer（云厂商 LB）。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nodejs-service
spec:
  selector:
    app: nodejs
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 3000
  type: ClusterIP

4. Ingress

• 七层路由管理：通过规则将外部流量路由到 Service（如基于域名或路径）。
• 依赖 Ingress Controller（如 Nginx、Traefik）。

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nodejs-ingress
spec:
  rules:
  - host: example.com
    http:
      paths:
      - path: /api
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nodejs-service
            port:
              number: 80

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四、核心功能特性

1. 自动化运维

• 自愈能力：自动重启故障容器、重新调度宕机节点上的 Pod。
• 滚动更新：逐步替换旧版本 Pod，确保零停机。
• 回滚机制：通过 kubectl rollout undo 回退到历史版本。

2. 弹性伸缩

• Horizontal Pod Autoscaler (HPA)：根据 CPU/内存或自定义指标自动扩缩 Pod。

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: nodejs-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: nodejs-deployment
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50

3. 服务发现与负载均衡

• DNS 机制：通过 <service-name>.<namespace>.svc.cluster.local 访问服务。
• 流量分割：结合 Service 和 Ingress 实现金丝雀发布、A/B 测试。

4. 配置与存储管理

• ConfigMap：存储非敏感配置（如环境变量）。
• Secret：管理敏感数据（如数据库密码）。
• PersistentVolume (PV)：提供持久化存储（如数据库数据）。

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五、存储与网络

1. 存储

• Volume：Pod 级别的存储（临时或持久）。
• PersistentVolumeClaim (PVC)：用户对存储资源的申请（如申请 10Gi 空间）。

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

2. 网络

• CNI 插件：实现 Pod 跨节点通信（如 Calico、Flannel）。
• NetworkPolicy：控制 Pod 之间的网络流量（如允许前端 Pod 访问后端数据库）。

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六、生态系统与工具

工具	用途
Helm	包管理器，简化应用部署（如 helm install）。
Prometheus	监控集群和应用的性能指标。
Grafana	可视化监控数据。
Argo CD	GitOps 持续交付工具。
Kustomize	管理环境差异化的 YAML 配置。

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七、典型应用场景

1. 微服务架构：管理数百个服务的部署、通信和监控。
2. 批处理任务：运行定时任务（通过 CronJob）。
3. 机器学习流水线：调度训练和推理任务。
4. 高可用 Web 应用：通过多副本和 HPA 应对流量高峰。

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八、最佳实践

1. 资源限制：为容器设置 CPU/内存的 requests 和 limits。
2. 健康检查：配置 livenessProbe 和 readinessProbe。
3. 不可变基础设施：避免直接修改运行中的容器，通过更新镜像重新部署。
4. 命名空间隔离：用 namespace 分隔开发、测试和生产环境。

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九、学习路径建议

1. 入门：通过 minikube 或 kind 搭建本地集群。
2. 动手实践：部署一个简单的 Web 应用（如 Nginx + Node.js + MySQL）。
3. 深入理解：研究 Service Mesh（如 Istio）、Operator 模式等高级主题。
   Kubernetes 的复杂性在于其丰富的功能模块，但掌握其核心逻辑（声明式 API + 控制器模式）后，可逐步构建高效的云原生架构。