Kubernetes 技术介绍

什么是 Kubernetes？

Kubernetes（常简称为 K8s）是一个用于自动部署、扩展和管理“容器化应用程序”的开源平台。

您可以将它想象成“容器操作系统的内核”，它负责调度、运行和维护一堆容器，就像您的电脑操作系统负责调度和管理 CPU、内存、进程一样。

• 为什么需要它？ 当您只有几个容器时，手动管理还可行，但当容器数量达到几十、几百甚至上千时，手动操作（如启动、停止、更新、发现故障）将变得极其困难和不可靠，Kubernetes 就是为了解决这个大规模容器管理难题而生的。

• 核心目标：

  1. 服务自愈: 如果一个容器或节点挂了，Kubernetes 能自动重启或替换它。
  2. 弹性伸缩: 您可以根据负载情况,自动增加或减少容器的数量。
  3. 服务发现与负载均衡: 自动为容器分配 IP 和 DNS 名，并实现负载均衡,让用户请求可以平滑地分发到多个容器上。
  4. 自动化发布与回滚: 您可以轻松地更新应用版本，如果新版本有问题,可以一键回滚到旧版本。
  5. 配置与密钥管理: 管理应用的配置信息和敏感数据（如密码、API Key）,而无需将它们硬编码在镜像中。

核心概念与架构

理解 Kubernetes 的关键在于理解它的核心组件和抽象概念，我们可以从它的控制平面和工作节点两部分来理解其架构。

1 控制平面

控制平面是 Kubernetes 的大脑，负责做出集群决策，例如调度应用、维护应用状态、伸缩等。

• kube-apiserver (API 服务器): 所有组件的统一入口，它暴露了 Kubernetes 的 API，并负责处理所有 REST 请求，您可以通过 kubectl 命令行工具或直接发送 HTTP 请求与之交互。
• etcd (键值存储): Kubernetes 的“数据库”，它是一个高可用的键值存储系统，用于持久化存储集群的所有数据，包括节点信息、Pod 状态、配置等。etcd 的数据一致性和可靠性是整个集群稳定运行的基石。
• kube-scheduler (调度器): 负责为新创建的 Pod（见下文）选择一个合适的工作节点来运行，它会考虑多种因素，如节点的资源是否充足、是否有特定的硬件/软件要求、亲和性/反亲和性规则等。
• kube-controller-manager (控制器管理器): 运行“控制器”的进程，控制器是集群中“期望状态”与“实际状态”的协调者，如果期望有 3 个副本的 Pod，但其中一个挂了，控制器就会负责创建一个新的 Pod 来弥补这个差距，常见的控制器有 Node Controller、Replication Controller 等。

2 工作节点

工作节点是真正运行您应用程序容器的地方。

• kubelet (节点代理): 每个节点上运行的代理，它负责与 API 服务器通信，确保节点上的 Pod（容器）都处于运行状态，它也负责管理容器的生命周期，包括启动、停止、监控等。
• kube-proxy (网络代理): 负责维护节点上的网络规则，实现 Kubernetes 的服务抽象，它允许集群内的网络通信，并负责实现负载均衡，当有新的 Service 创建时，kube-proxy 会在节点上设置规则（如 iptables 或 IPVS）将流量转发到正确的后端 Pod。
• 容器运行时: 负责实际运行容器的软件，最常见的是 Docker，但 Kubernetes 也支持其他容器运行时，如 containerd, CRI-O 等。

3 核心抽象对象

您在 Kubernetes 中操作的主要是这些 API 对象，它们定义了您集群的“期望状态”。

• Pod (波德): Kubernetes 中最小的可部署单元，一个 Pod 包含一个或多个紧密相关的容器，这些容器共享网络命名空间（IP 地址和端口）和存储卷，Pod 通常是短暂的，生命周期很短,被设计为可以被轻易地创建和销毁。
• Deployment (部署): 这是您最常用来管理无状态应用的对象，它描述了应用的期望状态，比如应该运行多少个 Pod 副本、使用哪个 Docker 镜像等，Deployment 控制器会确保实际状态始终与期望状态一致,它还支持滚动更新和回滚。
• Service (服务): 为一组功能相同的 Pod 提供一个统一的网络入口，Service 为这组 Pod 提供了一个稳定的虚拟 IP（ClusterIP）和 DNS 名称，无论后端的 Pod 如何变化（比如被重新调度、IP 地址改变），Service 的入口保持不变,实现了服务发现和负载均衡。
• Namespace (命名空间): 用于在单个集群内隔离不同的资源，您可以将命名空间视为一个虚拟的子集群，常用于隔离开发、测试、生产等不同环境的资源。
• Volume (存储卷): 为 Pod 提供持久化存储，Pod 本身是短暂的，但数据需要持久化，Volume 允许您将存储挂载到 Pod 中的容器，即使 Pod 被销毁，Volume 中的数据也可以保留。
• ConfigMap & Secret (配置映射与密钥): 用于将配置和敏感数据与容器镜像解耦，ConfigMap 用于存储非敏感的配置（如环境变量、配置文件），Secret 用于存储敏感数据（如密码、Token）。

关键特性与优势

• 服务自愈:

  • 健康检查: liveness 探针（存活探针）和 readiness 探针（就绪探针）可以检测容器是否存活或准备好接收流量。
  • 自动重启: liveness 探针失败，kubelet 会重启容器。
  • 自动替换: 如果一个节点本身挂了，控制器会在其他健康的节点上创建新的 Pod 来替代它。
  • 自动扩缩容: 可以根据 CPU 使用率等指标自动增减 Pod 数量。

• 服务发现与负载均衡:

  • 无需手动配置，Kubernetes 会为每个 Service 分配一个 DNS 名称和集群 IP，Pod 只需向这个 Service 名称发送请求，kube-proxy 就会自动将请求负载均衡到后端的健康 Pod 上。

• 存储编排:

  Kubernetes 支持多种存储后端（如本地存储、公有云存储、网络存储 NFS、Ceph 等），您可以像挂载一个普通目录一样，将持久化存储挂载到 Pod 中。

• 自动化发布与回滚:

  Deployment 支持滚动更新，可以逐步用新版本的 Pod 替换旧版本，实现零停机发布，如果新版本出现问题,可以一键回滚到之前的稳定版本。

• 批量执行:

  • 使用 Job 和 CronJob 对象，可以一次性运行任务（如数据处理、报表生成）或定时任务。

• 密钥与配置管理:

  将配置和敏感信息与容器镜像分离,使得应用配置更加灵活和安全。

典型工作流程

1. 用户提交请求: 用户通过 kubectl 命令行工具向 kube-apiserver 发送一个请求，例如创建一个 Deployment。
2. API 服务器处理: apiserver 验证请求并将其写入 etcd 数据库。
3. 控制器响应: Deployment 控制器通过 apiserver 监听到 Deployment 被创建，它会读取 etcd 中的期望状态。
4. 创建 ReplicaSet: Deployment 控制器会创建一个对应的 ReplicaSet 对象，并指定副本数量（3）。
5. ReplicaSet 控制器响应: ReplicaSet 控制器启动工作，发现当前有 0 个符合要求的 Pod。
6. 调度 Pod: ReplicaSet 控制器创建 3 个 Pod 对象。kube-scheduler 监听到这些待调度的 Pod,并为它们选择合适的工作节点。
7. 节点执行: 目标节点上的 kubelet 接收到指令，使用容器运行时（如 Docker）来拉取镜像并启动容器。
8. 状态更新: kubelet 将 Pod 的运行状态（如 Running）报告给 apiserver，apiserver 再更新到 etcd。
9. 服务暴露: 用户创建一个 Service，并将其指向这些 Pod 的标签。kube-proxy 在节点上设置规则，将流量转发到这些 Pod。

应用场景

• 微服务架构: Kubernetes 是部署和管理微服务的理想平台，因为它可以轻松地为每个微服务创建独立的部署、服务和扩缩容策略。
• 持续集成与持续部署: Kubernetes 提供了强大的自动化能力，可以与 CI/CD 工具（如 Jenkins, GitLab CI, Argo CD）无缝集成，实现应用的快速、可靠交付。
• 混合云与多云: Kubernetes 提供了统一的 API 和抽象，使得应用可以在本地数据中心、公有云（AWS, Azure, GCP）或任何支持 Kubernetes 的环境中以相同的方式运行,增强了业务的灵活性和可移植性。
• 批处理与大数据: 通过 Job 和 CronJob，可以高效地运行计算密集型任务、数据处理管道等。
• 边缘计算: Kubernetes 也可以被轻量化，用于在边缘节点上运行和管理应用,满足低延迟和高带宽的需求。

Kubernetes 已经成为现代云原生应用的事实标准，它不仅仅是一个工具，更是一套强大的理念和生态系统，通过自动化、声明式配置和丰富的生态系统（如 Helm 包管理、Istio 服务网格、Prometheus 监控等），Kubernetes 极大地简化了复杂应用的运维，让开发者能够更专注于业务逻辑本身,从而加速创新和交付。

对于任何希望构建可扩展、高可用、易于维护的现代应用的组织来说，学习和掌握 Kubernetes 都是一项至关重要的投资。