Kubernetes (K8s) 终极指南：构建云原生时代的基石

什么是 Kubernetes (K8s)？

Kubernetes（常简称为 K8s）是一个开源的容器编排引擎，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它由 Google 开源，现在由云原生计算基金会（CNCF）维护。作为云原生计算的事实标准，Kubernetes 提供了基于容器的应用部署、维护和扩展机制，它的基本原理是将运行容器化应用的服务器抽象为一个逻辑资源，即“集群”，从而允许用户以集群为单位来分配和管理计算资源。

在传统的部署模式中，运维人员需要手动在每台服务器上安装软件、配置环境并监控状态。而引入了 Kubernetes 后，开发者只需定义应用的“期望状态”（例如：运行3个副本，使用80端口），Kubernetes 会自动处理其余的所有复杂性，包括启动、停止、重启、健康检查以及负载均衡。

Kubernetes (K8s) 核心架构深度解析

理解 Kubernetes 的架构是掌握其使用的前提。Kubernetes 集群主要由控制平面（Control Plane）和工作节点（Node）组成。控制平面负责做出全局决策（如调度），并检测和响应集群事件。工作节点则承载实际运行的容器化应用。

控制平面组件

• API Server (kube-apiserver)： 集群的统一入口，各管理工具及组件通过它提交配置请求。所有数据交互都需经过认证和授权。
• etcd： 高可用的键值数据库，存储集群的所有状态数据。它是 Kubernetes 的“大脑”，确保数据的一致性。
• Scheduler (kube-scheduler)： 负责监控新创建的未调度 Pod，并将其分配到合适的节点上。调度策略包括资源充足、亲和性规则等。
• Controller Manager (kube-controller-manager)： 运行各种控制器进程，如节点控制器、副本控制器等，确保集群状态符合期望状态。
• Cloud Controller Manager： 与云平台 API 交互，管理网络、负载均衡等云原生资源。

工作节点组件

• Kubelet： 每个节点上的“Agent”，负责维护容器的生命周期，确保容器在 Pod 中运行。
• Kube-proxy： 维护节点上的网络规则，实现 Service 的负载均衡和外部访问。
• Container Runtime： 负责实际运行容器的软件，如 Docker、containerd 或 CRI-O。

Kubernetes (K8s) 部署实战指南

部署 Kubernetes 集群有多种方式，包括 kubeadm（官方推荐）、kops（AWS专用）、kubespray（基于Ansible）以及托管服务（如 GKE, EKS, AKS）。本节重点介绍使用 kubeadm 在 Linux 节点上手动搭建高可用集群的步骤。

禁用 Swap
sudo swapoff -a
sudo sed -i '/ swap / s/^(.)$/#1/g' /etc/fstab
加载内核模块
sudo modprobe overlay
sudo modprobe br_netfilter
设置 sysctl 参数
sudo tee /etc/sysctl.d/k8s.conf <<EOF
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
net.ipv4.ip_forward = 1
EOF
sudo sysctl --system
                    

安装 containerd
sudo apt-get update && sudo apt-get install -y containerd
sudo mkdir -p /etc/containerd
sudo containerd config default | sudo tee /etc/containerd/config.toml
sudo systemctl restart containerd
安装 kubeadm, kubelet, kubectl
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y apt-transport-https ca-certificates curl
curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl
                    

sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16
                    

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown (id -g) $HOME/.kube/config
                    

sudo kubeadm join <master-ip>:<master-port> --token <token> 
  --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<hash>
                    

kubectl get nodes
输出示例：
NAME       STATUS   ROLES           AGE   VERSION
master     Ready    control-plane   10m   v1.28.0
worker1    Ready    <none>          5m    v1.28.0
                    

Kubernetes (K8s) 进阶管理与最佳实践

一旦集群运行起来，如何高效管理应用成为了关键。这涉及到 Deployment、Service、Ingress 以及 ConfigMap/Secret 等核心资源对象的理解与应用。

服务发现与负载均衡

Kubernetes 为 Pod 提供了稳定的 IP 和 DNS 名称，但 Pod 本身是不稳定的（可能被重建）。Service 对象定义了逻辑上的一组 Pod 以及访问它们的策略。常见的 Service 类型包括：

• ClusterIP： 默认类型，在集群内部暴露一个虚拟 IP，仅限集群内访问。
• NodePort： 在每个节点上暴露一个静态端口，通过 <NodeIP>:<NodePort> 从外部访问。
• LoadBalancer： 在支持云提供商的环境中，自动创建一个外部负载均衡器。

配置管理

为了避免将敏感信息或配置硬编码在镜像中，Kubernetes 提供了 ConfigMap 和 Secret。

网络插件 (CNI)

Kubernetes 本身不实现网络功能，而是通过 CNI（Container Network Interface）插件来提供。流行的选择包括：

• Flannel： 简单高效，适合小型集群，使用 VXLAN 封装。
• Calico： 基于 BGP 协议，性能优异，支持网络策略（Network Policy），适合大型生产环境。
• CoreDNS： 用于集群内部的服务名解析，替代了早期的 kube-dns。

Kubernetes (K8s) 常见问题解答 (FAQ)

网友们还关心：Kubernetes (K8s) 周边生态

掌握 Kubernetes 只是第一步，构建完整的云原生栈还需要了解其周边的优秀工具。以下是与 Kubernetes 强相关的周边知识：