Kubernetes介绍

K8S概述和特性

Kubernetes的官网：https://kubernetes.io/

发音

有很多人不知道kubernetes应该怎么发音，正确的发音是[kubə’netis]，重音在第三个音节，读音：库伯耐踢死

那为什么很多场景称为 是 k8s呢？

这个其实和硅谷的人起名有关系，他们有一个坏习惯，就是喜欢把一个单词首字母+跳过的字母数来进行缩写，比如亚马逊的Algorithms被缩写成A9，而kubernetes缩写为k8s，意思就是k后面跳过8个字母后到s，就变成了k8s。

概述

1. 什么是 Kubernetes？

  • 定义：
    Kubernetes 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。
    由 Google 基于其内部系统 Borg 的经验设计，2014 年开源并捐赠给 CNCF（云原生计算基金会）。

  • 核心目标：

    • 自动化运维：简化容器化应用的部署、扩缩容、故障恢复等操作。
    • 跨环境一致性：提供一致的运行环境（开发、测试、生产）。
    • 资源高效利用：优化计算、存储、网络资源的分配与调度。

2. Kubernetes 解决了什么问题？

  • 容器化应用的挑战：
    • 编排困难：手动管理成百上千的容器（启动顺序、依赖关系、网络通信）。
    • 高可用性：容器故障时需自动恢复，避免服务中断。
    • 动态扩缩容：根据流量自动调整应用实例数量。
    • 跨环境迁移：开发环境与生产环境配置差异导致部署问题。
  • 传统运维的局限性：
    • 人工操作易出错，难以应对微服务架构的复杂性。
    • 虚拟机资源利用率低，启动速度慢。

3. Kubernetes 核心设计思想

  • 声明式 API（Declarative API）：
    • 用户通过 YAML/JSON 声明“期望状态”（如运行 3 个副本），K8S 自动驱动系统达到该状态。
    • 与“命令式”（手动一步步执行）形成对比，更适应动态变化的环境。
  • 控制循环（Control Loop）：
    • 持续监控系统状态，通过控制器（Controller）不断调整实际状态，直到与期望状态一致。
    • 例如：Deployment 控制器确保 Pod 副本数符合预期。
  • 松耦合架构：
    • 组件模块化设计，可替换或扩展（如替换容器运行时、自定义调度器）。
    • 通过标准接口（如 CRI、CSI）支持多种插件。

4. Kubernetes 核心特性

特性说明典型场景
自动化部署与回滚支持滚动更新、蓝绿发布、金丝雀发布，并可一键回滚到历史版本。持续交付（CI/CD）
服务发现与负载均衡通过 Service 和 DNS 自动暴露服务，流量均匀分发到后端 Pod。微服务间通信
存储编排动态挂载持久化存储（如本地磁盘、云存储），支持有状态应用。数据库（MySQL）、消息队列（Kafka）
弹性伸缩水平扩缩（HPA）基于 CPU/内存或自定义指标；集群节点自动扩缩（Cluster Autoscaler）。应对突发流量
自我修复自动重启失败的容器、替换不可用节点、杀死不健康的 Pod。保障服务 SLA
密钥与配置管理通过 ConfigMap 和 Secret 管理配置与敏感信息，支持动态注入。不同环境（开发/生产）配置分离
批处理任务支持一次性任务（Job）和定时任务（CronJob）。数据备份、报表生成

5. Kubernetes 的适用场景

  • 适合场景：
    • 微服务架构：管理大量松散耦合的服务。
    • CI/CD 流水线：与 Jenkins、GitLab 集成实现自动化部署。
    • 混合云/多云部署：统一管理跨云厂商的资源。
    • 机器学习与批处理：运行 TensorFlow 训练任务或 Spark 批处理作业。
  • 不适用场景：
    • 单机简单应用（直接使用 Docker 即可）。
    • 对实时性要求极高的场景（如高频交易系统）。

6. Kubernetes 的优缺点

优点缺点
自动化运维，降低人工干预学习曲线陡峭，概念复杂（Pod、Service 等）
高可用性和故障自愈能力初始部署和配置复杂（尤其生产环境）
灵活的扩展机制（CRD、Operator）资源消耗较高（Master 节点需要一定配置）
庞大的生态系统（Helm、Istio 等）网络和存储配置对底层设施依赖较强

K8S架构组件

K8S架构组件

Master组件

  1. API Server
    • API Server是Kubernetes控制程序的前端。
    • 唯一与etcd交互的组件，提供RESTful API。
    • 集群的统一入口，以RESTful API方式提供集群管理功能，交给etcd存储。
    • 支持认证（Authentication）、鉴权（Authorization）、准入控制（Admission Control）。
  2. etcd
    • 键值存储（也称为etcd）是Kubernetes用来备份所有集群数据的数据库
    • 它存储集群的整个配置和状态。主节点查询etcd以检索节点，容器和容器的状态参数。
  3. Controller Manager
    • 控制器的作用是从API Server获得所需状态
    • 它检查要控制的节点的当前状态，确定是否与所需状态存在任何差异，并解决它们（如果有）。
  4. Scheduler
    • 调度程序会监视来自API Server的新请求，并将其分配给运行状况良好的节点
    • 它对节点的质量进行排名，并将Pod部署到最适合的节点
    • 如果没有合适的节点，则将Pod置于挂起状态，直到出现合适的节点。

Worker节点组件

  • kubelet
    • 管理Pod生命周期（创建、销毁）、上报节点状态。
    • 与容器运行时（如containerd）交互。
    • 它监视从API Server发送来的任务，执行任务，并报告给主节点
  • kube-proxy
    • 确保每个节点都获得其IP地址，维护节点网络规则（iptables/IPVS），实现Service的负载均衡。
  • Container Runtime
    • 容器运行时从容器镜像库中拉取镜像，然后启动和停止容器
    • 容器运行时由第三方软件或插件，如Docker、containerd、CRI-O等（通过CRI接口）。

K8S核心概念

Pod

Controller

Service