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002.k8s（Kubernetes）一小时快速入门(先看docker30分钟）

article 2024/12/25 14:42:03

简介（免费开源，google开源）
- 关键概念：
  - 容器（Containers）：Kubernetes 管理容器，通常使用 Docker，允许应用程序在隔离的环境中运行。
  - 节点（Nodes）：节点是 Kubernetes 运行的虚拟或物理机器，分为 主节点（Master） 和 工作节点（Worker）。
  - Pod：Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单位，包含一个或多个共享存储、网络以及运行配置的容器。
  - 服务（Services）：服务定义了一组逻辑上的 Pod 以及访问它们的策略，确保对外暴露一个稳定的访问端点。
  - 部署（Deployments）：部署管理无状态服务，确保在任何时候都有期望数量的 Pod 副本在运行。
  - 命名空间（Namespaces）：命名空间用于在集群内隔离资源组。
  - 卷（Volumes）：Kubernetes 卷可以让数据在 Pod 生命周期之外持久化，或在容器之间共享数据。
- 为什么使用 Kubernetes？
  - 可扩展性：根据流量自动扩展应用程序。
  - 自我修复：自动重启失败的容器、替换和重新调度容器，终止不响应的容器。
  - 负载均衡：Kubernetes 将流量分配到已部署的服务上。
  - 存储编排：可以挂载并管理来自本地系统或云提供商的存储解决方案。
  - 声明式配置：使用 YAML 或 JSON 进行配置，易于定义目标状态并进行版本控制。
- kubernetes：容器编排引擎
Kubernetes核心组件
- 为了清晰展示 Kubernetes 资源对象的演进过程，我们可以通过“目的”的角度，逐步连接和解释它们的引入。
- ### 1. **Node** – 提供容器的运行环境
  - 最基本的需求是为应用程序的容器提供一个实际的运行环境。**Node** 作为 Kubernetes 的基础工作单元，负责承载和执行容器化的工作负载。每个 Node 运行着控制器代理（如 `kubelet`），确保容器按计划启动并运行。
  - **目的**：为容器提供计算资源（CPU、内存、存储）和网络支持，是工作负载运行的基础单元。
- ### 2. **Pod** – 封装和调度容器
  - 有了 Node，我们需要一个机制来部署和管理容器。**Pod** 引入是为了解决如何在 Node 上管理和调度容器的问题。Pod 可以封装一个或多个容器，允许它们共享存储和网络资源。
  - **目的**：在 Kubernetes 中将容器作为一个整体进行管理，实现容器的调度和隔离。
- ### 3. **ReplicaSet** – 确保应用的高可用性
  - 运行一个 Pod 可以启动容器，但单个 Pod 无法保证应用的高可用性。为了解决 Pod 失效的问题，**ReplicaSet** 被引入。它保证在任何时刻都有指定数量的 Pod 副本在运行，自动补充失败的 Pod。
  - **目的**：确保应用程序有足够的 Pod 副本持续运行，实现容器的冗余和高可用性。
- ### 4. **Deployment** – 提供版本管理和滚动更新
  - 当应用的副本数量增加后，管理应用的更新、扩缩容变得复杂。**Deployment** 引入了声明式的更新机制，可以控制应用如何逐步更新、回滚，确保在不中断服务的情况下完成新版本的部署。
  - **目的**：通过声明式更新、回滚等机制，简化应用的版本管理和生命周期控制。
- ### 5. **Service** – 提供稳定的访问和负载均衡
  - 随着多个 Pod 副本的存在，应用内部以及外部需要有一个固定的方式来访问这些 Pod。**Service** 提供了一个稳定的访问端点，通过负载均衡将流量分发到后端的多个 Pod 副本。
  - **目的**：提供负载均衡和稳定的服务发现机制，确保应用在副本增加时可以被可靠访问。
- ### 6. **ConfigMap** 和 **Secret** – 分离配置和机密数据
  - 应用逐渐复杂化后，配置和敏感数据（如密码）需要被安全地管理。**ConfigMap** 用于管理常规的非敏感配置信息，而 **Secret** 专门用于存储和传递加密的敏感数据。通过将这些数据与代码分离，应用变得更加灵活且安全。
  - **目的**：分离环境配置和敏感数据，简化应用管理并提升安全性。
- ### 7. **PersistentVolume (PV)** 和 **PersistentVolumeClaim (PVC)** – 提供持久化存储
  - 有些应用（如数据库、文件系统）需要数据持久化，即使 Pod 被销毁或重启，数据依然需要保留。**PersistentVolume (PV)** 提供了实际的存储资源，而 **PersistentVolumeClaim (PVC)** 允许 Pod 请求这些持久存储资源。
  - **目的**：实现数据持久化，确保应用的数据不会随着 Pod 的销毁而丢失。
- ### 8. **HorizontalPodAutoscaler (HPA)** – 实现动态扩展
  - 当应用面临不稳定的流量时，手动管理 Pod 的副本数量显得效率低下。**HorizontalPodAutoscaler (HPA)** 能根据资源利用情况（如 CPU 或内存）自动调整 Pod 的副本数量，确保应用能够根据实际需求自动扩展或缩减。
  - **目的**：动态调整应用的资源，确保在负载波动时应用能够自动扩展或缩减，保持高可用性和成本效益。
- ### 9. **NetworkPolicy** – 控制网络访问
  - 随着集群规模增大，安全性变得至关重要。**NetworkPolicy** 引入了对 Pod 网络通信的控制，允许用户定义哪些 Pod 或外部流量可以访问哪些 Pod，从而确保集群内部和外部的流量受控。
  - **目的**：提供网络隔离和流量控制，确保应用之间的通信安全。
- ### 连接解释总结：
  - 1. **Node** 作为基础，提供容器运行环境。
  - 2. **Pod** 通过封装容器，实现调度和管理。一个或者多个容器集合（一般是一个）
  - 3. **ReplicaSet** 确保 Pod 的副本足够，增强应用高可用性。
  - 4. **Deployment** 进一步简化了应用的版本管理和升级过程。
  - 5. **Service** 提供稳定的网络端点和负载均衡，使得多副本应用可以被统一访问。
  - 6. **ConfigMap** 和 **Secret** 通过分离配置和敏感数据，提高应用的安全性和灵活性。
  - 7. **PersistentVolume** 确保数据持久化，允许应用长期保存数据。
  - 8. **HorizontalPodAutoscaler** 根据实际负载自动扩展应用资源，提升了资源利用效率。
  - 9. **NetworkPolicy** 提供网络安全控制，保障集群内部和外部的通信安全。
Kubernetes架构
- 1. 控制平面（Control Plane）
  - 控制平面负责整个集群的全局决策和管理，是 Kubernetes 的大脑部分。它管理节点，调度 Pod，并确保集群中的状态符合预期。
  - 1.1 API 服务器（kube-apiserver）
    - 作用：提供 Kubernetes 的 REST API，是所有操作和查询的入口。
    - 功能：负责处理来自集群用户和其他组件的请求，并将它们传递给合适的组件进行处理。API 服务器是控制平面与外界通信的桥梁。
  - 1.2 etcd
    - 作用：分布式键值存储，用于持久化存储集群的所有配置信息、状态和元数据。
    - 功能：保存所有的集群数据，确保数据一致性，是 Kubernetes 高可用的核心组件之一。
  - 1.3 调度器（kube-scheduler）
    - 作用：负责将新创建的 Pod 分配到合适的节点上。
    - 功能：根据 Pod 的资源需求和节点的资源可用性、策略、约束等，选择最优的节点来运行每个 Pod。
  - 1.4 控制器管理器（kube-controller-manager）
    - 作用：负责集群内的各种控制循环，确保系统的实际状态与预期状态保持一致。
    - 功能：运行一组控制器，包括副本控制器（确保正确数量的 Pod 副本）、节点控制器（监控节点健康）、端点控制器等。
  - 1.5 云控制器管理器（cloud-controller-manager）
    - 作用：与云平台集成，管理云资源。
    - 功能：处理与底层云服务相关的控制逻辑，如负载均衡器、节点生命周期管理等。这是一个可选组件，主要用于集成 Kubernetes 和云平台。
- 2. 工作节点组件（Node Components）
  - 工作节点是 Kubernetes 集群中实际运行容器的地方。每个节点都有自己的组件来确保 Pod 正常运行，并与控制平面通信。
  - 2.1 kubelet
    - 作用：每个节点上的核心代理，负责确保 Pod 按照定义运行。
    - 功能：接收 API 服务器的指令，启动和停止容器，并通过健康检查确保 Pod 正常运行。它不断汇报 Pod 的状态给控制平面。
  - 2.2 kube-proxy
    - 作用：节点上的网络代理，管理 Pod 的网络通信。
    - 功能：负责在每个节点上维护网络规则，确保集群内不同 Pod 之间的通信，以及外部流量与集群的通信。
  - 2.3 容器运行时（Container Runtime）
    - 作用：运行容器的实际环境。
    - 功能：Kubernetes 支持多种容器运行时，如 Docker、containerd 和 CRI-O。容器运行时负责拉取镜像并启动、停止容器。
- 3. 附加组件（Add-ons）
  - 除了核心组件，Kubernetes 还支持多种附加组件，用来增强集群的功能。
  - 3.1 DNS
    - 作用：为 Kubernetes 服务提供服务发现。
    - 功能：每个集群通常会自动部署一个 DNS 服务，用来解析服务名称为 IP 地址，支持 Pod 间的网络通信。
  - 3.2 Dashboard
    - 作用：提供图形化用户界面。
    - 功能：为用户提供对集群资源的可视化管理和监控工具。
  - 3.3 日志收集和监控
    - 作用：为集群提供日志和监控支持。
    - 功能：常见的监控工具如 Prometheus，日志收集工具如 Fluentd，可以帮助用户了解集群的运行状况和排查问题。
- Kubernetes 架构的工作流程
  - 用户请求：用户通过 kubectl 或其他客户端工具向 API 服务器发出请求（如创建、更新或删除 Pod）。
  - API 服务器处理请求：API 服务器接收到请求后，将其持久化存储到 etcd，然后将任务分发给合适的控制器（如 ReplicaSet 控制器）进行处理。
  - 调度器调度 Pod：如果是新创建的 Pod，调度器会根据节点资源状况、策略和约束，决定将 Pod 分配到哪个节点上。
  - kubelet 执行指令：kubelet 接收到调度命令后，使用容器运行时在节点上启动或停止 Pod，确保应用程序在正确的环境中运行。
  - kube-proxy 设置网络：kube-proxy 配置网络规则，确保 Pod 之间的流量可以正确路由，同时处理外部与集群的通信。
  - 持续监控：控制平面中的控制器和 kubelet 持续监控集群状态，自动调整和修复 Pod、节点，确保集群保持在预期状态。
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