Kubernetes 详解笔记

1. 概述

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程序。它最初由 Google 设计和开发，目前由云原生计算基金会（CNCF）维护。Kubernetes 的目标是简化容器化应用程序的部署和管理，提高资源利用率，并支持大规模分布式系统的运行。

2. 核心概念

2.1 Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的部署单元，可以包含一个或多个容器。这些容器共享网络、存储和生命周期。Pod 内的容器可以相互通信，而无需通过网络。

2.2 Service

Service 是一种抽象资源，用于定义一组 Pod 的逻辑集合和访问策略。它允许外部流量访问 Pod，同时隐藏 Pod 的具体实现细节。

2.3 Deployment

Deployment 是一种控制器，用于管理 Pod 的副本数量和更新策略。它确保指定数量的 Pod 副本始终，并运行支持滚动更新。

2.4 Node

Node 是 Kubernetes 集群中的一个工作机器，可以是物理机或虚拟机。每个 Node 上运行着 kubelet、容器运行时（如 Docker 或 containerd）等组件。

2.5 Cluster

Cluster 是由多个 Node 组成的集群，用于运行容器化应用程序。集群由控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Nodes）组成。

3. 核心组件

3.1 控制平面组件

控制平面是 Kubernetes 集群的“大脑”，负责集群的管理和调度，主要组件包括：

• API Server：提供 RESTful 接口，用于集群管理操作，如创建、更新和删除资源。它是集群的通信中心。

• etcd：分布式键值存储，用于持久化集群状态。

• Controller Manager：运行控制器进程，如节点控制器、副本控制器等。

• Scheduler：负责决定将 Pod 分配到哪个 Node 上运行。

3.2 工作节点组件

工作节点是运行应用程序容器的机器，主要组件包括：

• Kubelet：在每个 Node 上运行，负责管理 Pod 和容器的生命周期。

• Kube-proxy：网络代理，用于实现 Service 的网络转发。

• Container Runtime：容器运行时，如 Docker 或 containerd。

4. 运行原理

Kubernetes 采用主从架构，由控制平面（Master）和工作节点（Worker Nodes）组成。以下是其运行原理的详细说明：

4.1 控制平面的工作原理

控制平面的核心组件协同工作，确保集群的正常运行：

1. API Server：作为集群的入口，接收来自用户或内部组件的请求，并将资源状态存储到 etcd。

2. Controller Manager：运行各种控制器，如 ReplicaSet Controller、Deployment Controller 等，确保集群的实际状态与期望状态一致。

3. Scheduler：监控待调度的 Pod，并根据资源需求和调度策略将 Pod 分配到合适的 Node 上。

4.2 工作节点的工作原理

工作节点上的组件负责容器的运行和管理：

1. Kubelet：监控 Node 上的 Pod，确保容器按照定义运行。

2. Kube-proxy：维护网络规则，实现 Pod 之间的通信和负载均衡。

3. 容器运行时：负责容器的生命周期管理，包括创建、启动、停止和销毁。

5. 工作过程

Kubernetes 的工作过程可以总结为以下几个步骤：

1. 用户提交请求：用户通过 kubectl 提交资源定义（如 Deployment）到 API Server。

2. 资源状态存储：API Server 将资源状态存储到 etcd。

3. 控制器监控资源变化：Controller Manager 中的控制器（如 ReplicaSet Controller）监控资源变化，并创建或管理 Pod。

4. Pod 调度：Scheduler 监控未分配的 Pod，并根据资源需求和调度策略将 Pod 分配到合适的 Node。

5. 容器启动：Kubelet 在 Node 上接收 Pod 定义，并通过容器运行时启动容器。

6. 网络通信：Kube-proxy 确保 Pod 之间的网络通信和负载均衡。

6. 网络模型

Kubernetes 使用 CNI（容器网络接口）插件来管理集群网络。常见的 CNI 插件包括 Calico、Flannel 等。这些插件负责为 Pod 分配 IP 地址，并确保 Pod 之间可以相互通信。

7. 安全与扩展性

7.1 安全性

Kubernetes 提供了多种安全机制，包括：

• RBAC（基于角色的访问控制）：用于控制用户对集群资源的访问。

• 网络策略：通过 CNI 插件实现 Pod 之间的网络隔离。

• 安全上下文：为 Pod 和容器设置安全策略。

7.2 扩展性

Kubernetes 支持水平扩展和垂直扩展：

• 水平扩展：通过增加 Pod 或 Node 的数量。

• 垂直扩展：通过增加 Node 的资源（如 CPU 或内存）

8. 使用场景

Kubernetes 广泛应用于以下场景：

• 微服务架构：管理微服务的部署和扩展。

• CI/CD 流水线：支持持续集成和持续部署。

• 混合云和多云环境：统一管理不同云平台上的资源。