Kubernetes基础：K8s架构、组件与工作原理
Kubernetes 基础：架构、组件与工作原理
Kubernetes（简称 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。它提供了一个强大的平台，使你可以轻松地在分布式环境中运行和管理应用程序。理解 Kubernetes 的架构、组件和工作原理对于有效地使用和维护 K8s 集群至关重要。
一、Kubernetes 架构
Kubernetes 采用 Master-Slave 架构，包含一个 Master 节点和多个 Worker 节点：
- Master 节点（控制平面）：负责管理整个集群的状态，例如调度应用程序、维护应用程序的期望状态、扩展应用程序以及应用更新。
- Worker 节点：运行实际应用程序容器的节点，它们从 Master 节点接收指令并执行任务。
这种架构提供了高可用性和可扩展性，允许你轻松地添加或删除节点以满足不断变化的应用程序需求。
二、Master 节点组件
Master 节点包含以下几个核心组件：
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kube-apiserver：
- API 服务器是 Kubernetes 控制平面的前端，是整个集群的唯一入口。
- 它对外暴露了 Kubernetes API，客户端可以通过 HTTP RESTful API 与集群交互，例如创建、删除、更新和查询资源。
- 它负责身份验证、授权和准入控制，确保只有经过授权的用户才能访问和操作集群资源。
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etcd：
- etcd 是一个高可用的分布式键值存储系统，用于存储 Kubernetes 集群的所有配置数据和状态信息。
- 它保证了数据的一致性和可靠性，是 Kubernetes 集群的“大脑”。
- Master 节点上的所有组件都通过 kube-apiserver 访问 etcd。
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kube-scheduler：
- 调度器负责将新创建的 Pod 调度到合适的 Worker 节点上运行。
- 它根据多种因素进行调度决策，例如资源需求、节点亲和性、污点和容忍度、数据位置等。
- 它的目标是找到最佳的节点来运行 Pod，以优化资源利用率和应用程序性能。
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kube-controller-manager：
- 控制器管理器运行着各种控制器进程，用于监控集群状态并维护应用程序的期望状态。
- 每个控制器负责管理特定类型的资源，例如：
- Node Controller：负责监控节点状态，并在节点故障时进行处理。
- Replication Controller：确保指定数量的 Pod 副本始终处于运行状态。
- Endpoints Controller：负责维护 Service 和 Pod 之间的映射关系。
- Service Account & Token Controllers：为 Pod 创建默认账户和 API 访问令牌。
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cloud-controller-manager：
- 云控制器管理器是可选组件，只有当 Kubernetes 运行在云环境中时才需要。
- 它负责与云提供商的 API 交互，管理云资源，例如负载均衡器、存储卷等。
- 它将 Kubernetes 与特定的云平台解耦，允许 Kubernetes 运行在不同的云环境中。
三、Worker 节点组件
Worker 节点包含以下几个核心组件：
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kubelet：
- kubelet 是运行在每个 Worker 节点上的主要代理。
- 它负责与 Master 节点通信，接收并执行 Master 节点下发的指令，例如创建、删除和管理 Pod。
- 它还负责监控节点上容器的运行状态，并向 Master 节点报告。
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kube-proxy：
- kube-proxy 是一个网络代理，负责维护节点上的网络规则。
- 它允许 Pod 之间以及 Pod 与外部网络之间的通信。
- 它通过 iptables、IPVS 或 userspace 等方式实现 Service 的负载均衡和服务发现。
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Container Runtime：
- 容器运行时负责运行容器，例如 Docker、containerd、CRI-O 等。
- kubelet 通过 Container Runtime Interface (CRI) 与容器运行时进行交互，从而支持不同的容器运行时。
四、Kubernetes 工作原理
Kubernetes 的核心工作原理可以概括为“声明式配置”和“控制循环”：
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声明式配置：用户通过 YAML 或 JSON 文件描述应用程序的期望状态，例如运行哪些容器、运行多少个副本、使用哪些资源等。这些配置文件称为“资源清单”。
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控制循环：Kubernetes 的控制器负责监控集群的实际状态，并与资源清单中定义的期望状态进行比较。如果实际状态与期望状态不一致，控制器会采取相应的措施，例如创建、删除或更新资源，以使实际状态与期望状态保持一致。
举例说明：创建一个 Deployment
- 用户编写一个 Deployment 的 YAML 文件，指定要运行的应用程序镜像、副本数量等信息。
- 用户使用 kubectl 将 YAML 文件提交给 kube-apiserver。
- kube-apiserver 将 Deployment 对象存储到 etcd 中。
- kube-controller-manager 中的 Deployment Controller 检测到新的 Deployment 对象。
- Deployment Controller 创建 ReplicaSet 对象，用于管理 Pod 副本。
- kube-scheduler 根据调度策略选择合适的 Worker 节点来运行 Pod。
- Worker 节点上的 kubelet 接收到创建 Pod 的指令，并通过 Container Runtime 创建并运行 Pod。
- kube-proxy 配置网络规则，使 Pod 能够被访问。
五、总结
Kubernetes 是一个功能强大的容器编排平台，它的架构、组件和工作原理都围绕着简化容器化应用程序的部署、扩展和管理而设计。理解这些基础知识对于有效地使用和维护 Kubernetes 集群至关重要。通过学习本文，你应该对 Kubernetes 的基本概念有了更深入的了解，并能够更好地利用 Kubernetes 的强大功能来构建和管理你的应用程序。
希望本文能够帮助你理解 Kubernetes 的基础知识，并为进一步学习 Kubernetes 打下坚实的基础。记住，实践是学习 Kubernetes 的最佳方式，所以动手尝试构建和管理你自己的 Kubernetes 集群吧！