Kubernetes深度解析

📕我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

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Kubernetes及相关知识点深度解析

一、Kubernetes核心层架构原理

Kubernetes作为一个强大的容器编排平台，其核心层架构的原理复杂而精细，以下是对其各个组件的详细技术实现细节。

1. 架构原理

Kubernetes的架构分为控制平面和节点组件两大块。

• 控制平面组件：

  • API Server：作为集群的入口点，采用Go语言编写，提供了RESTful API接口，支持HTTP、HTTPS协议。API Server处理所有客户端请求，包括用户操作和集群内部组件之间的通信。
  • Controller Manager：负责维护集群的状态，确保集群中的资源符合用户定义的期望状态。它包括多个控制器，如Node Controller、Replication Controller、Service Controller等。
  • Scheduler：负责Pod的调度，根据节点的资源情况和Pod的标签选择合适的节点。Scheduler使用多种调度策略，如扩展性、资源亲和性、节点亲和性等。
  • etcd：使用Go语言编写，是一个分布式键值存储系统，存储了集群的状态信息，如配置、资源对象等。etcd保证数据的一致性和高可用性。

• 节点组件：

  • kubelet：运行在每个节点上，是Kubernetes的代理，负责Pod的生命周期管理，包括启动、停止、监控等。kubelet与API Server通信，汇报节点的状态和资源使用情况。
  • kube-proxy：是Kubernetes的网络代理，负责实现服务发现和负载均衡。kube-proxy使用iptables和IPVS等技术，实现Pod到Pod、Pod到Service的流量转发。

2. 声明式API设计思想

Kubernetes采用声明式API设计思想，用户通过定义YAML文件来描述集群状态，API Server根据这些定义来管理集群。YAML文件描述了资源的配置，如Pod、Service、Deployment等，API Server解析这些文件，并执行相应的操作，如创建、更新、删除资源。

3. 工作负载管理

Kubernetes支持多种工作负载管理，包括Pod、ReplicaSet、Deployment、StatefulSet、Job等。

• Pod：是Kubernetes的基本工作单元，包含一个或多个容器。Pod是调度、生命周期管理和资源隔离的基本单位。
• ReplicaSet：确保Pod的数量符合期望。当Pod失败时，ReplicaSet会创建新的Pod来替换它。
• Deployment：管理Pod的部署，支持滚动更新和回滚。Deployment使用ReplicaSet来管理Pod副本。
• StatefulSet：管理有状态Pod的集合，如数据库。StatefulSet保证Pod的持久性和有序性。
• Job：运行一次性的任务。Job完成后，Pod会被删除。

4. Pod生命周期钩子

Pod在创建和销毁过程中可以设置钩子（Hook），用于执行自定义操作。钩子包括PostStart、PreStop、PostStop等。

5. StatefulSet

StatefulSet用于管理有状态服务，如数据库。StatefulSet保证Pod的持久性和有序性，并为每个Pod分配唯一的持久化存储。

6. 拓扑约束

拓扑约束用于确保Pod只能调度到符合特定条件的节点上。例如，可以指定Pod只能调度到具有特定标签的节点上。

7. Job并行控制策略

Job支持并行执行多个Pod，可以通过并行度参数控制。并行度参数指定了同时运行的最大Pod数量。

8. 网络治理

• Service：四层代理，用于服务发现和负载均衡。Service根据标签选择Pod，并为其提供一个稳定的IP地址。
• Ingress Controller：处理外部流量，将流量路由到相应的Service。Ingress Controller支持多种负载均衡算法。
• NetworkPolicy：定义Pod之间的访问策略。NetworkPolicy可以控制Pod之间的流量，如允许或拒绝某些端口或IP地址的流量。

二、云原生中间件

云原生中间件为云原生应用提供支持，包括数据服务、消息队列、配置管理等。

1. 数据服务

• MySQL主从集群部署：通过主从复制实现数据的高可用。主节点负责写操作，从节点负责读操作。当主节点故障时，可以从从节点中选举新的主节点。
• Redis哨兵模式：通过哨兵监控Redis集群的健康状态。哨兵负责故障转移和自动故障恢复。
• ShardingSphere分库分表：实现数据库的水平扩展。ShardingSphere支持多种分片策略，如范围分片、列表分片等。

2. 消息队列

• RocketMQ事务消息：确保消息的可靠传输。RocketMQ支持事务消息，可以保证消息在发送和消费过程中的可靠性。
• RabbitMQ镜像队列：实现消息队列的高可用。RabbitMQ支持镜像队列，可以将队列复制到多个节点上，提高队列的可用性。
• Nacos配置同步：用于配置管理和服务发现。Nacos支持配置的集中管理和同步，可以保证配置的一致性。

三、可观测性体系

可观测性是指对系统进行监控、日志记录、性能分析的能力。

1. 监控

• PromQL查询语法：用于查询Prometheus监控数据。PromQL支持多种查询操作，如聚合、过滤、排序等。
• Grafana仪表盘定制：用于可视化监控数据。Grafana支持多种图表类型，如折线图、柱状图、饼图等。

2. 日志

• ELK日志管道服务：收集、存储和查询日志数据。ELK包括Elasticsearch、Logstash、Kibana三个组件，分别负责日志的存储、处理和可视化。

3. 服务网格

• Istio数据平面：负责流量管理、服务发现和负载均衡。Istio使用Envoy作为数据平面，支持多种流量管理功能。
• Kiali拓扑图分析：可视化服务网格的拓扑结构。Kiali可以展示服务网格中的服务、路由、策略等信息。
• Envoy过滤器链：用于修改请求和响应。Envoy支持多种过滤器，如路由过滤器、重试过滤器、限流过滤器等。

四、持续交付平台

持续交付是指将软件快速、安全地交付给用户的过程。

1. DevOps工具链

• Jenkins Pipeline语法：用于定义自动化流程。Jenkins Pipeline支持多种语法，如Declarative语法和Script语法。
• 蓝绿部署策略：同时运行两个环境，平滑切换。蓝绿部署可以保证新版本的软件在上线前经过充分的测试。

2. 混沌工程实践

混沌工程旨在通过故意破坏系统来提高系统的容错能力。混沌工程可以模拟各种故障场景，如网络故障、磁盘故障、CPU故障等。

3. Serverless框架

• Knative Serving：无服务器平台，支持自动扩缩容。Knative Serving可以自动根据请求量调整资源。
• Eventing：事件驱动平台，支持事件源和Broker触发器。Eventing可以触发相关的服务处理事件。

五、高可用架构

高可用架构是指系统在面临故障时仍能保持正常运行的能力。

1. 存储方案

• CSI插件开发：用于扩展Kubernetes的存储能力。CSI插件可以支持各种存储系统，如本地存储、云存储等。
• 本地PV管理：使用本地存储作为持久化存储。本地PV管理可以保证Pod在重启后能够访问到持久化存储。
• 跨AZ存储同步：实现跨可用区数据的同步。跨AZ存储同步可以保证数据在故障发生时能够恢复。
• 容灾设计：确保数据在故障发生时能够恢复。容灾设计包括数据备份、故障转移、故障恢复等。

2. 集群联邦部署

联邦部署是指将多个Kubernetes集群作为一个整体进行管理。联邦部署可以统一管理和调度多个集群中的资源。

3. 流量切换演练

定期进行流量切换演练，确保系统在面临故障时能够快速切换。流量切换演练可以模拟各种故障场景，如节点故障、网络故障等。

4. 异地多活方案

在异地部署多个集群，实现数据的热备和快速恢复。异地多活方案可以保证数据在故障发生时能够快速恢复。

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