Kubernetes架构解析-优快云博客

📕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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一、Kubernetes 核心层架构原理

架构原理

Kubernetes 的架构设计秉承了微服务架构的理念，将整个系统划分为核心层、控制平面和节点组件三个层次。核心层通过声明式 API 提供用户与集群交互的接口，控制平面负责维护集群的状态，而节点组件则负责执行具体的任务。

控制平面组件

API Server：作为集群的入口，API Server 提供了统一的 API 接口，支持多种协议，如 HTTP、HTTPS、gRPC 等。它通过 RESTful API 接收客户端请求，并将请求转换为内部操作，如创建、更新、删除资源等。
Controller Manager：Controller Manager 是一组控制器，如副本控制器（Replication Controller）、节点控制器（Node Controller）等，它们负责监控集群的状态，并确保集群状态符合用户定义的期望状态。
Scheduler：Scheduler 负责根据节点的资源情况和 Pod 的需求，将 Pod 调度到合适的节点上。调度决策考虑的因素包括节点资源、Pod 亲和性、节点标签等。
etcd：etcd 是一个键值存储系统，用于存储 Kubernetes 集群的配置信息和所有 API 对象的状态信息。它保证了集群状态的一致性和持久性。

节点组件

kubelet：kubelet 是节点上的主要组件，负责管理容器和 Pod。它通过定期向 API Server 发送心跳来报告节点的状态，并执行 API Server 下达的命令。
kube-proxy：kube-proxy 负责集群内部网络通信，实现服务发现和负载均衡。它通过 IPVS（IP Virtual Server）或 iptables 实现四层代理功能。

声明式 API 设计思想

Kubernetes 采用声明式 API，用户通过定义 Kubernetes 对象的期望状态，让 Kubernetes 自动管理集群状态。这种设计思想简化了用户操作，提高了集群管理的自动化程度。

工作负载管理

Kubernetes 支持多种工作负载管理方式，如 Pod、Deployment、StatefulSet、Job 等。每种工作负载管理方式都有其特定的用途和特点。

Pod：Pod 是 Kubernetes 中的最小部署单元，一组容器共享相同的命名空间和网络。
Deployment：Deployment 用于管理无状态应用，如 Web 服务。它通过副本控制器确保 Pod 的数量符合期望。
StatefulSet：StatefulSet 用于管理有状态服务，如数据库。它保证每个 Pod 具有唯一的标识符，并支持持久化存储。
Job：Job 用于管理一次性任务，如批处理作业。

Pod 生命周期钩子

Pod 生命周期钩子允许在 Pod 生命周期中的特定时刻执行自定义逻辑，如容器启动前、容器退出前等。

StatefulSet

StatefulSet 用于管理有状态服务，它保证 Pod 的稳定性，并支持持久化存储。

拓扑约束

拓扑约束用于控制 Pod 的调度，如节点标签、节点名称等。通过拓扑约束，可以确保特定的 Pod 只调度到满足特定条件的节点上。

Job 并行控制策略

Job 用于管理一次性任务，支持并行控制策略。用户可以通过配置并行度来控制同时运行的任务数量。

网络治理

Kubernetes 提供了 Service、Ingress Controller、NetworkPolicy 等网络治理功能。

Service：Service 提供四层代理功能，实现集群内部服务发现和负载均衡。
Ingress Controller：Ingress Controller 实现七层代理，支持外部访问集群内部服务。
NetworkPolicy：NetworkPolicy 用于控制 Pod 的网络访问策略。

二、云原生中间件

数据服务

MySQL：在 Kubernetes 集群中，可以使用 MySQL 主从集群部署，实现读写分离。通过配置 MySQL 的复制功能，将主数据库的变更同步到从数据库，从而提高数据库的可用性和性能。
Redis：Redis 哨兵模式可以提高集群的可用性。哨兵监控 Redis 节点的状态，并在节点故障时自动进行故障转移。
ShardingSphere：ShardingSphere 是一个分库分表中间件，可以优化数据库性能。通过分库分表，可以将数据分散到多个数据库实例上，从而提高查询效率。

消息队列

RocketMQ：RocketMQ 支持事务消息，可以保证消息的可靠传输。在分布式系统中，事务消息可以确保数据的一致性。
RabbitMQ：RabbitMQ 支持镜像队列，可以提高消息传输的可靠性。镜像队列会将消息复制到多个节点上，从而提高消息的可用性。
Nacos：Nacos 是一个配置同步中间件，可以实现配置中心功能。通过 Nacos，可以集中管理集群中各个服务的配置信息，并实现配置的动态更新。

三、可观测性体系

监控日志

PromQL：Prometheus 是一个开源监控和报警工具，PromQL 是 Prometheus 的查询语法，可以实现复杂的监控需求。通过 PromQL，可以查询、聚合和可视化监控数据。
Grafana：Grafana 是一个开源的可视化仪表盘工具，可以定制仪表盘，可视化监控数据。

ELK 日志管道

ELK（Elasticsearch、Logstash、Kibana）是一个日志收集、存储、分析和可视化工具。通过 ELK，可以将集群中的日志数据收集、存储和分析，并生成可视化报告。

服务网格

Istio：Istio 是一个服务网格框架，可以提供数据平面和 Kiali 拓扑图分析功能。通过 Istio，可以实现服务间的通信控制、安全性和监控等功能。
Envoy：Envoy 是一个高性能的代理服务器，可以作为服务网格的数据平面。Envoy 提供了丰富的路由和负载均衡策略，可以满足复杂的网络需求。

四、持续交付平台

DevOps 工具链

Jenkins：Jenkins 是一个开源的持续集成和持续部署工具，支持 Pipeline 语法，可以实现自动化构建和部署。
蓝绿部署策略：蓝绿部署是一种部署策略，通过同时运行两个环境（蓝色和绿色），可以实现无缝升级和回滚。

混沌工程实践

混沌工程通过模拟故障，提高系统的健壮性。通过混沌工程，可以发现系统的弱点和缺陷，并采取措施进行修复。

Serverless 框架

Knative Serving：Knative Serving 是一个 Serverless 框架，可以实现自动扩缩容和资源调整。
Eventing：Eventing 是一个事件驱动架构，可以实现事件源和触发器，从而实现自动化处理。

五、高可用架构

存储方案

CSI 插件开发：CSI（Container Storage Interface）是一种容器存储接口，可以支持各种存储系统。通过开发 CSI 插件，可以将各种存储系统集成到 Kubernetes 集群中。
本地 PV 管理：本地 PV（PersistentVolume）可以提供持久化存储，并提高数据持久性。
跨 AZ 存储同步：跨地域存储同步可以实现跨地域数据一致性，提高数据的可用性和可靠性。

容灾设计

容灾设计包括数据备份、故障切换等，确保业务连续性。通过容灾设计，可以在发生故障时快速切换到备用系统，保证业务的正常运行。

集群联邦部署

集群联邦部署可以实现跨集群资源调度，提高资源的利用率。

流量切换演练

流量切换演练用于验证高可用架构的可靠性。通过流量切换演练，可以发现潜在的问题，并采取措施进行修复。

异地多活方案

异地多活方案实现跨地域业务连续性，提高业务的可用性和可靠性。

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