Kubernetes架构解析

📕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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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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