零基础理解k8s

最新推荐文章于 2025-11-29 15:33:47 发布

原创最新推荐文章于 2025-11-29 15:33:47 发布 · 1k 阅读

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

# Kubernetes入门指南

## 📖 目录

- [1. Kubernetes是什么](#1-kubernetes是什么)
- [2. 快速上手实践](#2-快速上手实践)
- [3. 适用场景](#3-适用场景)
- [4. 实现机制与系统架构](#4-实现机制与系统架构)
- [5. 功能模块及作用](#5-功能模块及作用)
- [6. 最佳实践](#6-最佳实践)
- [7. 总结](#7-总结)

---

## 1. Kubernetes是什么

### 1.1 基本概念

**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开发，现在由云原生计算基金会（CNCF）维护。

### 1.2 为什么需要Kubernetes？

在容器化时代，我们面临以下挑战：

- **容器管理复杂性**：手动管理大量容器变得困难
- **服务发现**：容器间如何相互发现和通信
- **负载均衡**：如何分配流量到多个容器实例
- **自动扩缩容**：根据负载自动调整容器数量
- **故障恢复**：容器崩溃时如何自动重启
- **滚动更新**：如何零停机更新应用

Kubernetes解决了这些问题，让容器管理变得简单高效。

### 1.3 核心特性

- ✅ **自动化部署**：一键部署应用到集群
- ✅ **服务发现**：自动发现和注册服务
- ✅ **负载均衡**：智能分配流量
- ✅ **自动扩缩容**：根据CPU/内存使用率自动调整
- ✅ **滚动更新**：零停机更新应用
- ✅ **故障自愈**：自动重启失败的容器
- ✅ **配置管理**：统一管理配置和密钥
- ✅ **存储编排**：自动挂载存储卷

---

## 2. 快速上手实践

### 2.1 在线体验环境

我们将使用 [Killercoda Kubernetes Playground](https://killercoda.com/playgrounds/scenario/kubernetes) 进行实践，这是一个免费的在线Kubernetes学习环境。

### 2.2 环境准备

1. **访问在线环境**
   - 打开浏览器，访问：https://killercoda.com/playgrounds/scenario/kubernetes
   - 点击"Start Scenario"开始

2. **验证环境**
   ```bash
   # 检查Kubernetes版本
   kubectl version --client
   
   # 查看集群信息
   kubectl cluster-info
   
   # 查看节点状态
   kubectl get nodes

2.3 第一个应用部署

步骤1：创建Deployment

# 创建一个nginx部署
kubectl create deployment nginx-app --image=nginx:1.20

# 查看部署状态
kubectl get deployments

# 查看Pod状态
kubectl get pods

步骤2：暴露服务

# 创建Service暴露应用
kubectl expose deployment nginx-app --port=80 --type=NodePort

# 查看服务
kubectl get services

# 获取访问地址
kubectl get service nginx-app -o wide

步骤3：访问应用

# 获取节点IP和端口
kubectl get nodes -o wide
kubectl get service nginx-app

# 使用curl访问（替换为实际的IP和端口）
curl http://<NODE_IP>:<NODE_PORT>

2.4 扩缩容实践

# 扩容到3个副本
kubectl scale deployment nginx-app --replicas=3

# 查看Pod分布
kubectl get pods -o wide

# 缩容到1个副本
kubectl scale deployment nginx-app --replicas=1

2.5 滚动更新

# 更新镜像版本
kubectl set image deployment/nginx-app nginx=nginx:1.21

# 查看更新状态
kubectl rollout status deployment/nginx-app

# 查看更新历史
kubectl rollout history deployment/nginx-app

# 回滚到上一版本
kubectl rollout undo deployment/nginx-app

2.6 清理资源

# 删除部署和服务
kubectl delete deployment nginx-app
kubectl delete service nginx-app

# 确认删除
kubectl get all

3. 适用场景

3.1 微服务架构

场景描述：将单体应用拆分为多个微服务

K8s优势：

每个微服务独立部署和扩展
服务间通信通过Service自动发现
故障隔离，单个服务故障不影响整体

示例：

用户服务 (user-service)     → 2个副本
订单服务 (order-service)    → 3个副本  
支付服务 (payment-service)  → 2个副本

3.2 云原生应用

场景描述：构建云原生、可扩展的应用

K8s优势：

自动扩缩容应对流量波动
多云部署避免厂商锁定
声明式配置管理

3.3 DevOps和CI/CD

场景描述：自动化部署和持续集成

K8s优势：

与Jenkins、GitLab CI等工具集成
蓝绿部署、金丝雀发布
环境一致性保证

3.4 大数据和机器学习

场景描述：运行大数据处理和ML训练任务

K8s优势：

支持GPU资源调度
批处理作业管理
资源隔离和配额管理

3.5 不适合的场景

❌ 简单应用：单机应用不需要容器编排
❌ 资源受限：小团队或预算有限的项目
❌ 学习成本：团队缺乏容器化经验

4. 实现机制与系统架构

4.1 整体架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Kubernetes集群                            │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  Master节点 (控制平面)                                        │
│  ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐            │
│  │ API Server  │ │ Scheduler   │ │ Controller  │            │
│  └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘            │
│  ┌─────────────┐                                           │
│  │ etcd        │                                           │
│  └─────────────┘                                           │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  Worker节点 (数据平面)                                        │
│  ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐            │
│  │ kubelet     │ │ kube-proxy  │ │ Container   │            │
│  │             │ │             │ │ Runtime     │            │
│  └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘            │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.2 Master节点组件

API Server

作用：集群的统一入口，处理所有API请求
功能：认证、授权、准入控制、数据验证
特点：RESTful API，支持多种客户端

etcd

作用：分布式键值存储，保存集群状态
功能：配置存储、服务发现、协调
特点：强一致性、高可用

Scheduler

作用：调度器，决定Pod运行在哪个节点
功能：资源评估、亲和性规则、污点容忍
特点：可插拔、可扩展

Controller Manager

作用：控制器管理器，维护集群期望状态
功能：节点管理、副本控制、端点管理
特点：多控制器、自动修复

4.3 Worker节点组件

kubelet

作用：节点代理，管理Pod生命周期
功能：容器启动、健康检查、资源监控
特点：与API Server通信、本地执行

kube-proxy

作用：网络代理，实现Service功能
功能：负载均衡、服务发现、网络规则
特点：iptables/ipvs模式

Container Runtime

作用：容器运行时，运行容器
支持：Docker、containerd、CRI-O
功能：镜像管理、容器生命周期

4.4 工作流程

用户提交请求 → API Server
API Server验证 → 存储到etcd
Scheduler调度 → 选择合适节点
kubelet执行 → 启动容器
Controller监控 → 维护期望状态

5. 功能模块及作用

5.1 核心资源对象

Pod

# Pod示例
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.20
    ports:
    - containerPort: 80

作用：

最小部署单元
包含一个或多个容器
共享网络和存储

Deployment

# Deployment示例
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.20

作用：

管理Pod副本
滚动更新
回滚功能

Service

# Service示例
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
  type: ClusterIP

作用：

服务发现
负载均衡
网络抽象

5.2 配置管理

ConfigMap

# ConfigMap示例
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  database_url: "mysql://localhost:3306"
  debug_mode: "true"

作用：

存储配置数据
环境变量注入
配置文件挂载

Secret

# Secret示例
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: app-secret
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=  # base64编码
  password: cGFzc3dvcmQ=

作用：

存储敏感信息
加密存储
安全传输

5.3 存储管理

PersistentVolume (PV)

# PV示例
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: mysql-pv
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: slow
  hostPath:
    path: /data/mysql

PersistentVolumeClaim (PVC)

# PVC示例
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mysql-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: slow

作用：

持久化存储
动态供应
存储抽象

5.4 网络功能

Ingress

# Ingress示例
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: app-ingress
spec:
  rules:
  - host: app.example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: app-service
            port:
              number: 80

作用：

HTTP/HTTPS路由
SSL终止
域名管理

5.5 监控和日志

资源监控

Metrics Server：收集资源使用指标
Prometheus：监控和告警
Grafana：可视化仪表板

日志管理

Fluentd：日志收集
Elasticsearch：日志存储
Kibana：日志分析

6. 最佳实践

6.1 应用设计原则

容器化最佳实践

# 多阶段构建
FROM node:16 AS builder
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm ci --only=production

FROM node:16-alpine
WORKDIR /app
COPY --from=builder /app/node_modules ./node_modules
COPY . .
EXPOSE 3000
CMD ["npm", "start"]

原则：

使用多阶段构建减小镜像大小
非root用户运行
健康检查配置
资源限制设置

应用配置

# 资源限制示例
apiVersion: v1
kind: Pod
spec:
  containers:
  - name: app
    image: myapp:latest
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"
    livenessProbe:
      httpGet:
        path: /health
        port: 8080
      initialDelaySeconds: 30
      periodSeconds: 10

6.2 安全最佳实践

RBAC权限控制

# Role示例
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]

# RoleBinding示例
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
subjects:
- kind: User
  name: jane
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

网络安全

Network Policies：网络隔离
Pod Security Standards：Pod安全标准
镜像扫描：安全漏洞检测

6.3 运维最佳实践

监控和告警

# ServiceMonitor示例（Prometheus）
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: app-monitor
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  endpoints:
  - port: metrics
    interval: 30s

备份和恢复

etcd备份：定期备份集群状态
应用数据备份：PV数据备份
配置备份：YAML文件版本控制

灾难恢复

多区域部署：跨可用区部署
数据复制：关键数据多副本
故障转移：自动故障切换

6.4 性能优化

资源优化

# HPA自动扩缩容
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: app-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: app-deployment
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 70