23、深入解析 Kubernetes 生态系统：核心概念与关键工具

深入解析 Kubernetes 生态系统：核心概念与关键工具

1. Kubernetes 基础概念

Kubernetes 作为分布式计算的操作系统，有几个基础概念需要掌握：
- Pod ：是 K8s 中最小、最基本的可部署对象，它是在集群上运行的一个或多个相关容器的组。Pod 常为单个容器（如 Docker 容器），也可以是一组需要一起运行的容器，可用于实现单个微服务。
- Role - based access control (RBAC) ：是一种管理框架，允许管理员为应用程序声明基于业务的访问策略和权限。访问策略定义具有特定权限的角色，角色绑定将这些角色与特定用户关联，这对职责分配至关重要，能确保 Kubernetes 集群管理组件的安全，还能展示业务规则以满足审计要求。
- Control plane ：管理集群，可看作 Kubernetes 集群的神经系统。控制平面包含多个组件，负责调度、与云服务器集成、通过用户界面接受命令、存储集群声明和状态等。
- kubectl ：开源命令行工具，用于向 Kubernetes API 网关提交命令，API 网关将命令路由到控制平面，可用于部署应用、记录集群诊断细节、管理集群等，功能类似于 macOS 上的 Terminal。

2. Kubernetes：完美的开源项目

Kubernetes 是完美开源项目的典范，2017 年在 GitHub 上成为讨论最多的仓库。它不是传统的全包式 PaaS 系统，而是提供构建开发者平台的基础组件，并允许组织利用其可插拔架构进行定制。这是许多曾避开第一代 PaaS 技术（如 Cloud Foundry、Heroku 或 App Engine）的组织最终转向 Kubernetes 的主要原因之一。

Kubernetes 不限制支持的应用类型、不部署源代码或构建应用、不提供应用服务、不规定日志解决方案等。但它在服务发现、自动自愈、配置管理等方面表现出色，对于用户想自行配置的部分，提供可插拔架构，如设置集中式日志可使用 Splunk、LogDNA、Fluentd 和 Logstash 等 20 多种工具，也有基本的日志功能。

3. Helm 包管理

在应用安装方面，Helm 是 Kubernetes 的包管理器。它能确定安装新包所需的依赖项，并按正确顺序激活这些依赖项。在 Helm 中，将应用打包成 Helm Charts，它是用 YAML 编写的包描述文件，包含依赖项、配置细节等信息。

Helm 于 2020 年 4 月在 CNCF 中从“孵化”阶段毕业，在 DevOps 流程的第 1 天（初始部署阶段）受运维团队欢迎，可简化 Kubernetes 应用所需资源数量。例如，部署前端服务、后端服务、暴露路由和设置自定义域，原本需要四个不同的 Kubernetes 资源配置，使用 Helm 可将其合并为一个“版本”。但 Helm 在处理有大量第 2 天操作（如管理 Quay 容器注册表和 MongoDB 数据库等有状态或复杂工作负载）的服务中不太受欢迎。

4. Kubernetes Operators

对于数据库等有状态或复杂工作负载，需要备份和更新架构等操作，Kubernetes Operators 可发挥作用。Operators 是一种打包代码的方式，用于执行通常由人工操作员处理的定期、有状态维护操作。

Operators 能像人类运维工程师一样配置 Kubernetes，这得益于 Kubernetes 的控制循环和自定义资源定义（CRDs）：
- 控制循环 ：是 Kubernetes 资源自愈的基础，包含观察、差异分析和行动三个阶段。例如，创建一个要求三个 Pod 存活的部署，若有一个 Pod 崩溃，Kubernetes 控制循环会不断重启该 Pod 以解决当前状态与预期状态的差异。
- CRDs ：允许扩展 Kubernetes 默认 API，开发者可创建包含多个标准 Kubernetes 资源的大规模资源。如安装 MongoDB 操作符后，会为 MongoDB 数据库创建 CRD，用户可创建引用该 CRD 的资源并部署到 Kubernetes，CRD（及操作符）负责创建构成 MongoDB 实例的底层 Kubernetes 资源。

Operators 的关键优势是能有效减轻维护特定服务的责任，显著降低第 2 天的运营成本。与 Helm 不同，Helm 用于第 1 天的多资源部署操作，而 Operators 可对运行在 Kubernetes 上的复杂服务进行持续管理和维护，但 Helm 仍是简化标准部署和 CI/CD 管道的关键部分。

以下是控制循环的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[观察] --> B[差异分析]
    B --> C{是否有差异}
    C -- 是 --> D[行动]
    D --> A
    C -- 否 --> A

5. Terraform 基础设施管理

前面讨论的内容多基于虚拟层面，而实际的云资源不会凭空出现。为选择合适的云资源（如服务器类型、内存、GPU 等），可利用基础设施即代码的理念，使用 Terraform。

Terraform 是 HashiCorp 开发的开源工具，用于安全、高效地构建、更改和版本化基础设施。它是声明式的，只需告诉它需要的资源，它会处理获取这些资源的繁琐过程，就像使用打车软件，只需输入目的地，司机负责其余操作。

Terraform 有公共注册表服务，可找到实现常见基础设施形式的模块，如在不同公共云提供商上实现 Kubernetes 集群，团队可能只需对模块进行定制。

6. Service Meshes 服务网格

在云环境中，由多个服务组成的应用需要相互通信，但服务的启动和停止频繁，导致通信困难。《分布式计算的八大谬误》指出网络是可靠、安全且不变的等观点是错误的，Kubernetes 表明应对这些问题的现实方法是引入服务网格。

服务网格是一组服务，将网络负担从应用代码中抽象出来。服务无需知道所需服务的 IP 地址、直接建立连接或处理服务不可用的情况，这些都由服务网格管理。服务成为“虚拟服务”，服务网格负责路由请求、资源发现、了解服务可用性和位置、服务版本管理等。

此外，服务网格还可管理安全、身份验证和授权等问题，将这些复杂问题交给专业组件处理，让服务专注于业务逻辑。

以下是服务网格作用的表格说明：
| 功能 | 说明 |
| ---- | ---- |
| 网络通信 | 处理服务间的通信，包括发现和路由 |
| 安全管理 | 确定用户、服务和角色的信任关系 |
| 版本管理 | 支持服务版本控制和测试 |

深入解析 Kubernetes 生态系统：核心概念与关键工具

7. 总结 Kubernetes 生态系统关键组件

Kubernetes 生态系统由多个关键组件构成，它们各自发挥着重要作用，共同推动着应用的高效部署与管理。下面通过表格对前文提到的核心组件进行总结：
| 组件名称 | 主要功能 | 使用场景 | 优势 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| Pod | K8s 中最小、最基本的可部署对象，是一个或多个相关容器的组 | 实现单个微服务 | 灵活部署，可组合不同容器 |
| RBAC | 管理框架，用于声明应用的访问策略和权限 | 职责分配，保障集群安全 | 有效分配职责，满足审计要求 |
| Control plane | 管理集群，是 Kubernetes 集群的神经系统 | 集群调度、集成云服务器等 | 统一管理集群各项功能 |
| kubectl | 开源命令行工具，向 Kubernetes API 网关提交命令 | 部署应用、记录诊断细节等 | 方便快捷地操作集群 |
| Helm | Kubernetes 的包管理器 | 应用初始部署阶段 | 简化应用资源配置，提高部署效率 |
| Operators | 执行有状态或复杂工作负载的维护操作 | 数据库等复杂服务的管理 | 减轻维护责任，降低运营成本 |
| Terraform | 开源工具，用于构建、更改和版本化基础设施 | 选择和配置云资源 | 声明式操作，简化资源获取过程 |
| Service Meshes | 抽象网络负担，管理服务间通信 | 云环境中多个服务的通信 | 让服务专注业务逻辑，保障通信可靠性 |

8. 各组件协同工作示例

为了更直观地理解这些组件如何协同工作，下面以一个简单的应用部署为例，给出 mermaid 流程图：

graph LR
    A[Helm 打包应用] --> B[通过 kubectl 部署到 Kubernetes 集群]
    B --> C{是否有有状态服务}
    C -- 是 --> D[Operators 管理有状态服务]
    C -- 否 --> E[Pod 正常运行]
    F[Terraform 配置基础设施] --> B
    G[Service Meshes 管理服务通信] --> E
    D --> E

在这个流程中：
1. 首先使用 Terraform 配置所需的基础设施，确保有合适的计算资源。
2. 然后使用 Helm 将应用打包成 Helm Charts，通过 kubectl 提交到 Kubernetes 集群进行部署。
3. 如果应用中有有状态服务，如数据库，Operators 会负责对其进行维护和管理。
4. 最后，Service Meshes 负责管理各个服务之间的通信，确保服务能够可靠地交互。

9. 选择合适工具的建议

在实际应用中，需要根据不同的需求选择合适的工具：
- 初始部署阶段 ：如果应用由多个组件构成，且需要简化部署过程，Helm 是不错的选择。它能将多个 Kubernetes 资源配置合并为一个“版本”，提高部署效率。
- 有状态服务管理 ：对于数据库等有状态或复杂工作负载，Operators 可以自动执行备份、架构更新等维护操作，减轻人工负担，降低运营成本。
- 基础设施配置 ：当需要选择和配置云资源时，Terraform 的声明式操作能让你轻松地获取所需资源，避免手动配置的繁琐和错误。
- 服务通信管理 ：在云环境中，多个服务之间的通信复杂且频繁，Service Meshes 可以抽象网络负担，保障服务间的可靠通信，同时还能管理安全和版本等问题。

10. 未来展望

Kubernetes 生态系统不断发展，新的工具和技术也在不断涌现。未来，这些核心组件可能会进一步优化和集成，为开发者和运维人员提供更便捷、高效的应用部署和管理方案。例如，Operators 可能会支持更多类型的复杂服务，Service Meshes 可能会提供更强大的安全和性能管理功能。同时，随着云原生技术的普及，Kubernetes 生态系统将在更多领域得到应用，推动整个行业的发展。

通过深入理解 Kubernetes 生态系统的核心概念和关键工具，我们可以更好地利用这些技术，构建出更加稳定、高效的分布式应用。希望本文能为你在 Kubernetes 的学习和实践中提供有价值的参考。