Kubernetes 容器集群管理系统

Kubernetes 概述

Kubernetes 源于希腊语，意为舵手，因为首尾字母中间正好有8个字母，简称为 K8S。Kubernetes 是当今最流行的开源容器管理平台，是 Google 发起并维护的基于 Docker 的开源容器集群管理系统。它是大名鼎鼎的 Google Borg 的开源版本。

K8s 构建在 Docker 技术之上，为容器化的应用提供资源调度、部署运行、服务发现、扩容缩容、负载均衡等一套功能，因为容器本身就是可移植的，所以 Kubernetes 容器集群也能跑在私有云、公有云或者混合云上面。

Kubernetes 的关键特性

• 自动化装箱：在不牺牲可用性的条件下，基于容器对资源的要求和约束自动部署容器。
• 自愈能力：当容器失败时，会对容器进行重启；当所部署的 Node 节点有问题时，会对容器进行重新部署和重新调度。
• 水平扩容：通过简单的命令、用户界面或基于 CPU 的使用情况，能够对应用进行扩容和缩容。
• 服务发现和负载均衡：开发者不需要使用额外的服务发现机制，就能够基于 Kubernetes 进行服务发现和负载均衡。
• 自动发布和回滚：Kubernetes 能够程序化的发布应用和相关的配置。如果发布有问题，Kubernetes 将能够回归发生的变更。
• 保密和配置管理：在不需要重新构建镜像的情况下，可以部署和更新保密和应用配置。
• 存储编排：自动挂接存储系统，这些存储系统可以来自于本地、公共云提供商或网络存储。

Kubernetes 架构设计

Kubernetes 属于主从分布式架构，主要由 Master Node 和 Worker Node 组成，包括客户端命令行工具 kubectl 和其它附加项。

K8S 集群部署

Kubernetes 提供了多种部署方式，常用的包括：

kubeadm 方式部署

Kubeadm 是一个工具，它提供了 kubeadm init 以及 kubeadm join 这两个命令作为快速创建 Kubernetes 集群的最佳实践。

# 初始化 Master 节点
kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

# 将 Node 节点加入集群
kubeadm join <MASTER_NODE_IP>:6443 --token <TOKEN> \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<HASH>

环境准备

在部署 Kubernetes 集群前，需要确保所有节点满足以下条件：

• 关闭 swap 分区
• 关闭防火墙
• 关闭 SELinux
• 配置正确的 hosts 文件
• 安装 Docker 和 kubeadm、kubelet、kubectl

Pod 管理

Pod 是 Kubernetes 中最小的部署单元，每个 Pod 包含一个或多个紧密相关的容器。

创建 Pod

可以使用 YAML 文件定义 Pod：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx-container
    image: nginx:1.15.2
    ports:
    - containerPort: 80

使用 kubectl 创建 Pod：

kubectl apply -f nginx-pod.yaml

Pod 生命周期

• Pending：Pod 已被 Kubernetes 系统接受，但有一个或多个容器尚未创建
• Running：Pod 已经绑定到了节点，所有容器都已创建，并且至少有一个容器在运行
• Succeeded：Pod 中的所有容器都已成功终止，并且不会再重启
• Failed：Pod 中的所有容器都已终止，并且至少有一个容器是因为失败终止
• Unknown：因为某些原因无法取得 Pod 的状态

Service 与网络

Service 是 Kubernetes 中抽象化访问 Pod 的策略，为 Pod 提供稳定的网络端点。

Service 类型

• ClusterIP：在集群内部使用，也是默认值
• NodePort：在所有节点上打开一个端口，此端口可以代理至后端 Pod
• LoadBalancer：使用云提供商的负载均衡器公开服务
• ExternalName：通过返回定义的 CNAME 别名

创建 Service

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

存储系统

Kubernetes 提供了多种存储解决方案，包括：

Volume

Volume 是磁盘上的文件夹并且没有生命周期的管理，支持多种类型：

• emptyDir：Pod 被分配到 Node 上之后创建，Pod 运行期间一直存在
• hostPath：将 Node 节点的文件系统挂载到 Pod 中
• nfs：挂载 NFS 共享到 Pod
• configMap：用于将配置数据注入到 Pod 中
• secret：用于将敏感信息注入到 Pod 中

PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC)

PV 是集群中的存储资源，PVC 是用户对存储的请求：

# 创建 PV
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-volume
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  hostPath:
    path: "/data"

# 创建 PVC
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pv-claim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

后续更新计划

本网站将持续更新以下内容：

• Kubernetes 高级特性（HPA、RBAC、NetworkPolicy 等）
• 监控与日志（Prometheus、Grafana、EFK 等）
• CI/CD 流水线（Jenkins、GitLab CI、ArgoCD 等）
• 服务网格（Istio、Linkerd）
• 云原生技术栈