什么是Kubernetes？K8s基础与工作原理

什么是 Kubernetes（K8s）？

Kubernetes，通常简称为 K8s，是一个用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序的开源容器编排平台。它由 Google 于 2014 年开源，后来交由 CNCF（Cloud Native Computing Foundation）管理。Kubernetes 的名字来自希腊语，意思是“舵手”或“飞行员”，表明它的作用是为容器化应用提供控制与调度。

Kubernetes 解决了容器管理的复杂性，通过集群化的方式将一组物理或虚拟机器组织起来，形成一个统一的计算资源池，并在这个资源池上自动化地部署、扩展、负载均衡和恢复应用程序。

Kubernetes 的基础组件

Kubernetes 的架构分为两个主要部分：控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Nodes）。这两者共同管理和调度容器化应用的生命周期。

1. 控制平面（Control Plane）

控制平面是 Kubernetes 的“大脑”，负责集群的管理和调度工作。其核心组件包括：

• API Server：API Server 是 Kubernetes 集群的入口，负责处理所有的 API 请求。开发者、运维人员、以及 Kubernetes 内部组件都通过 API Server 来与 Kubernetes 交互。它是整个集群管理的核心组件。
• Etcd：Kubernetes 使用 etcd 作为分布式键值存储，用于存储集群的所有状态数据。Etcd 是集群的一致性数据存储，保存着集群的配置、Pod 的状态信息等。
• Controller Manager：它负责管理 Kubernetes 的各种控制器，包括节点控制器、复制控制器等。控制器负责监控集群的状态，确保实际状态与期望状态一致。例如，如果某个 Pod 异常退出，控制器将启动新的 Pod 进行替换。
• Scheduler：调度器负责为未分配的 Pod 选择合适的节点（Node）来运行。它根据资源利用率、节点健康状况等多种因素来做出决策，确保应用的高可用性和性能。

2. 工作节点（Worker Nodes）

工作节点是实际运行容器化应用程序的地方。每个节点上都有几个关键组件：

• Kubelet：这是在每个节点上运行的主要代理进程，负责与控制平面通信，并执行调度器分配的任务。它会监控 Pod 的状态，并向控制平面报告。
• Kube-proxy：这是 Kubernetes 内部的网络代理，负责为每个 Pod 提供网络通信，并实现服务的负载均衡。
• Container Runtime：这是在节点上负责运行容器的实际工具，常见的有 Docker、containerd 等。Kubernetes 支持多种容器运行时接口（CRI）。

Kubernetes 的核心概念

Kubernetes 提供了一系列抽象层，用来管理容器化应用的运行、扩展、和故障恢复。以下是 Kubernetes 中几个关键的抽象和概念：

1. Pod

Pod 是 Kubernetes 的最小部署单元，代表着运行在集群上的一个或多个容器。通常，容器会共享同一个 Pod 的网络和存储资源。尽管每个 Pod 通常只包含一个容器，但也可以将多个紧密耦合的容器放在同一个 Pod 中共同工作。

2. Service

Service 是 Kubernetes 提供的持久服务抽象，用于定义一组运行在 Pod 上的容器服务。它为这些容器分配一个静态 IP 地址和 DNS 名称，并负责负载均衡。通过 Service，可以实现在 Pod 动态创建和销毁的情况下保持外部的访问稳定。

3. Deployment

Deployment 是一种声明式的资源对象，负责管理 Pod 的副本数、滚动更新等。它可以保证某个应用的指定数量的副本始终在集群中运行，并且提供了自动滚动更新、回滚等功能。

4. Namespace

Namespace 是 Kubernetes 中用来进行资源隔离的逻辑分组机制。不同的 Namespace 中可以有相同名称的资源对象，它们之间互不影响。常用来对大型集群进行资源管理和权限隔离。

5. Ingress

Ingress 是 Kubernetes 提供的入口资源，用来控制从外部流量如何进入集群内部的服务。通过 Ingress，可以定义 HTTP 和 HTTPS 路由规则，将外部请求转发给相应的服务。

Kubernetes 的工作原理

Kubernetes 的核心工作原理是基于 声明式管理（Declarative Management）和 控制循环（Control Loop）来实现的。用户通过配置文件定义期望的集群状态，Kubernetes 通过控制器不断对比实际状态和期望状态，并自动进行调整，使两者保持一致。

1. 声明式管理

在 Kubernetes 中，用户通过声明式配置文件（通常为 YAML 或 JSON 格式）来定义期望的状态。这个期望状态可以包括应用运行的 Pod 数量、容器镜像版本、服务的暴露方式等。

当用户提交这些配置文件后，Kubernetes 的控制平面会将这些声明保存到 etcd 中，并开始调度和管理相应的资源，直到集群的实际状态与声明的期望状态一致。

2. 控制循环

控制循环是 Kubernetes 的核心原理之一。它不断监控集群的实际状态（如 Pod 的数量、健康状况等），并与期望状态进行比较。如果检测到差异，控制器会采取行动修复这些差异。例如，如果某个 Pod 异常退出，控制器会自动创建新的 Pod，以恢复到期望的副本数。

这个循环持续不断地运行，确保 Kubernetes 集群始终处于一致的状态，无需手动干预。

3. 调度与扩展

当用户定义了 Pod 或 Deployment，Kubernetes 的调度器会根据当前集群的资源情况选择合适的节点运行这些 Pod。Kubernetes 支持横向自动扩展（Horizontal Pod Autoscaler），可以根据 Pod 的 CPU 或内存使用情况动态增加或减少 Pod 的数量。

4. 自愈能力

Kubernetes 具备强大的自愈能力，能够在应用或节点出现故障时，自动进行修复。例如，当某个节点失效时，Kubernetes 会自动将该节点上运行的容器重新调度到其他健康的节点上运行，确保应用的高可用性。

Kubernetes 的优势

1. 自动化管理：Kubernetes 能够自动调度、扩展和恢复应用，减少了人工干预的需要，提高了系统的可管理性。
2. 弹性与扩展性：Kubernetes 支持自动扩展容器集群，可以根据流量动态调整资源，确保系统的性能和稳定性。
3. 自愈能力：Kubernetes 能够自动检测应用故障并进行修复，保证系统的高可用性。
4. 跨平台支持：Kubernetes 支持多种云平台和本地部署环境，使得应用能够轻松迁移和扩展，避免厂商锁定。

总结

Kubernetes 是一个强大的容器编排平台，通过抽象复杂的基础设施细节，提供了一种声明式的管理方式。其核心组件包括控制平面和工作节点，利用声明式配置和控制循环来管理容器化应用的生命周期。借助 Kubernetes，开发和运维人员能够更高效地管理、扩展和维护容器化的应用程序，从而大幅提升系统的可扩展性、可靠性和自动化管理水平。