Kubernetes 简介：容器编排器

如果您在软件开发领域工作，您肯定听说过 Kubernetes。但它到底是什么，为什么它已成为管理容器化应用程序的事实标准？本指南将带您从基础知识到核心概念，并提供实际示例和图表以帮助您理解。

Kubernetes 之前：简要历史

要理解为什么 Kubernetes 如此具有革命性，让我们先回顾一下。

1. 传统部署：最初，应用程序在物理服务器上运行。这种方法成本高昂，难以扩展，且容易出现资源冲突。
2. 虚拟化部署：然后出现了虚拟机（VM）。VM 允许在同一硬件上运行多个隔离的应用程序，从而提高了资源利用率和安全性。然而，每个 VM 都运行一个完整的操作系统，消耗大量资源。
3. 容器化部署：容器（如 Docker）是下一个演进。它们共享相同的主机操作系统，但运行隔离的进程。它们轻量、启动快且可移植。

容器解决了可移植性问题，但又带来了另一个问题：如何在生产环境中管理成百上千个容器？如何确保它们始终在运行，能够相互通信，并根据负载进行扩展？

Kubernetes 正是为此而生。

什么是 Kubernetes？

Kubernetes（通常缩写为 K8s）是一个用于容器编排的开源平台。简单来说，它自动化了容器化应用程序的部署、扩展和管理。由 Google 创建，现在由云原生计算基金会（CNCF）维护，Kubernetes 已成为任何大规模使用微服务的人的首选工具。

Kubernetes 集群的架构

Kubernetes 环境被称为集群。集群由一组称为节点的计算机组成，这些节点运行我们的应用程序。该架构分为两个主要部分：控制平面和工作节点。

控制平面

控制平面是集群的“大脑”。它做出全局决策（如调度），并检测和响应集群事件。其主要组件包括：

• API 服务器 (kube-apiserver)：它是集群的网关。它暴露了 Kubernetes API，用户（通过 kubectl）、集群组件和外部工具都使用它进行通信。
• etcd：一个一致且高可用的键值数据库。它存储所有集群数据，代表了系统的期望状态和当前状态。
• 调度器 (kube-scheduler)：将新创建的 Pod 分配给可用的工作节点，同时考虑资源需求、策略和其他约束。
• 控制器管理器 (kube-controller-manager)：运行控制器，这些控制器是监视集群状态并努力使其达到期望状态的控制循环。例如，Node Controller 管理节点，而 Replication Controller 确保运行正确数量的 Pod。

工作节点

工作节点是实际运行应用程序的机器（物理或虚拟）。每个节点都由控制平面管理，并包含以下组件：

• Kubelet：在每个节点上运行的代理。它确保 Pod 中描述的容器正在运行且健康。
• Kube-proxy：一个网络代理，用于管理节点上的网络规则。它允许从集群内部或外部的网络会话与 Pod 进行网络通信。
• 容器运行时：负责运行容器的软件。Docker 是最著名的，但 Kubernetes 也支持其他运行时，如 containerd 和 CRI-O。

基本的 Kubernetes 对象

在 Kubernetes 中，一切都由对象表示。这些对象是“意图记录”：一旦创建了一个对象，Kubernetes 就会不断努力确保它存在并与期望状态匹配。

以下是最重要的几个：

Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的执行单元。它代表一个或多个在同一节点上一起运行的容器，共享网络和存储等资源。

通常，每个 Pod 只运行一个容器，但在高级场景中（如用于日志记录或监控的“sidecar 容器”），可以有多个。

您几乎从不直接创建 Pod。您会使用更高级别的抽象，如 Deployment。

Deployment

Deployment 是您最常使用的对象。它描述了一组相同 Pod 的期望状态。Deployment 控制器负责：

• 创建和管理一个 ReplicaSet（另一个对象，确保始终运行特定数量的 Pod 副本）。
• 扩展 Pod 的数量（增加或减少）。
• 以受控方式管理应用程序更新（例如，滚动更新），而不会停机。

这是一个运行 3 个 NGINX 服务器副本的 Deployment 的 YAML 文件示例：

# nginx-deployment.yaml
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:1.14.2
        ports:
        - containerPort: 80

Service

Kubernetes 中的 Pod 是短暂的：它们可以随时被创建和销毁。每个 Pod 都有自己的 IP 地址，但这个 IP 地址并不稳定。那么，我们如何可靠地暴露我们的应用程序呢？

通过 Service。Service 是一个抽象，它定义了一组逻辑上的 Pod 和访问它们的策略。它为一组 Pod 提供了一个稳定的接入点（一个虚拟 IP 地址和一个 DNS 名称）。

Service 使用基于标签的 selector 来查找应将流量转发到的 Pod。

以下是如何为我们的 NGINX Deployment 创建一个 Service：

# nginx-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: ClusterIP # 默认 - 仅在集群内部暴露服务

有不同类型的 Service：

• ClusterIP：在集群内部 IP 上暴露服务（默认）。
• NodePort：在每个工作节点的静态端口上暴露服务。
• LoadBalancer：在云提供商（如 AWS、GCP）中创建一个外部负载均衡器，并为服务分配一个公共 IP。

Ingress

LoadBalancer 类型的 Service 很棒，但为每个服务都创建一个可能成本高昂。要向外部世界暴露多个 HTTP/HTTPS 服务，您可以使用 Ingress。

Ingress 充当外部流量的“智能路由器”。它允许您根据主机（例如 api.mysite.com）或路径（例如 mysite.com/api）定义路由规则。

以下是一个 Ingress 的示例：

# example-ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: example-ingress
spec:
  rules:
  - host: mysite.com
    http:
      paths:
      - path: /api
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: api-service
            port:
              number: 8080
      - path: /ui
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: ui-service
            port:
              number: 3000

其他有用的对象

• Namespace：允许您在物理集群内创建“虚拟集群”。用于隔离环境（例如 development、staging、production）或团队。
• ConfigMap 和 Secret：用于管理与容器镜像分离的配置数据和机密（如密码或 API 密钥）。
• StatefulSet：类似于 Deployment，但专门用于需要稳定网络标识和持久存储的有状态应用程序（如数据库）。
• PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC)：用于管理集群中的持久存储。

结论

Kubernetes 是一个非常强大的工具，但其学习曲线可能很陡峭。本指南只是浅尝辄止，但我们希望它能让您对基本概念有一个扎实的理解。

接下来做什么？

• 在本地进行实验：安装 Minikube 或 Kind 在您的计算机上创建一个 Kubernetes 集群。
• 使用 kubectl：熟悉 kubectl 命令，这是您与集群交互的主要工具。尝试创建本文中的 NGINX Deployment 和 Service。
• 探索官方教程：Kubernetes 文档 是一个充满示例的绝佳资源。

容器编排是云原生世界中的一项基本技能，掌握 Kubernetes 将为您打开一个充满可能性的世界。玩得开心！